金剛石與45鋼釬焊用無鎘銀基釬料的研究

鄭州市豪諾焊接材料有限公司   王海彬   

摘要   本文研究了金剛石與45號鋼的釬焊材料QL107。QL107是以銀為主加元素，通過添加微量元素Ti、In，獲得的釬料熔點在650～780℃之間。即增強了金剛石的把持力，又避免了金剛石的高溫受熱損傷。釬料與金剛石的結(jié)合是靠形成致密的碳化物層來達到結(jié)合的目的，而釬料與45號鋼靠擴散形成擴散層結(jié)合。該釬料使金剛石及其制品的性能價格比大幅度提高。

關(guān)鍵詞   金剛石   釬料 銀焊條 銀釬料 銀焊片 銀焊膏 銀焊絲

0 前言

隨著我國國民經(jīng)濟建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，對于人造金剛石及其制品的應(yīng)用越來越廣泛，在刀具、鉆探、拉絲、修整工具、耐磨器件等領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展。但是目前我國的人造金剛石及制品無論在產(chǎn)品品種、質(zhì)量、技術(shù)水平和應(yīng)用范圍等方面與工業(yè)發(fā)達國家仍存在相當(dāng)大的差距。各類金剛石工具都是由金剛石顆粒與結(jié)合劑形成的特種材料制品，人造金剛石及其制品的產(chǎn)品質(zhì)量除了受金剛石和結(jié)合劑本身性質(zhì)的影響外，金剛石與結(jié)合劑之間的結(jié)合狀態(tài)對工具性能也有重要影響。圖1簡要說明了各類因素對工具性能的影響。

金剛石與結(jié)合劑強力粘結(jié)，避免在工作時脫落，是各類金剛石工具的普遍要求。這一點與普通磨料磨具的自銳性來自磨料脫落和磨料碎裂是不同的，因為普通的磨料磨具中含磨料體積很大（30~62%），而金剛石工具中金剛石磨料體積一般只有8~15%（濃度30~62），金剛石過早脫落后，剩下的主要是光滑的胎體，使工具失去切削能力。通過有效手段實現(xiàn)金剛石與粘結(jié)劑的強力粘接，防止了金剛石磨料早期脫落，金剛石出刃增高，這樣不僅可以大大提高工具壽命，還會明顯提高工具的鋒利度。多年的理論和工業(yè)實踐表明，實現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑的強力結(jié)合，并合理選用金剛石的品級和投放量，是制造高性能金剛石工具的關(guān)鍵^[1~5]。

本文主要研究如何通過調(diào)整銀基釬料的成分，以達到對金剛石與45號鋼的連接。本課題的研究可以大大提高人造金剛石及制品的使用壽命及質(zhì)量。

1 釬料成份設(shè)計

胎體對金剛石的粘結(jié)，不是機械鑲嵌在胎體中，而是形成強烈化學(xué)鍵結(jié)合，即冶金結(jié)合，使金剛石焊在胎體上，要實現(xiàn)上述目的，必須采用強碳化物形成元素，如Ti、W、Cr、Mo、V等，這些元素與金剛石有很強的化學(xué)親和力，可以形成相應(yīng)的碳化物，外延生長在金剛石上，這些在金剛石表面外延生長的碳化物與金剛石強力結(jié)合，同時具有高強、高硬、化學(xué)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定的特性。欲達到強力冶金結(jié)合，除了有鈦這種成分，還必須形成碳化物，且碳化物直接生長在金剛石上。

釬料中必須有強碳化物形成元素，如鈦、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鉭、鎬及他們的合金，其中絕對不能含有高溫下促進石墨化的元素鐵、鈷、鎳，因為觸媒的雙向作用，高溫下這些元素會使金剛石表面石墨化（碳化），使碳化物與金剛石之間失去接合強度。所以我們設(shè)計釬料成分如表1所示。

表1   釬料化學(xué)成分

2 工藝參數(shù)的設(shè)計

結(jié)合是靠碳化物形成在金剛石上，但是碳化物的形成是受原子擴散遷移控制的緩慢過程，需要在一定的溫度下較長時間的保溫。釬焊時需要一定的溫度和時間，其目的就在于：釬料中的鈦與金剛石界面形成極薄的而且完整的碳化物，這樣就保證了任何結(jié)合劑配方制成的金剛石燒結(jié)工具中金剛石與金屬胎體的強力焊接結(jié)合，避免金剛石的脫落現(xiàn)象，也防止了工具的燒結(jié)過程中金剛石受結(jié)合劑碳化侵蝕造成強度和抗沖擊性下降。由于在空氣中鈦容易氧化燒損，失去作用，結(jié)合劑中的鐵、鈷、鎳元素首先將金剛石石墨化，所以必須采用真空釬焊或氬氣保護釬焊，所用氬氣必需是高純氬氣，它的凝點需在-54℃以下。國內(nèi)外大量研究表明：鈦與金剛石反應(yīng)形成碳化鈦的*低溫度是600℃，而人造金剛石在750℃開始，尤其是800℃以上，即是在高真空下，也會出現(xiàn)不同程度的強度下降。所以要求在滿足工藝目的的前提下，盡量降低金剛石受熱的溫度和時間是避免金剛石品質(zhì)下降的關(guān)鍵。所以釬焊溫度應(yīng)選在600~800℃之間。綜上所述，釬焊工藝參數(shù)如表2所示。

表2 釬焊工藝參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

三種釬料分別按照各自的工藝參數(shù)釬焊，母材選用45號鋼，所得結(jié)果如圖所示。

3.1   釬料QL105的釬焊結(jié)果

如圖2a所示，QL105釬料在氬氣保護下釬焊時，釬料基本不潤濕，金剛石表面沒有釬料附著，只是在與45號鋼交界處有機械鑲嵌，稍受外力金剛石對脫落，沒有出現(xiàn)冶金結(jié)合。部分金剛石已經(jīng)碳化，圖2b 由于無氬氣保護，金剛石在45號鋼上沒有任何結(jié)合。

a   氬氣保護下釬焊                           b 無保護

圖2 QL105 釬焊圖

3.2   釬料QL106的釬焊結(jié)果

由圖3a可看出無氬氣保護時，釬料對金剛石不潤濕，圖3b 顯示釬料對金剛石有一定的潤濕性，由于含鈦量高，與空氣的氧化嚴(yán)重，故金剛石表面附著的釬料很少，其結(jié)合力不高，無實用價值。

a 無氬氣保護釬焊                            b 氬氣保護釬焊

圖3 QL106 釬料釬焊圖

3.3 釬料QL107的釬焊結(jié)果

a   無氬氣保護釬焊                         b 氬氣保護釬焊

圖4 QL107 釬料釬焊圖

由圖4b 可看出釬料QL107對金剛石的潤濕性非常好，金剛石與45號鋼結(jié)合非常牢固，利用砂輪檢測，金剛石無脫落，表面附著一層致密的釬料，與母材有擴散層。在無氬氣保護時，金剛石沒有潤濕。釬料中含有微量的鈦和鋯，兩種元素結(jié)合，形成致密牢固的碳化物。

4 結(jié)論

⑴ 釬料QL107對金剛石與45號鋼的潤濕性能很好，并形成致密的冶金結(jié)合，結(jié)合強度完全滿足金剛石工具使用要求，使金剛石工具的使用壽命大大提高。

⑵ 釬料QL107的釬焊溫度750℃，保溫時間10分鐘，需在氬氣保護下釬焊。

⑶ 合金元素鈦、鋯可以與金剛石形成致密的碳化物，達到冶金結(jié)合的目的。

參考文獻

1   王艷輝，王明智. 磨料磨具與磨削, 1993 , 2 : 11

2   王艷輝, 王明智. 金剛石與磨料磨具工程, 1995, 5 : 21

3   王艷輝, 王明智. 金剛石與磨料磨具工程, 1996, 1 : 7

4   藏建兵, 王艷輝. 超硬材料與工程, 1996, 1 : 5

5   藏建兵, 王艷輝, 王明智. 金剛石與磨料磨具工程, 1997, 2 : 6

6   Yu. v. naidich. IDR, 1984, 6: 327