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超硬磨料工具钎焊用Ag(银)钎料研究现状及展望

磨料磨具研习社2018-09-22 16:37:40

超硬磨粒钎焊工艺是利用活性钎料与超硬磨粒界面处形成的化学冶金结合实现磨粒的高强度把持,在磨具制备中得到应用和发展。其中,钎料对超硬磨粒的钎焊性能和使用寿命具有重要的影响,国内外相关学者对此开展大量的研究工作。


1 Ag 基钎料体系

 

Ag基钎料是制备超硬磨具常用的一类钎料。其熔点适中,工艺性良好,具有一定的强度、硬度和耐腐蚀性。传统Ag基钎料通过添加TiCrZnCu等元素可构成三元或多元合金,一方面降低了钎料成本,另一方面可有效控制钎料熔点、提高钎焊性能。

 

1.1 Ag 基钎料的钎焊性能研究


徐鸿钧等采用Ag基钎料制备了单层钎焊金刚石砂轮,发现在Ag-Cu钎料中添加一定的活性元素Cr可显著改善基体对磨粒的把持力。


周玉梅等采用添加Cr粉的Ag基钎料进行了钎焊金刚石实验,并对磨粒、基体和钎料合金之间的界面微观结构和反应产物进行观测和分析,认为钎焊界面生成的Cr7C3等碳化物是实现基体对磨粒高强度把持的主要原因。


Ding等釆用Ag-Cu-Ti钎料开发了单层钎焊CBN砂轮,并研究了钎焊界面结构及形成机理,认为BN等元素在Ti合金层扩散能力的差异造成了界面组织的分层,并观测到Ti元素优先聚集在磨粒表面形成一层针状的化合物。


卢广林等研究了Ag-Cu-Ti钎料钎焊CBN的钎焊性能和微观结构,发现活性元素Ti的含量对钎焊性能影响很大,随着Ti含量的增加,钎料的润湿性、钎焊接头强度都显著增强。

亢世江等制备了Ti 1%2%3%4%5%(质量分数)的Ag基钎料,并进行了金刚石膜与硬质合金的钎焊实验,发现Ti的质量分数为1%~3%的钎料具有高的延展性,适合各种成形加工,同时观测到Ag基钎料中的活性成分β-Ti与金刚石膜表面C极具亲和力,实现了金刚石膜与硬质合金的高强度连接。

 

1.2 Ag 基钎料的钎焊工艺参数研究

 

Miab等研究了Ag基钎料对CBN的润湿机理,并观察钎焊温度为920 ℃时,不同的保温时间(5~15min)对钎焊CBN性能的影响,发现提高保温时间可促使Cu-Ti 相向磨粒界面迁移,生成均匀、连续的反应层。


为解决高温钎焊冷却过程中较大的热应力导致接头断裂和磨粒破碎的问题,秦优琼等研究了钎焊时压力载荷对金刚石接头残余应力的影响,发现对试件施加一定的压力可降低钎焊的最大残余应力值,提升钎焊接头的剪切强度。


丁文锋等采用有限元法对Ag-Cu-Ti钎料钎焊CBN磨粒时的接头残余应力进行了模拟仿真,并重点研究了不同的钎料包埋深度对金刚石残余应力的影响,结果发现:当包埋深度低于50%时,磨粒内部的最大残余拉应力随包埋深度的增加而减小;当包埋深度在60%~80%时,磨粒的最大残余拉应力变化较小。


Li等采用超高频连续钎焊工艺进行CBN 焊接实验,并探究在不同扫描速度下,磨粒、Ag-Cu-Ti钎料及基体之间的钎焊性能,发现当扫描速度为0.5 mm/s时,可获得较合适的界面新生化合物层结构,同时指出这种利用局部加热与扫描相结合的钎焊形式有利于减少焊后的热变形。


Wulf等采用Ag基钎料在硬质合金基体上进行了金刚石钎焊实验,并探究基体表面粗糙度、钎焊温度等工艺参数对钎料润湿行为的影响,发现随着钎焊温度的升高Ti元素的扩散能力增加,基体表面的粗糙度值越小,润湿性越好。

 

1.3 Ag 基钎料的元素改进研究

 

近年来,添加元素改进钎料成分是一个研究热点。通过添加稀土、石墨、TiC颗粒增强相等可进一步改善钎料性能,主要体现在以下几个方面:

1)调控钎料的润湿性能;

2)调节钎料熔点;

3)细化晶粒,提升钎焊强度。


Chen等在Ag-Cu-Ti钎料中添加TiB2粉末进行了钎焊CBN实验,分析了磨粒界面和磨损特性,发现TiB2的加入可缓和磨粒界面的剧烈反应程度,提高了磨粒的钎焊性能。


Ding等采用纳米TiC颗粒进行了相关钎焊实验,发现纳米TiC颗粒的加入能更有效地控制磨粒与钎料的剧烈反应,细化Ag-Cu-Ti合金钎料层的显微组织。


Yang等进行了合金钎料添加稀土元素Ce的钎焊金刚石实验,发现Ce的加入促进了Ag-Cu-Ti钎料合金化,降低了钎料熔点,使组织细化,当Ce元素为0.25%~0.5%(质量分数)时具有良好的润湿性,钎料的硬度和抗剪强度显著提升;其后又研究了稀土La改性Ag-Cu-Ti钎料的力学性能和显微组织,发现La的加入对钎料的熔点影响不大,但显著提高了钎料的显微硬度和润湿性能。


Klotz等在Ag-Cu-Ti钎料的基础上加入低熔点元素In,在钼薄板基体上进行钎焊金刚石试验,观测到基体组织包含Ag-Cu、富态Cu-In-Ti相,磨粒和钎料结合界面生成了以TiC为过渡产物的Ti3InC化合物,认为In元素的加入增强了钎料的润湿性和耐腐蚀性。


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