（材料加工工程专业论文）钎焊金刚石工具微观界面与钎焊强度关系的研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 钎焊金刚石工具是超硬材料工具中的一种。由钎料中的强碳化合物形成元素或者镀覆金刚石表 面镀层的强碳化合物形成元素与金刚石颗粒表面反应，生成碳化物，通过这些碳化物作为过渡层， 改善金属结合剂对金刚石磨料的润湿，同时达到化学冶金结合，使得钎焊金刚石工具在磨粒出刃高 度高达7 0 , 8 0 左右的情况下，钎料金属仍然对金刚石颗粒由很高的把持力。本文从钎焊试样金刚 石颗粒的微观形貌出发，分析了钎焊工艺( 钎焊温度及保温时间) 对钎焊试样金刚石颗粒表面碳化 物形态、结构的影响；以及碳化物的种类、形态、结构对钎焊试样剪切力值和钎焊强度的影响。 本文采用镍铬磷钎焊镀覆( 镀钛) 、无镀覆( 普通) 两种金刚石：镍磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 金 刚石。利用真空烧结炉烧结试样，并对烧结后的钢片试样进行深度腐蚀。通过电子显微镜观察钎焊 试样表面经过深度腐蚀后金刚石颗粒的微观形貌，并对其进行表征；并对钎焊试样进行剪切力值测 试试验，通过对各试样剪切力平均值的统计，分别得出两种不同钎料钎焊金刚石试样中剪切力平均 值最大的两个试样；然后将这两个试样进行磨损对比试验，通过对深度腐蚀金刚石颗粒微观形貌的 观察，对剪切力值测试试验和磨损对比试验的结果进行了分析。通过以上实验研究得到以下结论： 1 、镍铬磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 及无镀覆( 普通) 两种金刚石和镍磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 金 刚石，这两种方案中金刚石颗粒均能和钎料形成牢固的化学冶金结合。 2 、镍铬磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 金刚石，所得钎焊试样金刚石颗粒表面生成两层碳化物。随着 钎焊温度的升高和保温时问的延长，两层碳化物形态都发生较大转变。 3 、镍铬磷钎料钎焊无镀覆( 普通) 金刚石以及镍磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 金刚石，所得钎焊试 样金刚石颗粒表面生成一层碳化物，随着钎焊温度的升高和保温时间的延长，这层碳化物形态都发 生较大转变。 4 、由于钎焊后金刚石颗粒表面所生成的不同碳化物、不同碳化物的结构，导致了镍磷钎料钎焊 镀覆( 镀钛) 金刚石所得3 号试样的剪切力平均值要高于镍铬磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 及无镀覆( 普 通) 两种金刚石所得5 号试样的剪切力平均值。 5 、由于钎焊后金刚石颗粒表面所生成的不同碳化物、不同碳化物的结构，导致了镍磷钎料钎焊 镀覆( 镀钛) 金刚石所得3 号试样的钎焊强度要高于镍铬磷钎料钎焊镀覆( 镀钛) 无镀覆( 普通) 两种金刚石所得5 号试样的钎焊强度。 关键词：钎焊金刚石微观形貌剪切力磨损钎焊强度 桂林理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t b r a z e dd i a m o n dt o o l si so n eo fs u p e rh a r dm a t e r i a lt o o l s t h es t r o n gc a r b i d ee l e m e n t s w h i c hi nt h eb r a z i n ga l l o yo ri nt h ec o a t i n go fc o a t e dd i a m o n dr e a c t e dw i t ht h ed i a m o n d ， a n dt h ec a r b i d e si sg e n e r a t e d t h ec a r b i d e sc a nb eu s e da sat r a n s i t i o nl a y e r ，i m p r o v et h e w e t t i n ga b i l i t yt h a tm e t a lb o n dt od i a m o n d ，a n dr e a c h e dt h ec h e m i c a lm e t a l l u r g yc o m b i n a t i o n a tt h es a m et i m e w h e nt h eh e i g h to fp r o t r u s i o no fd i a m o n dg r a i n si s7 0p e r c e n th e i g h to f t h eg r a i n s ，t h eb r a z i n ga l l o yc a ns t i l lp r o v i d e se n o u g hp u l l o u ts t r e n g t h i nt h i sp a p e r ， s t a r t i n gf r o mt h em i c r o t o p o g r a p h yo fd i a m o n di nt h eb r a z i n gs a m p l e s ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c e o fb r a z i n gt e c h n o l o g y ( b r a z i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m e ) t om o r p h o l o g y 、s t r u c t u r eo f c a r b i d e so nd i a m o n d ：a n dt h ei n f l u e n c eo fs p e c i e s 、m o r p h o l o g y 、s t r u c t u r eo fc a r b i d e st o s h e a r i n g s t r e n g t ha n db r a zi n gs t r e n g t h i nt h i sp a p e r ，w eu s et h en i c r ps o l d e rb r a z e dw i t hc o m m o nd i a m o n da n dt i c o a t e dd i a m o n d ： t h en i - ps o l d e rb r a z e d w i t ht i c o a t e dd i a m o n d 。i nt h ev a c u u ms i n t e r i n gf u r n a c e c h a r a c t e r i z e t h em i c r o t o p o g r a p h yo fd i a m o n da f t e rd e p t hc o r r o s i o nf r o ms e mo b s e r v a t i o n ：t w os a m p l e sc a n b eo b t a i n e df r o mt w od i f f e r e n tb r a z i n ga l l o yw h i c hh a v em a x i m u ma v e r a g es h e a r i n gs t r e n g t h a f t e rs h e a r i n gf o r c et e s t i n ga n da v e r a g es t a t i s t i c s ：a n dc o n d u c tw e a rt e s tb e t w e e nt h et w o s a m p l e su p s i d e a n dt h e na n a l y z e dt h er e s u l t so fs h e a r i n gf o r c et e s t i n ga n dw e a rt e s tb a s e d o nm i c r o t o p o g r a p h y t h r o u g ht h ea b o v ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，w eo b t a i n e dt h ef o ll o w i n g c o n e l u s i o n s ： 。 l 、t h en i c r ps o l d e rb r a z e dw i t hc o m m o nd i a m o n da n dt i - c o a t e dd i a m o n da n dt h en i p s o l d e rb r a z e dw i t ht i c o a t e dd i a m o n d b o t ho f t h e mc a nb ef o r m e d c h e m i c a lm e t a l l u r g y c o m bi n a ti o nf i r m l yb e t w e e nd i a m o n da n db r a z i n ga ll o y 2 、t h en i c r ps o l d e r b r a z e dw i t ht i c o a t e dd i a m o n d ，t h ed i a m o n do fs a m p l eh a st w ol a y e r c a r b i d e s w h e nt h eb r a z i n gt e m p e r a t u r eu pa n dp r o l o n gh o l d i n gt i m e ，t h em o r p h o l o g yo ft w o l a y e rc a r b i d e sh a v el a r g ec h a n g e 3 、t h en i c r ps o l d e r b r a z e d w i t hc o m m o nd i a m o n da n d t h en i - p s o l d e rb r a z e dw i t h t i c o a t e dd i a m o n d ，t h ed i a m o n do fs a m p l eh a sal a y e ro fc a r b i d e s w h e nt h eb r a z i n g t e m p e r a t u r eu pa n dp r o l o n gh o l d i n gt i m e ，t h em o r p h o l o g yo ft w ol a y e rc a r b i d e sh a v el a r g e c h a n g e 4 、b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tc a r b i d e sa n dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e ，t h ea v e r a g es h e a r i n g s t r e n g t ho ft h et h i r ds a m p l ew h i c hu s e dn i 。ps o l d e rb r a z e dw i t ht i 。c o a t e dd i a m o n di sh i g h e r t h e nt h ea v e r a g es h e a r i n gs t r e n g t ho ft h ef i f t hs a m p l ew h i c hu s e dt h en i - c r l ps o l d e rb r a z e d w i t hc o m m o nd i a m o n da n dt i c o a t e dd i a m o n d 5 、b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tc a r b i d e sa n dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e ，t h eb r a z i n gs t r e n g t h o ft h et h i r ds a m p l ew h i c hu s e dn i ps o l d e rb r a z e d w i t ht i c o a t e dd i a m o n di sh i g h e rt h e n t h eb r a z i n gs t r e n g t ho ft h ef i f t hs a m p l ew h i c hu s e dt h en i c r 。ps o l d e rb r a z e dw i t hc o m m o n d i a m o n da n dt i c o a t e dd i a m o n d k e y w o r d s ：b r a z i n g ；d i a m o n d ；m i c r o t o p o g r a p h y ；s h e a r i n gs t r e n g t h ；a b r a s i o n ；b r a z i n gs t r e n g t h i i 桂林理工大学硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：虱! 造 签字日期：堕：笸：么! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翻、冶 签字日期：叼年6 月加日 缀 月产日 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章引言 超硬材料是金刚石和立方氮化硼两种材料的统称。目前，在世界上已知的材料中， 金刚石和立方氮化硼是最硬的两种材料。由于它们的硬度大大超出其它材料的数倍，因 而人们将这两种材料称为超硬材料【1 1 。 立方氮化硼，英文称为：c u b i cb o r o nn i t r i d e ，缩写为：c b n 或c b n 。目前，在自 然界还没有找到这种物质的存在，它是人工合成的一种超硬材料。立方氮化硼( c b n ) 是硬度仅次于金刚石的超硬材料。它不但具有金刚石的许多优良特性，而且有更高的热 稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料，已经广泛应用于黑色金属 及其合金材料加工工业。同时，它又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一 系列高科技领域得到应用，成为一种具有发展前景的功能材料【2 羽。 金刚石作为一种稀有的贵重物品，自古以来就是财富的重要象征。钻石由金刚石加 工琢磨而成，是珠宝中的贵族，它通明剔透，散发着清冷高贵的光辉，颇有“出淤泥而 不染”的气质。天然金刚石的形成和发现极为不易，它是碳在地球深部高温高压的特殊 条件下历经亿万年的“苦修”转化而成的，由于地壳的运动，它们从地球的深处来到地表， 蕴藏在金伯利岩中，从而被人类发现和开采。 在大自然中，金刚石以极少的矿藏量深埋在地低下。偏偏是这种少得出奇的金刚石 具有独一无二的特性，他是自然界中最硬的一种矿石，有人将它镶嵌在金光闪闪的戒指、 耳环等首饰中，以象征坚贞不渝的爱情。金刚石不仅可以加工成价值连城的珠宝，在工 业中也大有可为。它硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探；由于导热率高、 电绝缘性好，可作为半导体装置的散热板；它有优良的透光性和耐腐蚀性，在电子工业 中也得到广泛应用【7 以0 1 。1 8 世纪末，人们发现身价高贵的金刚石竟然是碳的一种同素异 形体，从此，制备人造金刚石就成为了许多科学家的光荣与梦想。 从热力学观点出发，决定石墨等非金刚石结构的碳质原料能否转变成金刚石的相变 条件是后者的自由能必须小于前者。这种相变过程是在高压、高温或者还有其他组分参 与的条件下进行的【1 1 1 2 】。一定的压力、温度和组元浓度等可以使系统的内能发生变化， 从而使价电子可处能级的统计权重发生相应的变化。这就可能出现电子转移和组成新的 键合状态的电子结构，即发生了相变。如果系统中能量变化有利于在固体中发生这种电 子结构的变化，则高压高温相变发生在固态，否则就可能发生在熔态或汽态。在熔体中 发生这种变化的条件是，键合特征的价电子分布的统计权重相应降低，远程有序的作用 趋于消失，原子配位数发生变化；而电子处于激发态的统计权重趋于增大，近程有序作 桂林理工大学硕士学位论文 用相应增强。气体中发生这种变化的条件是，- 单质原子问或化合物的键合分子间的电子 能级趋于消失，所有的电子转移到单原子或分子能级上去，这样，电子处于激发态的统 计权重更为增大。因此，人造金刚石可以在固态，也可在熔态和汽态条件下进行，这取 决于压力、温度和组元浓度等因素引起系统内能的变化情况。从动力学观点出发，还要 求石墨等碳质原料转变成金刚石时具有适当的转变速率。在金刚石成核率和生长速率同 时处于极大值时的相变速率最大【l 孓1 4 】。 自1 8 世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，就开始了对人造金刚石的研究，只是 在2 0 世纪5 0 年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发 展。目前合成人造金刚石的具体方法多达十几种。按所用技术的特点可归纳为静压、动 压和低压等三种方法。按金刚石的形成特点可归纳为熔媒、直接和外延等三类方法【l5 1 。 熔媒法合成人造金刚石是用静态超高压( 5 0 1 0 0 k b ，即5 1 0 g v a ) 和高温( 1 1 0 0 3 0 0 0 。c ) 技术通过石墨等碳质原料和某些金属( 合金) 反应生成金刚石，其典型晶态为 立方体( 六面体) 、八面体和六八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值 的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚 石，有待进一步解决的问题是增大粗粒比，提高转化率和改善晶体质量。目前正在实验 室中用静压熔媒法研究优质大颗粒单晶金刚石的形成【l 睨们。 直接法合成人造金刚石是利用瞬时静态超高压高温技术，或动态超高压高温技术， 或两者的混合技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石【2 m 4 1 。这种方 法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。 外延法合成人造金刚石是利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶 种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的【2 2 2 5 2 7 1 。 我国现已是世界级的金刚石生产大国，人造金刚石具有的优良性能，使得它在诸多 领域中都有着广泛的应用。 1 2 金刚石的主要性能与应用领域 金刚石，也称钻石，有天然金刚石和人造金刚石两种。金刚石是目前世界上已知的 最硬工业材料，它不仅具有硬度高、耐磨、热稳定性能好等特性，而且以其优秀的抗压 强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能【z 叭2 8 - 2 9 1 ， 成为工业应用领域不可替代的新材料，是现代工业和科学技术的瑰宝。 人造金刚石是加工业最硬的磨料，电子工业最有效的散热材料，半导体最好的晶片， 通讯元器件最高频的滤波器，音响最传真的振动膜，机件最稳定的抗蚀层等等，已经被 广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以 及现代尖端科学领域【3 6 1 。 2 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 1 金刚石的主要性能 金刚石在目前所知的物质中硬度最高，具有极优异的力学性能，表1 1 【3 7 1 列出了金 刚石主要的力学性能。因此金刚石是优异的切削刀具、磨具材料和耐摩擦材料。 表1 1 金刚石的主要力学性能 表1 2 【3 7 】为金刚石的主要物理性能。金刚石具有优异的电学性能和热学性能，低的 介电常数使其成为理想的微波介质材料；宽禁带、高载流子迁移率、高导热率、高的击 穿电压使金刚石可制成9 0 0 k 以下能正常工作的耐高温半导体器件、大功率晶体管和半 导体温度计等；另外金刚石作为耐强辐射材料，可在宇航飞船和原子能反应堆等强辐射 环境中正常工作。因此金刚石是极其优异的半导体材料，其在半导体中的应用，可引发 电子技术领域的革命。 桂林理工大学硕士学位论文 禁带宽度( e v ) 电阻率 1 0 1 2 3 5 x 1 0 6 2200- 1600- 2 5 x 1 0 7 5 55 5 3 2 1 3 3 5 1 52 8 3 5 3600- 2 01 0 2 0 2 2 5 n m 一- - 远红外一 o 2 2 一 ( 5 9 0 0 n m ) 0 2 4 1 1 2 2 金刚石的主要应用 金刚石热导率高，热容小，尤其是高温时的散热效能更为显著，热量无法积累，是 极好的热沉材料。金刚石膜的热导率现今已基本上接近天然金刚石的热导率，同时由于 金刚石电阻率高，可作为集成电路基片和绝缘层以及固体激光器的导热绝缘层。近几年 来，高导热金刚石薄膜制备技术的发展，使金刚石热沉在大功率激光器、微波器件和集 成电路上的应用变成现实。由光学性能看，从紫外到远红外整个波段金刚石都具有高的 透过率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料；其折射率高，可作为太阳能电 池的防反射膜：金刚石的高透射率、高热导率、优良的力学性能、发光性能和化学惰性， 可作为光学上的最佳应用材料，诸如各种光学透镜的保护膜，如飞机和导弹在超音速飞 4 桂林理工大学硕士学位论文 行时，头部锥形的雷达无法承受高温，且难以耐高速雨点和尘埃的撞击，用金刚石膜来 制作雷达罩，不仅散热快，耐磨性好，还可以解决雷达罩在高速飞行中同时承受高温的 聚变问题。美国己制成0 1 5 0 m m 、厚度2 - - - 3 m m 的金刚石导弹头罩。另外金刚石还具有 良好的化学性能，能耐各种温度下的非氧化性酸。金刚石的化学成分是碳，无毒，加上 它的惰性，与血液和其它流体不起反应，因此它又是理想的医学生物体植入材料，可以 做心脏瓣膜。 从现今已知的材料而言，金刚石能集如此多的优异性能于一身，这正是科技工作者 所期望的，而且也正是吸引如此众多的跨学科的科技工作者投入研究的缘由。表1 3 【3 7 j 为金刚石的一些主要性能及其对应的应用领域。 表1 3 金刚石的主要性能和应用 金刚石性质金刚石各类应用 硬度高、耐磨损 摩擦系数小 高导热性 红外透过性好 半导体性质、禁带宽 负电子亲和性、场发射性能 高弹性模量、优异的声学性能 切削、研磨、锯切和钻探工具 拉丝模、精密轴承和导轨 光学镜头、光学窗口保护膜 拉丝模、精密轴承和导轨 集合电路、固体激光器散热片 红外遥感遥测器 高性能整流器、三极管等电子器件 高性能平板显示器 高保真扬声器的振动膜 1 3 超硬材料金刚石工具 超硬材料人造金刚石的高硬度和诸多优良的物理机械性能，使得超硬材料金刚石工 具成为加工各种坚硬材料不可缺少的有效工具3 9 1 。从总体来说，金刚石磨削工具按粘结 剂种类可分为：金属粘结剂工具、树脂粘结剂工具和陶瓷粘结剂工具。其中金属粘结剂 工具按制作方法又可分为三类：粉末冶金烧结金刚石工具、电镀金刚石工具和钎焊金刚 石工具。 5 桂林理工大学硕士学位论文 1 3 1 烧结金刚石工具 烧结金刚石工具是将超硬磨料与结合剂粉末混合后通过粉末冶金的方法烧结而成， 形成多层结构的烧结体。烧结式金刚石工具结合强度高，成型性好，耐高温，导热性和 耐磨性好，使用寿命长，可承受较大的负荷【州2 1 。 人造金刚石烧结体一般由金刚石、骨架材料和粘结剂三部分组成，金刚石作为超硬 质点起切削、磨削作用；高熔点、高耐磨、高强度的金属构成烧结体的骨架，起支撑作 用；低熔点金属用作粘结剂，将超硬质点和骨架连接成一体。在人造金刚石烧结体的热 压和烧结过程中，用作粘结剂的低熔点金属一方面熔化并对周围金属粉末钎焊，另一方 面与周围高熔点金属粉末相互作用、并形成新的合金。一般情况下，低熔点粘结剂很难 润湿金刚石，存在于烧结体中的金刚石是靠机械包镶和把持作用与胎体连接在一起的， 金刚石与胎体的连接主要是机械连接。烧结后的金属结合剂胎体己具有一定的致密度和 相当高的强度、硬度、韧性，对包裹在其中的金刚石也具有较牢固的机械镶嵌作用。 由于金刚石与一般金属及合金之间具有很高的界面能，在烧结条件下金刚石与金属 胎体之间很难形成真正意义上的化学冶金结合，因此金属胎体对金刚石磨粒的把持力较 弱，在加工过程中经常造成金刚石磨粒过早脱落【4 3 1 ，金刚石利用率低。由于金刚石磨料 主要是靠机械把持，所以金刚石磨料的裸露高度不能太高，一般低于磨粒粒径的3 0 ， 金刚石磨粒的出刃高度低，所以金刚石工具的容屑空间小，加工过程中消耗功率大，切 削力大，加工效率低【4 4 1 。由于超硬磨料的浓度仅约占工具体积的1 0 ，因此磨粒脱落后 并不能使工作面下的磨粒马上出露，使得工作面上的磨料颗粒稀少，磨粒更容易磨平或 碎裂而不具备切削功能。虽然磨粒存在易脱落的问题，但随着表层磨料及结合剂的脱落， 工作面下的磨粒又会随之出露，可以继续使用，因此烧结超硬磨料工具的耐用度较电镀 超硬磨料工具高很多。多层结构导致了烧结超硬磨料工具很难达到单层电镀制品那样高 的工作速度。另外在烧结过程中存在着收缩及变形，所以在使用前必须对砂轮进行整形， 在使用一段时间后也需要进行表面修整，砂轮修整费时费力。由于砂轮的制造工艺决定 了其表面形貌是随机的，各磨粒的几何形状、分布及切削刃所处的高度不一致，无法保 证最佳的单颗磨粒切削厚度，限制了磨削质量和磨削效率的进一步提高【4 引。 针对磨料的把持力低的现象，当前在工艺上普遍采用在胎体中添加活性元素和对磨 料表面先作金属化处理的新烧结工艺。例如，直接在烧结原料中添加活性的t i ( t i h 2 ) 、 c r 、稀土元素等，或将铬、钛、钒等强碳化合物形成元素与铜、锡、锌等元素预先制备 成低熔点合金、并以超细粉末的形式添加到金刚石烧结体中，来制备金属结合剂金刚石 烧结工具。在烧结过程中，铬、钛、钒等强碳化物形成元素以液态形式包容、润湿金刚 石，在短暂的烧结过程中可以实现对金刚石的钎焊【4 6 4 7 】：采用在金刚石表面镀上t i 、c r 等活性金属或它们的合金镀层【4 9 1 ，通过它们在高温烧结过程中与金刚石磨料和金属结 合剂的反应与扩散，在磨料和结合剂间达到期望的化学结合，提高结合剂对磨料的把持 6 桂林理工大学硕士学位论文 能力。不论是哪种方法，就其把持力的增强机理，都是通过活性元素与金刚石磨粒发生 化学反应，生成相应反应物，通过这些反应物作为过渡层，改善金属结合剂对金刚石磨 料的润湿，同时达到化学冶金结合。 1 3 2 电镀金刚石工具 电镀金刚石工具是超硬材料电镀制品的一种，它是利用电镀层金属来实现金属基体 与金刚石的机械连接的。电镀工艺简单，制备容易，无需修整修锐：电镀金刚石工具虽 仅单层，但因是金刚石磨料，工具仍有足够高的寿命。电镀是指通过电化学方法在固体 表面沉积一薄层金属或合金的过程。对这过程的形象说法，就是给金属或非金属穿上一 件金属“外衣”，此金属“外衣”称为电镀层。由于电沉积的镀层金属与磨料和磨具基体的 界面均不存在牢固的化学冶金结合，磨料只是被机械地包埋在镀层与基体之间，因而为 了获得对磨料的把持力，镀层厚度必须高达磨料本身高度的7 0 - - - , 8 0 5 0 】，磨料出露高度 低，容屑空间小，电镀金刚石工具在磨削时很容易因切屑的粘附堵塞而失效【5 。电镀工 艺过程对金刚石而言不存在高温热损伤和化学侵蚀等作用，只要选择合适的电镀工艺就 能很好的控制镀层对金刚石的内应力，从而使制作工艺对金刚石的影响降至最小。因此 可以忽略这种影响，认为电镀后的金刚石性能与原始金刚石的性能是相同的。 由于金刚石具有高硬度、高强度、高耐磨性以及线膨胀系数小等一系列优异的物理 化学特性，被用来制作金刚石工具用于加工硬而脆的难加工材料。电镀法制备金刚石工 具是通过金属的电沉积，将松散的金刚石颗粒固结在电镀层中，使金刚石颗粒具有切削 能力。采用电镀法制备金刚石工具制造温度低，避免了对金刚石的热损失，并且生产工 艺简便、设备投资少、制造周期短、成型方便以及可以修复等。因此，电镀金刚石制品 已有各种砂轮、磨头、什锦锉、掏料刀、修整滚轮、地质钻头、扩孔器、内外圆切割片、 铰刀、线锯等专用工具，在机械、电子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领域得到广 泛应用【5 2 - 5 4 1 。 目前，国内外在用电镀法制备金刚石工具时，制造温度低，致使金刚石颗粒表面不 易为一般金属所浸润，不但得不到强力的化学键结合，而且经常产生间隙【5 5 1 。另外，受 电镀工艺的影响，金刚石工具镀层金属可选类型有限( 只限于镍、铬等少量金属及其合 金) ，不像热压烧结工具所使用的金属类型那样广泛。 与传统的烧结工具相比，单层电镀金刚石工具有以下优势【5 6 j ： 1 ) 电镀工艺简单，工具制备容易； 2 ) 电镀工具无需修整，使用方便快捷； 3 ) 单层结构本身决定了它可以实现烧结工具无法达到的工作速度； 4 ) 虽然只有单层金刚石，但仍有足够的寿命。 电镀工具存在的缺陷：镀层金属与基体和磨料的界面上由于并不存在牢固的化学冶 金结合，磨料实际上只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力不大，当加工负荷 7 桂林理工大学硕士学位论文 较大时，工具容易因磨粒脱落或镀层成片剥落而导致整体失效【5 7 1 ；为了增加把持力就必 须增加镀层厚度，其结果是磨粒出露高度和容屑空间减小，工具容易发生堵塞，散热效 果差，工件表面容易发生烧伤 5 8 5 9 】。单层电镀工具的这些固有弊端大大限制了它在高效 加工中的应用。 1 3 3 钎焊金刚石工具 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 6 0 i 。 根据使用钎料的液相线温度不同，钎焊一般分为三种【6 l 】： ( 1 ) 软钎焊：钎料液相线温度低于4 5 0 ，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4 5 0 ，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9 0 0 c 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f 6 2 1 。钎剂是靠化学途径去除表面氧化物的，同时它又能降低钎料的表面 张力，使钎料能很好地润湿母材，有利于钎料和母材的良好结合。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 、c o ) 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。所以本文就是采用真空烧结炉来钎焊试样。 高温钎焊其原理是采用含有活性元素( 如t i 、c r 、w 等) 的钎料或在金刚石表面镀 覆某些过渡元素( 如t i 、c r 、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【6 蛐引。 桂林理工大学硕士学位论文 高温钎焊超硬材料工具在如下方面显示无可比拟的优势【6 l j ： ( 1 ) 结合强度高，故磨料间的结合层厚度仅需要保持在磨料高度2 0 - 3 0 ，即 足以牢固把持住磨料。 ( 2 ) 磨料出露高，如此薄的结合厚度意味着具有高达7 0 - 8 0 的磨料裸露高度， 从而大大扩展了磨料间的容屑空间，不容易发生切屑堵塞而导致工具失效。 ( 3 ) 磨料本身的利用率高，工具的寿命大大提高。 ( 4 ) 其牢固的化学冶金结合适合高效磨削。 ( 5 ) 在节约资源和环境保护方面较传统工艺有着明显的优势，大大提高了绿色制 造度。 1 4 钎焊金刚石工具国内外研究现状 1 4 1 国外钎焊金刚石工具的研究进展情况 瑞士的a k c h a t t o p a d h y a y 等用火焰喷涂法( 氧乙炔焊枪) 把钎料合金( 7 2 n i ， 1 4 4 c r ，3 5 f e ，3 5 s i ，3 3 5 b ，0 5 0 2 ) 镀于工具钢基体上。把金刚石布排于钎 料层面上，然后在1 0 8 0 、氩气保护下感应钎焊3 0 秒来实现金刚石与钢基体结合。钎 料合金中的c r 作为一种强碳化学元素，在钎焊过程中向金刚石表面富集而实现金刚石 的表面金属化。合金厚度为8 0 微米时金刚石( 粒径为2 5 0 2 1 2 m n ) 的出刃情况最佳。 w i a n d 等美国专利上介绍的方法是将钎料( n i c r ) 金属粉加有机粘结剂制成钎焊漆， 把包衣金刚石粘在工具钢基体上，然后涂覆钎焊漆，在加热到一个适中的温度和保温一 定的时间以排除挥发物质。在真空炉( 真空度1 3 3 3 x 1 0 2 p a ) 或干式氢气炉中加热到 1 1 0 0 左右，保温1 小时，钎焊的同时完成金刚石的表面金属化。 还有一些专利也同样采用了n i c r 合金钎料实现了钎焊，钎料中还包括f e 、b 元素 或者s i 、m o 等元素。例如，在采用含有s i 或者s i 和t i 的n i c r 合金钎料在真空炉中 实现钎焊，钎焊温度为1 1 2 6 1 1 7 6 。还有专利表明采用c u 基含有w 、f e 、c r 、b 、s i 等钎料钎焊金刚石砂轮和采用a g m n z r 银基钎料来钎焊金刚石工具从而替代电镀工具 【6 3 】 o 德国的a t r e n k e r 等在高温钎焊的过程中分别采用了镍基活性钎料和镍基钎料来实 现金刚石与基体的结合。并对其与电镀工具做了对比，高温钎焊金刚石工具性能比电镀 金刚石工具优异的多。钎焊工具( 使用活性钎料和p d a 9 8 9 以及p d a 6 6 5 金刚石) 实际 磨削性能是电镀工具( 镍基钎料和p d a 6 6 5 金刚石) 的3 5 倍以上，其工具寿命也至少 是电镀工具的3 倍以上。钎焊工具具有较好的磨削性能的重要原因是钎焊金刚石工具有 较大的容屑空间，这样金刚石磨粒有较大的自由切削面并且磨粒之间有较多的空间，使 切屑很容易的被排除畔】。 9 桂林理工大学硕士学位论文 1 4 2 国内钎焊金刚石工具的研究进展情况 国内有诸多单位先后开展对高温钎焊金刚石工具的研究开发，如南京航空航天大 学、第四军医大学、西安交通大学、华侨大学等【6 2 】。 第四军医大学和西安交通大学在国内外钎焊金刚石工具研究的基础上，采用真空炉 ( 0 2 p a ) 内高温钎焊的方法，以n i c r l 3 p 9 合金为钎料，配以少量c r 粉，在高温( 9 5 0 ) 加压( 4 9 m p a ) 的条件下进行钎焊，从而实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。钎料均 匀分布于砂轮表面，金刚石已被牢固钎焊，触摸砂轮表面感觉相当锐利粗糙。钎料在金 刚石磨粒间分布均匀，金刚石出刃高度高。其耐用度较电镀砂轮有了明显提高，工作后 仅有少量金刚石脱落。 南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊的方法，用a g c u 合金和c r 粉共同 作中间层材料，在空气中感应钎焊3 5 秒，钎焊温度7 8 0 ，实现了金刚石与钢基体间的 牢固结合。姚正军等利用氩气保护炉中感应钎焊的方法，用n i c r 合金粉末做钎料，真 空感应钎焊3 0 秒，钎焊温度1 0 5 0 ，实现了金刚石与钢基体间的牢固连接。利用扫描 电镜和x 射线能谱，结合x 射线衍射结构分析，发现在钎焊过程中c r 元素向金刚石界 面富集形成富c r 层，并与金刚石表面的c 元素反应生成c r 3 c 2 和c r t c 3 ，这是实现合金 层与金刚石有较高结合强度的主要因素。磨削实验采用大切深缓进给重负荷进行，从砂 轮磨削后的表面形貌来看，没有金刚石整颗脱落，金刚石磨粒属正常磨损，这说明金刚 石有较高的把持强度，能够适合于高效磨削加工。 1 9 9 9 年台湾中国砂轮工业股份公司在意大利维罗纳石材展会上专门展出许多高温 钎焊金刚石工具产品，曾经引起轰动效应。欧洲不少大理石开采矿山订购他们的钎焊金 刚石串珠绳锯，使用效果非常好，不但切割效率高，工作寿命达到普通电锯串珠绳锯3 倍以上，而且短绳5 8 次仍可使用。 ， 二十一世纪初，苏州腾龙机械公司和南京航空航天大学合作成立苏州南航腾龙科技 公司专门生产钎焊金刚石工具产品，推向市场，并不断增加品种，扩大应用范围，在金 刚石磨轮、异型磨轮、磨碟、手提轮和金刚石串珠绳锯等许多钎焊工具均获得用户认可， 占领了一定的市场份额。目前在国内从事钎焊超硬材料工具生产的已经发展到2 0 家以 上。包括泉州华大超硬工具科技公司、厦门东南新石材工具公司、上海普奥金刚石制品 公司、长葛市黄河电气有限公司和江阴市立新金刚石工具公司等等。在这些高温钎焊工 具产品的销售使用过程中，异型磨轮产品显示出独特的优越性能，大有取代电镀制品的 趋势。 1 5 超硬材料工具的发展趋势 世界石材、建筑业、交通运输、能源、机械加工、电子信息业的发展，为金属基金 刚石工具提供了巨大的市场、发展机遇与挑战。 1 0 桂林理工大学硕士学位论文 在金属基金刚石工具中，金刚石是切削元件、是最基本的组分，金刚石与金属的界 面结合强度则直接关系到金刚石是否能有效发挥作用。但在用传统的电镀和烧结方法制 备金属基金刚石工具时，磨粒基木上都是被机械镶嵌在基体层上，因而金刚石与金属界 面结合强度不大，在磨削中常常会出现金刚石磨粒脱落的情况，以及由于工具容屑空间 小，容易造成堵塞，从而影响工具的使用效率。要使金属基金刚石工具中的金刚石能有 效的发挥作用，金刚石与金属结合界面必须有很强的界面结合强度。 在电镀金刚石工具中，金刚石仅用镍金属做机械包裹，且金刚石出刃高度低，容屑 空间小。在孕镶烧结金刚石工具中，出刃自锐问题难于解决，且金刚石与粉料也很难实 现冶金结合。两种工艺都不能充分有效地利用金刚石的磨削性能。故近十几年来单层金 刚石钎焊工具引起了人们的重视【5 1 1 。 钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术，或以含有活性元素的钎料焊接金刚 石，通过强碳化合物形成元素或合金，使钎料和金属基体之间以及钎料和磨料之间形成 牢固的化学冶金结合，从而大大的提高金属基体对钎料以及钎料对磨料的把持力。另外， 由于把持力的提高，磨料裸露高度可达磨料粒径的7 0 左右，而且不容易脱落，这样就 使工具的容屑空间增大，不容易堵塞，从而大大的提高磨料的利用率【6 m 7 】。 目前，金属基金刚石工具的生产制作中，传统的电镀和烧结方法还是占多数。但是 由于其工具存在的诸多缺陷，使得国内目前正在大力研究钎料钎焊的方法，来代替单层 电镀和烧结方法，由于钎料钎焊方法的生产周期短，不像单层电镀方法生产周期一般在 2 3 天，钎料钎焊方法的生产周期一般在3 个小时左右就可以加工完成，大大的节约的 时间，从而降低了生产成本。钎料钎焊方法在国内已经有较快的发展，用金刚石钎焊工 艺取代电镀工艺制品是必然的趋势。所以，加快研发金刚石钎焊制品，逐步取代电镀制 品，积极发展金刚石钎焊工具，将金刚石钎焊工艺用于机加工与矿山工具焊接，攻克半 导体工业和光伏产业硅片加工用金刚石钎焊工具，已经是摆在我们眼前的技术难题，在 这些新的领域里也需要我们去积极的研究和探索。 1 6 本课题研究目的和意义 近些年来钎焊金刚石工具发展很迅速，以其优越的性能在超硬材料工具领域里有着 取代烧结、电镀金刚石工具的趋势。但是目前还没有系统的从钎焊后金刚石表面微观形 貌出发，来研究金刚石表面微观形貌与钎焊后金刚石剪切强度以及钎焊强度之间关系的 研究。 本课题的主要研究目的： 1 、分析两种不同镍基钎料以及两种金刚石钎焊后所得碳化物种类、形态和结构的 差别。 2 、分析钎焊工艺( 钎焊温度、保温时间) 对钎焊试样金刚石颗粒表面碳化物形态、 桂林理工大学硕士学位论文 结构的影响； 3 、分析钎焊试样金刚石颗粒表面碳化物种类、形态和结构对钎焊试样剪切力值和 钎焊强度的影响； 钎焊本课题的研究意义：研究钎焊工具微观形貌即钎焊金刚石表面碳化物种类、形 态和结构对钎焊强度的影响，以及钎焊工艺( 钎焊温度、保温时间) 对钎焊试样金刚石 颗粒表面碳化物形态、结构的影响；是从微观角度分析了钎焊强度优劣的形成原因。这 对于今后制备镍基钎料钎焊金刚石工具的过程中，钎料以及金刚石种类的选择( 哪种镍 基钎料钎焊哪种金刚石所得的钎焊工具的钎焊强度高) ，以及钎焊工艺的确定，都有着 一定的指导意义；同时也希望可以为钎焊金刚石工具的开发与应用研究提供一些理论依 据。 1 7 本课题开展的主要工作 上世纪八十年代末开始，钎焊单层金刚石工具的研究己经有了近2 0 多年的历史， 各类工具也是层出不穷，但是，钎焊工具的应用场合还是很狭隘，