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镍基钎料钎焊金刚石工具
查看:303  发稿日期:2016-01-13 19:20:15

钎焊金刚石工具是将金刚石与基体材料通过钎料在一定条件下钎焊而成, 钎焊属于固相连接,钎焊时母材不熔化,采用比母材熔化温度低的钎料,加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化,利用液态钎料在母材表面润湿、铺展,在母材间隙中润湿,毛细流动、填缝,与母材相互溶解和扩散而实现零件间的连接。  

 

根据使用钎料的液相线温度不同,钎焊一般分为三种:  

 

(1)  软钎焊:钎料液相线温度低于 450 ℃ ,通常使用钎剂。由于钎料熔点低,被钎焊件只需加热到较低的温度。软钎焊接头强度较低,尤其在较高温度下下降更加明显。  

 

(2)    硬钎焊:钎料液相线温度高于 450 ℃ ,一般使用钎剂。硬钎焊的接头强度较高,有时可达到母材强度,因此可用于受力构件。  

 

(3)    高温钎焊:钎料液相线温度超过 900 ℃ 而又不使用钎剂的钎焊方法,如真空钎焊、气体保护钎焊和真空高频感应钎焊。  

 

高温钎焊其原理是采用含有活性元素(如 Ti  Cr  W 等)的钎料或在金刚石表面镀覆某些过渡元素(如 Ti Cr  W 等),在钎焊的过程中使活性元素与金刚石表面发生化学反应并形成一层碳化物,借助于这层碳化物的过渡作用,就可以使金刚石、胎体(钎料)、基体三者通过钎焊实现牢固的化学冶金结合。  

 

本文介绍一种高温   钎料,镍铬磷 钎料, 成分为Cr=13-15%,B=0.01%,Si=0.1%,Fe=0.2%,C=0.08%,P=9.7-10.5%,Mn=0.04%,其他=0.5%,剩余为镍粉  使用的金刚石为无镀覆金刚石, 粒度 为40/45目 ,此种钎料作为金刚石与基体结合剂可生产制作金刚石薄壁钻头及石材加工工具等。  

 

影响钎焊金刚石工具钎焊强度的因素有很多,如加热温度,保温时间,钎料种类和金刚石种类 等,钎焊强度的表征本实验重点考察其中两个影响钎焊金刚石工具强度的最主要因素:加热温度及保温时间。实验设备为 卧室真空烧结炉,钎焊真空度为 10 -3 Pa  钎焊温度范围为880 ℃ —910 ℃,每10℃为一个保温点,共4个保温温度点,保温时间分别为30s、90s、150s和210s  实验安排及数据如下:  

 

表1 圆形钢件基体钎焊金刚石加热温度与保温时间表

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

实验数据分析:  

 

对以上数据下制作得到的钎焊工具进行剪切力实验,通过破坏性剪切力实验得出最优化加热温度与保温时间。 

 

本次试验利用拉伸压缩机对钎焊后的试样进行测试  拉伸压缩机为 INSTRON 5569 万能电子拉力试验机 平衡载荷 10N 左右;压缩夹具100KN。利用拉伸压缩机对钎焊后的钢棒试样进行压缩试验,同时通过计算机中的BLUEHILL程序对试样的剪切力值进行记录 ,通过对试样剪切力的测试,得出各试样剪切力值,剪切力试验是从每个试样取 6 个点进行剪切力测试,将测试结果进行统计,去除坏点,保留 4 个测试点的数据。每个测试点的数据为该点的剪切力起始值和最大值,计算后求出剪切力起始值和最大值之间的差值。然后对试样的剪切力进行平均值计算。表 2 为各试样的 剪切破坏临界力值   

 

表2 表1条件下试样剪切破坏临界力值

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

分析:  

 

有A组数据 880 ℃条件下数据 可以看出, 镍铬磷钎料 钎焊 金刚石试样表面形成的颗粒棒状碳化物由于钎焊温度不高的原因,碳化物没有充分长大, 如图1

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

     形成的碳化物层很均匀,对金刚石颗粒的包裹程度较高,随着保温时间的延长,钎料中的强碳化合物和金刚石表面碳元素反应充分,部分颗粒棒状碳化物开始生长,和未生长的碳化物层形成了类似阶梯状的结构,所以使得钎料金属对金刚石颗粒的把持力逐渐增大。  

 

有B组 890 ℃条件下数据结合SEM图片可以分析, 深度腐蚀后的金刚石颗粒晶形较为完整,颗粒表面完好,没有明显的侵蚀,且无由热损伤引起的裂纹或缺陷。金刚石颗粒表面有一层碳化物,金刚石颗粒表面大部分面积被碳化物所覆盖,对金刚石颗粒的包覆程度高。 图2为890℃、保温15 0 S金刚石颗粒表面SEM

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

分析C组数据及SEM图像 可以看出金刚石颗粒表面碳化物分为两层。 如图3所示:

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

     内部一层成颗粒棒状,颗粒表面很光滑,大小较为均匀,数量多,由于颗粒的长大,这层碳化物间的缝隙已经很难分辨,大部分颗粒已经生长到一起,内层碳化物的整体表面较为平滑,这层碳化物分布在大部分金刚石颗粒表面。外部一层成板块状,表面光滑,形状大小不一,数量少,排列松散、无规律、不致密 ,致使此温度下金刚石颗粒剪切力整体不高 ;外层碳化物只有一小部分覆盖在内层碳化物上面。两层碳化物间层次不是很清晰。  

 

最后一组D组数据结合SEM分析 可以看出金刚石颗粒表面包覆物为一层, 如图4:

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

镍基钎料钎焊金刚石工具的实验研究

 

 

形状成颗粒棒状,颗粒表面较为光滑,大小均匀,数量多,排列紧凑致密,可以看出,碳化物颗粒生长连成一片,上面存在不高的突起颗粒,使得碳化物的整体表面很平滑 ,但表面生成物不连续,有脱层现象,致使基体与颗粒间结合力整体较低 

 

 

高温钎焊的特点是不使用钎剂。通常在软钎焊和硬钎焊时,为了去除母材和钎料表面上总存在的表面层(如氧化物、氮化物等),以及防止金属表面在加热时继续氧化,一般均使用钎剂。但是大部分钎剂具有腐蚀性,容易使接头的强度和抗腐蚀性下降。高温钎焊不使用钎剂,为了防止金属表面氧化和使钎料润湿母材,重要的一环是保证气氛的纯度。根据气氛的不同,可分为还原气体( H 2  N 2  CO )钎焊,惰性气体(氩气或氦气)钎焊和真空钎焊。  

 

真空钎焊是在真空气氛中不用施加钎剂而连接零件的一种先进工艺方法,可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构,而得到光洁致密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头。目前,这种工艺不仅在航空、航天、原子能、电气仪表等尖端工业中成为必不可少的生产手段,而且在石油、化工、汽车、工具等有关机械制造领域中得到了推广和普及。真空炉中钎焊金刚石工具是目前应用最广的钎焊金刚石工具制作方法之一,它具有受热均匀、钎焊效率高、真空低压条件保护好、可实现金属基体同步热处理等优点。 是一种有着广泛用途及较好发展前景的钎焊工艺 。

 
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