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【整理】铜基钎料真空钎焊金刚石的知识汇总

http://www.momo35.com   来源:超硬天地  日期:2017/09/11

  摘要:
  
  采用铜基合金钎料,适当控制钎焊工艺,实现了金刚石与钢基体的高强度连接。借助扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)分析了真空加热条件下,对铜基合金钎料与金刚石之间的界面反应,钎焊面进行了表面形貌和结构分析。探讨了钎料与金刚石界面处碳化物的形成机理。阐明了在钎焊过程中Ti元素在金刚石界面形成富Ti层并与金刚石表面的C元素反应生成TiC、SnTiC是实现合金层与金刚石有较高结合强度的主要因素。钎料与钢基体在钎焊温度下发生组元间相互扩散,形成了固溶体及其化合物,从而实现钎料与钢基体的高强度结合,并对一系列铜基钎料进行了测试。
  
  关键词:
  
  金刚石;钎焊;化学冶金结合

  
  1前言
  
  目前工业中使用单层金刚石磨具大多采用电镀制品,由于镀层金属与基体和磨料的结合界面不存在牢固的冶金化学结合,磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中,因而把持力不大,在负荷较重的高效磨削作业中,磨具容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效,为增加把持力就必须增加镀层厚度,其结果磨粒裸露高度和容屑空间减小,砂轮易堵塞。国外从20世纪90年代初期开始,研究用高温钎焊替代电镀开发新一代单层金刚石工具,其出发点就是希望能藉助高温钎焊时在金刚石、钎料与母材界面上可能发生的诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用从根本上改善磨料、 结合剂(钎料合金)和基体三者间的结合强度。高温钎焊工艺可实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面上化学冶金结合,具有较高的结合强度,磨粒的裸露高度可达70%-80%,因而钎焊砂轮锋利,容屑空间大,不易堵塞,磨料的利用更加充分。在与电镀砂轮相同条件下,磨削力、功率消耗和磨削温度更低。由于单层高温钎焊金刚石砂轮具有较明显的技术优势,因而它在今后工业生产实践中将成为传统电镀砂轮的换代产品,且具有节能环保的重要意义,并将产生巨大的社会经济效益。
  
  金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面能,不能被一般低熔点合金所浸润,可焊性很差。研究发现,Al、Fe、Co在液态时能浸润金刚石,但在能浸润的温度下,它们对金刚石的侵蚀都很严重。Ti,Cr,W,Mo等强碳化物活性元素能很好地浸润金刚石,但其熔化温度高达1600℃,在这个温度下金刚石将严重石墨化 。所以寻找较低熔点的合金材料作为钎料,并考虑加入某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和亲和性,达到既能黏接金刚石又能满足基体力学性能好的目的是急需解决的问题。本文采用铜基合金钎料,就如何选择低熔点钎料,对具体钎焊效果进行探讨,并运用现代理化分析手段对结合面微结构进行分析,以验证钎料与金刚石的化学冶金结合。
  
  2 试验条件及工艺
  
  基体材料为45钢,钎料为Cu2Sn2Ti合金。试验钎料配比采用了A、B系两个系列。再以A、B合金为基础改变钛的比例由5%~15%采用五个点进行实验。钎焊中的金刚石无镀膜,粒度为45/50目,均匀排布在合金钎料上。钎焊前对钢基体和金刚石表面去油污处理。钎焊试验在真空条件进行,钎焊温度高于熔点30℃左右,保温一定时间后,随炉冷却至室温。
  
  测试分析方法:SEM及能谱在日本电子JSM25610LV钨灯丝电子显微镜上进行;在济南试金集团有限公司WDW-E100微机控制电子式万能试验机上进行强度试验;钎料熔炼采用的是真空非自耗电弧炉进行的熔炼。
  
  3钎焊结果与分析
  
  2.1  金刚石与Cu2Sn2Ti合金间界面分析
  
  图2为真空钎焊后Cu2Sn2Ti合金与金刚石结合形貌SEM、BSE图。从图1中可以看出金刚石边缘被很多白色呈月牙型的合金包覆着,很明显,Cu2Sn2Ti合金对金刚石磨粒表现出良好的浸润性,这表明金刚石磨料与熔融钎料发生了润湿反应。从图中可以看出金刚石出露高度效果较为理想。如果当钎料层达到一定的厚度,由于毛细作用,整个金刚石磨粒将被钎料包裹起来。然而,金刚石与Cu2Sn2Ti合金之间是否有化学冶金反应发生,仅凭形貌观察则无法确切判断。此外,图中可见钎焊后金刚石磨粒的晶形仍保持完整。无裂纹附加热损伤现象。



  

  图1  Cu2Sn2Ti焊接SEM、BSE图象
  

  表1为金刚石表面的钎料成分能谱分析的结果。金刚石表面金属中的Ti元素浓度明显高于钎料本身的浓度,表明钎料中的Ti元素在钎焊温度的作用下,从钎料中向金刚石表面扩散,并与金刚石中的元素结合生成碳化物 。


  

  表1  Cu2Sn2Ti钎料金刚石表面成分分布(wt%)

  

  为了进一步证明碳化物存在,对钎焊后的金刚石磨粒采用X射线衍射分析,确定了金刚石与钎料的焊接界面处新生化合物的存在形式。图2为钎焊界面的X射线衍射结果。其中Ti的化合物有TiC、SnTi2C、TiCu和Cu2SnTi,而使得钎料与金刚石之间形成了冶 金连接的主要原因是新生化合物TiC、SnTi2C的形成,它是由钎料中的Ti和组成金刚石的C相结合而形成的。正是由于TiC、SnTi2C的形成,减小了金刚石与钎料的界面张力,相对提高了钎料的润湿性。


  
  图2  X射线衍射分析结果

  
  2.2  钎料与钢基体的作用
  

  为了解在钎焊金刚石过程中,钎料的组织以及钎料与钢基体的结合,对钎焊后的金刚石试样作能谱线扫描分析如图3。在两者的界面有Ti元素富集,其他元素Cu、Sn在界面处的浓度梯度均呈现缓慢的过渡趋势。钎焊过程中,钎料与钢基体在钎焊温度下发生组元间相互扩散,形成一个固相扩散区,当这个固相扩散区成分接近共晶成分时会出现液相,这时钎料与钢基体在界面上一起熔化,在随后的冷却过程中,钎料与钢基体联生结晶,形成了固溶体及其化合物,从而实现钎料与钢基体的高强度结合。

  

  图3  钎焊后钎料与钢基体线扫描

  
  2.3  钎焊工艺
  
  压剪强度实验方法:在真空条件下,钎焊过程中升温10℃/min,保温时间20min,然后随炉冷却。钎焊后采用如图4所示的方式测试,压头下降速度为:1mm/min。强度测试结果如表2所示。


  

 

  
  图4 强度试验方法

  
  钎料合金的强度随着钛含量的增加而增大,在试验过程中,断裂发生在聚晶片于钎料的结合面,部分断裂后在钎料表面分布着一层细小的金刚石,此处的金刚石为聚晶片中的金刚石微粉,也就是说,断裂是发生在聚晶片中的金刚石微粉与填充料之间,在实际生产及使用过程中,钎料强度可能大于现在的测试结果。
  
  4 结论
  
  Cu-Sn-Ti合金是较理想的黏结剂,高温下液相合金对金刚石完全润湿;对金刚石有足够的固结力黏结力;而且Ti可以与C反应生成TiC,钎料与金刚石形成冶金结合。
  
  (1)采用含有强碳化物形成元素Ti的合金钎料钎焊单层金刚石,钎料对金刚石的浸润性好,碳化物形成元素在金刚石表面偏聚,使金刚石和钎料与基体之间产生化学冶金接合,提高了基体对金刚石的把持力。
  
  (2)铜基钎料钎焊后与钢基体的实现高强度结合。
  
  (3)B5的最佳钎焊工艺是880℃~900℃,10min~15min即可达到工艺要求。?
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