金刚石与45钢钎焊用无镉银基钎料的研究

2022-05-23 12:20 BBIN·宝盈王海彬

金刚石与45钢钎焊用无镉银基钎料的研究

BBIN·宝盈王海彬

摘要本文研究了金刚石与45号钢的钎焊材料QL107。QL107是以银为主加元素，通过添加微量元素Ti、In，获得的钎料熔点在650～780℃之间。即增强了金刚石的把持力，又避免了金刚石的高温受热损伤。钎料与金刚石的结合是靠形成致密的碳化物层来达到结合的目的，而钎料与45号钢靠扩散形成扩散层结合。该钎料使金刚石及其制品的性能价格比大幅度提高。

关键词金刚石钎料银焊条银钎料银焊片银焊膏银焊丝

0 前言

随着我国国民经济建设事业的发展，对于人造金刚石及其制品的应用越来越广泛，在刀具、钻探、拉丝、修整工具、耐磨器件等领域得到了长足的发展。但是目前我国的人造金刚石及制品无论在产品品种、质量、技术水平和应用范围等方面与工业发达国家仍存在相当大的差距。各类金刚石工具都是由金刚石颗粒与结合剂形成的特种材料制品，人造金刚石及其制品的产品质量除了受金刚石和结合剂本身性质的影响外，金刚石与结合剂之间的结合状态对工具性能也有重要影响。图1简要说明了各类因素对工具性能的影响。银焊条-金刚石钎料

金刚石与结合剂强力粘结，避免在工作时脱落，是各类金刚石工具的普遍要求。这一点与普通磨料磨具的自锐性来自磨料脱落和磨料碎裂是不同的，因为普通的磨料磨具中含磨料体积很大（30~62%），而金刚石工具中金刚石磨料体积一般只有8~15%（浓度30~62），金刚石过早脱落后，剩下的主要是光滑的胎体，使工具失去切削能力。通过有效手段实现金刚石与粘结剂的强力粘接，防止了金刚石磨料早期脱落，金刚石出刃增高，这样不仅可以大大提高工具寿命，还会明显提高工具的锋利度。多年的理论和工业实践表明，实现金刚石与结合剂的强力结合，并合理选用金刚石的品级和投放量，是制造高性能金刚石工具的关键^[1~5]。

本文主要研究如何通过调整银基钎料的成分，以达到对金刚石与45号钢的连接。本课题的研究可以大大提高人造金刚石及制品的使用寿命及质量。

1 钎料成份设计

胎体对金刚石的粘结，不是机械镶嵌在胎体中，而是形成强烈化学键结合，即冶金结合，使金刚石焊在胎体上，要实现上述目的，必须采用强碳化物形成元素，如Ti、W、Cr、Mo、V等，这些元素与金刚石有很强的化学亲和力，可以形成相应的碳化物，外延生长在金刚石上，这些在金刚石表面外延生长的碳化物与金刚石强力结合，同时具有高强、高硬、化学稳定、热稳定的特性。欲达到强力冶金结合，除了有钛这种成分，还必须形成碳化物，且碳化物直接生长在金刚石上。

钎料中必须有强碳化物形成元素，如钛、铬、钼、钨、钒、铌、钽、镐及他们的合金，其中绝对不能含有高温下促进石墨化的元素铁、钴、镍，因为触媒的双向作用，高温下这些元素会使金刚石表面石墨化（碳化），使碳化物与金刚石之间失去接合强度。所以我们设计钎料成分如表1所示。

表1 钎料化学成分

化学成份	Ag	Cu	Zn	Ti	Zr
QL105	60	23	17
QL106	60	23	14	3
QL107	60	23	14	2	1

2 工艺参数的设计

结合是靠碳化物形成在金刚石上，但是碳化物的形成是受原子扩散迁移控制的缓慢过程，需要在一定的温度下较长时间的保温。钎焊时需要一定的温度和时间，其目的就在于：钎料中的钛与金刚石界面形成极薄的而且完整的碳化物，这样就保证了任何结合剂配方制成的金刚石烧结工具中金刚石与金属胎体的强力焊接结合，避免金刚石的脱落现象，也防止了工具的烧结过程中金刚石受结合剂碳化侵蚀造成强度和抗冲击性下降。由于在空气中钛容易氧化烧损，失去作用，结合剂中的铁、钴、镍元素首先将金刚石石墨化，所以必须采用真空钎焊或氩气保护钎焊，所用氩气必需是高纯氩气，它的凝点需在-54℃以下。国内外大量研究表明：钛与金刚石反应形成碳化钛的*低温度是600℃，而人造金刚石在750℃开始，尤其是800℃以上，即是在高真空下，也会出现不同程度的强度下降。所以要求在满足工艺目的的前提下，尽量降低金刚石受热的温度和时间是避免金刚石品质下降的关键。所以钎焊温度应选在600~800℃之间。综上所述，钎焊工艺参数如表2所示。

表2 钎焊工艺参数