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      鎳基釬料釬焊金剛石工具
      查看:1777  發稿日期:2016-01-13 19:20:15

      釬焊金剛石工具是將金剛石與基體材料通過釬料在一定條件下釬焊而成, 釬焊屬于固相連接,釬焊時母材不熔化,采用比母材熔化溫度低的釬料,加熱溫度采取低于母材固相線而高于釬料液相線的一種連接方法。當被連接的零件和釬料加熱到釬料熔化,利用液態釬料在母材表面潤濕、鋪展,在母材間隙中潤濕,毛細流動、填縫,與母材相互溶解和擴散而實現零件間的連接。  

       

      根據使用釬料的液相線溫度不同,釬焊一般分為三種:  

       

      (1)  軟釬焊:釬料液相線溫度低于 450 ℃ ,通常使用釬劑。由于釬料熔點低,被釬焊件只需加熱到較低的溫度。軟釬焊接頭強度較低,尤其在較高溫度下下降更加明顯。  

       

      (2)    硬釬焊:釬料液相線溫度高于 450 ℃ ,一般使用釬劑。硬釬焊的接頭強度較高,有時可達到母材強度,因此可用于受力構件。  

       

      (3)    高溫釬焊:釬料液相線溫度超過 900 ℃ 而又不使用釬劑的釬焊方法,如真空釬焊、氣體保護釬焊和真空高頻感應釬焊。  

       

      高溫釬焊其原理是采用含有活性元素(如 Ti 、 Cr 、 W 等)的釬料或在金剛石表面鍍覆某些過渡元素(如 Ti、 Cr 、 W 等),在釬焊的過程中使活性元素與金剛石表面發生化學反應并形成一層碳化物,借助于這層碳化物的過渡作用,就可以使金剛石、胎體(釬料)、基體三者通過釬焊實現牢固的化學冶金結合。  

       

      本文介紹一種高溫   釬料,鎳鉻磷 釬料, 成分為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%,剩余為鎳粉 , 使用的金剛石為無鍍覆金剛石, 粒度 為40/45目 ,此種釬料作為金剛石與基體結合劑可生產制作金剛石薄壁鉆頭及石材加工工具等。  

       

      影響釬焊金剛石工具釬焊強度的因素有很多,如加熱溫度,保溫時間,釬料種類和金剛石種類 等,釬焊強度的表征本實驗重點考察其中兩個影響釬焊金剛石工具強度的最主要因素:加熱溫度及保溫時間。實驗設備為 臥室真空燒結爐,釬焊真空度為 10 -3 Pa , 釬焊溫度范圍為880 ℃ —910 ℃,每10℃為一個保溫點,共4個保溫溫度點,保溫時間分別為30s、90s、150s和210s , 實驗安排及數據如下:  

       

      表1 圓形鋼件基體釬焊金剛石加熱溫度與保溫時間表

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      實驗數據分析:  

       

      對以上數據下制作得到的釬焊工具進行剪切力實驗,通過破壞性剪切力實驗得出最優化加熱溫度與保溫時間。 

       

      本次試驗利用拉伸壓縮機對釬焊后的試樣進行測試 , 拉伸壓縮機為 INSTRON 5569 萬能電子拉力試驗機。 平衡載荷 10N 左右;壓縮夾具100KN。利用拉伸壓縮機對釬焊后的鋼棒試樣進行壓縮試驗,同時通過計算機中的BLUEHILL程序對試樣的剪切力值進行記錄 ,通過對試樣剪切力的測試,得出各試樣剪切力值,剪切力試驗是從每個試樣取 6 個點進行剪切力測試,將測試結果進行統計,去除壞點,保留 4 個測試點的數據。每個測試點的數據為該點的剪切力起始值和最大值,計算后求出剪切力起始值和最大值之間的差值。然后對試樣的剪切力進行平均值計算。表 2 為各試樣的 剪切破壞臨界力值 。  

       

      表2 表1條件下試樣剪切破壞臨界力值

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      分析:  

       

      有A組數據 880 ℃條件下數據 可以看出, 鎳鉻磷釬料 釬焊 金剛石試樣表面形成的顆粒棒狀碳化物由于釬焊溫度不高的原因,碳化物沒有充分長大, 如圖1

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

           形成的碳化物層很均勻,對金剛石顆粒的包裹程度較高,隨著保溫時間的延長,釬料中的強碳化合物和金剛石表面碳元素反應充分,部分顆粒棒狀碳化物開始生長,和未生長的碳化物層形成了類似階梯狀的結構,所以使得釬料金屬對金剛石顆粒的把持力逐漸增大。  

       

      有B組 890 ℃條件下數據結合SEM圖片可以分析, 深度腐蝕后的金剛石顆粒晶形較為完整,顆粒表面完好,沒有明顯的侵蝕,且無由熱損傷引起的裂紋或缺陷。金剛石顆粒表面有一層碳化物,金剛石顆粒表面大部分面積被碳化物所覆蓋,對金剛石顆粒的包覆程度高。 圖2為890℃、保溫15 0 S金剛石顆粒表面SEM

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      分析C組數據及SEM圖像 可以看出金剛石顆粒表面碳化物分為兩層。 如圖3所示:

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

           內部一層成顆粒棒狀,顆粒表面很光滑,大小較為均勻,數量多,由于顆粒的長大,這層碳化物間的縫隙已經很難分辨,大部分顆粒已經生長到一起,內層碳化物的整體表面較為平滑,這層碳化物分布在大部分金剛石顆粒表面。外部一層成板塊狀,表面光滑,形狀大小不一,數量少,排列松散、無規律、不致密 ,致使此溫度下金剛石顆粒剪切力整體不高 ;外層碳化物只有一小部分覆蓋在內層碳化物上面。兩層碳化物間層次不是很清晰。  

       

      最后一組D組數據結合SEM分析 可以看出金剛石顆粒表面包覆物為一層, 如圖4:

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

      鎳基釬料釬焊金剛石工具的實驗研究

       

       

      形狀成顆粒棒狀,顆粒表面較為光滑,大小均勻,數量多,排列緊湊致密,可以看出,碳化物顆粒生長連成一片,上面存在不高的突起顆粒,使得碳化物的整體表面很平滑 ,但表面生成物不連續,有脫層現象,致使基體與顆粒間結合力整體較低 。

       

       

      高溫釬焊的特點是不使用釬劑。通常在軟釬焊和硬釬焊時,為了去除母材和釬料表面上總存在的表面層(如氧化物、氮化物等),以及防止金屬表面在加熱時繼續氧化,一般均使用釬劑。但是大部分釬劑具有腐蝕性,容易使接頭的強度和抗腐蝕性下降。高溫釬焊不使用釬劑,為了防止金屬表面氧化和使釬料潤濕母材,重要的一環是保證氣氛的純度。根據氣氛的不同,可分為還原氣體( H 2 、 N 2 、 CO )釬焊,惰性氣體(氬氣或氦氣)釬焊和真空釬焊。  

       

      真空釬焊是在真空氣氛中不用施加釬劑而連接零件的一種先進工藝方法,可以釬焊那些用一般方法難以連接的材料和結構,而得到光潔致密、具有優良力學性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭。目前,這種工藝不僅在航空、航天、原子能、電氣儀表等尖端工業中成為必不可少的生產手段,而且在石油、化工、汽車、工具等有關機械制造領域中得到了推廣和普及。真空爐中釬焊金剛石工具是目前應用最廣的釬焊金剛石工具制作方法之一,它具有受熱均勻、釬焊效率高、真空低壓條件保護好、可實現金屬基體同步熱處理等優點。 是一種有著廣泛用途及較好發展前景的釬焊工藝 。

       
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