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【技术】两种镍基钎料钎焊金刚石磨粒研究

http://www.momo35.com   来源:《磨料磨具》杂志  日期:2017/08/03

文/ 陈宇


        钎焊金刚石即是用钎焊的方法将金刚石磨料与金属机体有效的结合起来,使金刚石磨料和钎料之间、钎料和金属基体之间产生化学冶金结合。钎焊方法所达到的钎料对金刚石磨料的把持力要远远高于电镀方法中金属镀层对金刚石磨料简单的机械包裹锁产生的把持力。电镀金刚石磨料工具要满足机械加工磨削负荷的性能要求,就要要求金属镀层对金刚石磨料有足够的的把持力,为达到这一要求金属镀层的高度就要达到金刚石磨料高度的70%左右,意味着金刚石磨料的出刃高度只有本身的30%左右,这样使金刚石磨料的利用率大为降低。同时由于金刚石磨料的裸露高度不高,导致了工具的容屑空间不足,容易堵塞。而钎焊金刚石磨料工具中,钎料和金刚石磨料之间存在着化学冶金结合,这样就可以在提供足够的对金刚石磨料的把持力的同时,使金刚石磨料工具有更高的出刃高度,也使得工具的容屑空间增大,不容易堵塞,从而大幅度的提高金刚石磨料的利用率以及工具的锋利度,同时延长工具的使用寿命。本文主要从钎焊金刚石的微观形貌和磨损状态两方面分析了两种不同成分的镍基钎料钎焊金刚石工具的性能,以对钎焊金刚石工具的发展起到一定的指导作用。
  
  本次试验采用真空钎焊,真空炉型号为青岛旭升专用仪表设备有限公司生产的ZLH12B—1—Φ200卧试真空烧结炉,钎焊真空度为10-3Pa。基体采用45号钢,使用钎料为镍基钎料,Ⅰ、Ⅱ试样所用钎料分别为镍铬磷钎料及镍磷钎料,金刚石粒度为45/50,用深腐蚀法腐蚀出钎焊后的单颗金刚石,并将所制Ⅰ、Ⅱ试样在JS71—A型金刚石磨耗比测定仪(自行改装)与碳化硅砂轮进行磨削试验。利用SEM电子显微镜对腐蚀出钎焊后的单颗金刚石和试样磨削后的金刚石进行形貌分析。
  
  为了分析两种不同钎料对钎焊金刚石微观形貌的影响,本文采用深腐蚀法腐蚀出钎焊后的单颗金刚石,其SEM图如图1、2所示。
  


图1  试样Ⅰ腐蚀出的金刚石SEM图

  
  由图1(a)可以看出腐蚀出的试样Ⅰ金刚石表面有一层较致密的颗粒状物质;由图1(b)可以看出金刚石表面颗粒状物质之间无间隙,连接紧密,大小较为均匀,犹如小岩石颗粒堆砌而成,在金刚石表面分布较均匀。
  


图2  试样Ⅱ腐蚀出的金刚石SEM图

  
  由图2(a)可以看出腐蚀出的试样Ⅱ金刚石表面有一层致密的包裹物。由图2(b)可以看出金刚石表面包裹物为大小较为均匀的针柱状物质,针柱状物沿金刚石法线方向生长,且之间有一定间隙。
  
  由图1和图2可以看出:采用两种不同镍基钎料钎焊金刚石,都能改变金刚石表面微观形貌,钎料中的活性元素都能与金刚石表面的碳原子反应,生成一些不能被强酸腐蚀的碳化物。由于钎料中活性元素的不同,钎焊后金刚石表面生成物呈不同的微观形貌。试样Ⅰ金刚石表面碳化物形状呈颗粒状,犹如小岩石颗粒一样均匀的分布在金刚石表面;而试样Ⅱ金刚石表面碳化物形状呈针柱状,类似石林分布在金刚石表面,但是分布不均。
  
  为了分析试样Ⅰ和试样Ⅱ中金刚石的磨损过程,对两试样与碳化硅砂轮进行磨削试验,并观测试样中金刚石的磨损过程。金刚石的磨损过程图如图3和图4所示。
  


图3  试样Ⅰ磨损过程中的金刚石SEM图

  
  由图3可以看出,试样Ⅰ中金刚石的磨损过程为原始形貌(a)—微破碎(b)—大块破碎(c)—断裂(d)。
  
  由图3(a)可以看出,钎焊后试样Ⅰ中的金刚石晶形完整,出刃高度在70%以上。随着磨削的进行,金刚石受到机械载荷和热载荷的作用,其中机械载荷包括(1)磨削对象对金刚石磨粒的冲击力;(2)磨削对象对金刚石磨粒的摩擦作用力;(3)磨削对象对金刚石磨粒的切削阻力;(4)磨削屑对金刚石磨粒的摩擦作用。又由于金刚石本身存在缺陷和内应力,磨削过程中金刚石所受的应力在金刚石本身缺陷和内应力处集中,从而导致金刚石出现沿解理面的微观破碎,如图3(b)所示。随着磨削的进行,金刚石磨粒在磨削过程中进一步经受重载荷,金刚石破碎程度增加,导致出现金刚石的局部大块破碎,最后形成金刚石的断裂,这如图3 (c)、(d)所示。
  


图4  试样Ⅱ磨损过程中的金刚石SEM图

  
  由图4可以看出,试样Ⅱ中金刚石的磨损过程为原始形貌(a)-断裂(b)。
  
  图4(a)为试样Ⅱ磨损试验前金刚石的原始形貌,由图可以看出试样Ⅱ中的金刚石晶形完整,钎焊后试样的金刚石磨料的出刃高度在60%以上。图4(b)为试样经一段时间的磨损后的断面SEM图,此时金刚石磨料已出现断裂现象。在整个磨削过程中,试样Ⅱ的金刚石磨削过程为由原始形貌直接到金刚石断裂,并没有出现如试样Ⅰ中的微破碎和部分破碎阶段。
  
  采用两种不同镍基钎料都能与金刚石表面的碳原子反应生成金属碳化物,金刚石表面碳化物的生成能加强钎料对金刚石的把持力,两试样在磨损过程中均不存在金刚石的脱落现象。钎料中活性元素的不同对金刚石表面碳化物的形貌有很大影响。金刚石表面不同的碳化物与金刚石的磨损状态有很大关系。金刚石表面碳化物形貌为颗粒状物质的试样Ⅰ中金刚石的磨损过程为原始形貌—微破碎—大块破碎—断裂,金刚石能充分利用;而金刚石表面碳化物形貌为针柱状物质的试样Ⅱ中金刚石的磨损过程为原始形貌—断裂,金刚石易断裂,利用率低。
  
  (来源:磨商网/《磨料磨具》杂志第17期)
 
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