影響金剛石釬焊潤(rùn)濕性的因素

曹慶忠

(長(zhǎng)葛市黃河電氣有限公司，河南 長(zhǎng)葛 461500)

近十年來，釬焊金剛石工具技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，特別是在綠水青山國(guó)家環(huán)保經(jīng)濟(jì)方針的指導(dǎo)下，電鍍金剛石工具生不受到了一定的限制，故原有的大量的電鍍金剛石工具均由釬焊金剛石工具所替代，使得釬焊金剛石工具的市場(chǎng)占用量迅速膨脹，形勢(shì)發(fā)展比較喜人。眾所周知，從原理上說釬焊金剛石釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金剛石、釬焊料、工具基體三者之間的強(qiáng)力化學(xué)冶金結(jié)合[1]，這些工具在工作過程中金剛石不容易脫落，從單顆粒金剛石的角度看，是充分延長(zhǎng)了單顆粒金剛石的使用時(shí)間，從而有效地提高了工具的壽命。但在釬焊金剛石工具制作過程中還仍然出現(xiàn)焊接不牢，金剛石顆粒脫落的現(xiàn)象，特別是在加工鐵質(zhì)材料等高負(fù)荷的材料時(shí)，金剛石顆粒受到撞擊型破壞比較嚴(yán)重，對(duì)金剛石的焊接強(qiáng)度要求更高。所以，如何進(jìn)一步提高金剛石的把持強(qiáng)度，從而提高釬焊金剛石工具的壽命，是當(dāng)前釬焊技術(shù)研究的方向和難點(diǎn)，也是擴(kuò)大金剛石釬焊工具應(yīng)用領(lǐng)域必須和迫切解決的研究課題[2]。

本文從金剛石表面的狀況出發(fā)，針對(duì)影響金剛石釬焊濕潤(rùn)性的因素進(jìn)行研究。采用鍍膜金剛石，按照真空釬焊工藝，針對(duì)制作的單層金剛石鋸片進(jìn)行切割鋼筋試驗(yàn)，以期得到釬焊金剛石工具技術(shù)的進(jìn)一步提升。

1 釬焊金剛石技術(shù)的基本原理

釬焊金剛石技術(shù)的基本原理是：采用含有活性元素(如Ti、Cr、W等)的釬焊料，其熔化溫度低于金剛石和基體的熔化溫度，在高溫釬焊的過程中利用活性元素與金剛石表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成一層碳化物，借助于這層碳化物的過渡作用，使得液態(tài)釬焊料在金剛石表面潤(rùn)濕、鋪展、毛細(xì)流動(dòng)、填縫、相互溶解和擴(kuò)散，同時(shí)液態(tài)釬焊料在基體表面也潤(rùn)濕、鋪展、毛細(xì)流動(dòng)、填縫、相互溶解和擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)金剛石、釬焊料、工具基體三者牢固的化學(xué)冶金結(jié)合[3]。

更確切地說，在實(shí)際釬焊金剛石過程中，常常不可避免地發(fā)生金剛石向釬焊料中的溶解及釬焊料與金剛石之間的擴(kuò)散，相互溶解和擴(kuò)散的程度是決定金剛石釬焊濕潤(rùn)性好壞的最重要指標(biāo)。在一定的釬焊環(huán)境(真空、惰性氣體保護(hù)、空氣等)、釬焊溫度和釬焊時(shí)間下，金剛石釬焊的溶解及擴(kuò)散過程基本上與金剛石的表面質(zhì)量、釬焊劑的使用和釬焊料中的活性元素有關(guān)[3]。

金剛石顆粒釬焊后形態(tài)如圖1所示。

圖1 金剛石顆粒釬焊后形態(tài)Fig.1 Morphology of diamond particles after brazing

2 金剛石-釬焊料界面潤(rùn)濕性

2.1 決定金剛石-釬焊料界面潤(rùn)濕性的參數(shù)

決定金剛石-釬焊料界面潤(rùn)濕性的參數(shù)，可以用類似于釬焊料熔化液滴接觸金剛石固體平面來表達(dá)。釬焊料熔化液滴被假定處于表面自由能條件所確定的平衡狀態(tài)，這些釬焊料熔化液滴的形狀是由“接觸角θ”作為唯一特征值決定的[4]。

釬焊料熔化液滴在固體表面的接觸角θ見圖2所示。

潤(rùn)濕與不潤(rùn)濕的分界線是θ=90°，當(dāng)θ<90°潤(rùn)濕發(fā)生，而θ>90°不發(fā)生潤(rùn)濕。對(duì)金剛石釬焊系統(tǒng)10°～45°是θ的取值范圍。

圖2 釬焊料熔化液滴在金剛石表面的接觸角Fig.2 The contact angle of brazing material melting droplet on the diamond surface

對(duì)金剛石釬焊而言，由于金剛石與一般金屬及其合金之間具有很高的界面能，致使金剛石的可釬焊性很差。但活性元素能降低金剛石表面的界面能，例如，Ti屬于過渡族金屬元素，它對(duì)金剛石具有一定程度的潤(rùn)濕性。其原因就在于釬料中的Ti向金剛石表面擴(kuò)散并在金剛石的表面與金剛石中的C反應(yīng)生成碳化物TiC，使得液態(tài)釬焊料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕與焊合變成液態(tài)釬焊料對(duì)TiC的潤(rùn)濕與焊合，最終達(dá)到金剛石與基體之間具有一定結(jié)合強(qiáng)度的釬焊連結(jié)。

2.2 對(duì)潤(rùn)濕性的影響因素

2.2.1 氧化物的影響

金剛石表面污染，導(dǎo)致化學(xué)成分不均勻；原子或離子排列緊密程度的不同，導(dǎo)致不同晶面具有不同的表面自由能；同一晶面，也會(huì)因表面的扭曲和缺陷造成表面自由能的差異；實(shí)際情況是金剛石表面存在不干凈材料，成份和相組成的差異會(huì)造成表面各部分的自由能的不同。

金剛石的表面結(jié)構(gòu)如圖3所示。金剛石的最外層表面為氣體吸附層，一般主要吸附的是水蒸氣、氧、二氧化碳和硫化氫等氣體。次表層為氧化膜層，常由氧化物的水合物、氫氧化物和堿式碳酸鹽等成分組成。在氧化膜之下是金剛石晶體組織[4]。

圖3 金剛石的表面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diamond surface structure diagram

在實(shí)際釬焊過程中，所涉及到的金剛石表面都會(huì)有一層上述的表面結(jié)構(gòu)。任何一種表面能在活性雜質(zhì)吸收作用下，固體和液體的表面自由能會(huì)明顯降低。所有釬焊料熔化液體和金剛石的現(xiàn)實(shí)表面都在某種程度被表面元素，尤其是氧化物所改變。實(shí)際上，在金剛石表面上存在的氧化物抑制了潤(rùn)濕性，妨礙了釬焊料熔化液體在金剛石表面上的流布。因此，多數(shù)金剛石釬焊工藝需要通過清除材料氧化物，來減少可能發(fā)生的對(duì)潤(rùn)濕性不利的影響。

氧化物的熔點(diǎn)一般都比較高，在釬焊溫度下為固態(tài)。它們的表面張力值很低，因此，釬焊時(shí)將導(dǎo)致產(chǎn)生不潤(rùn)濕現(xiàn)象，表現(xiàn)為釬焊料成球，不鋪展。

許多釬焊料合金表面也存在一層氧化膜。當(dāng)釬焊料熔化后被自身的氧化膜包覆，此時(shí)其與金剛石之間是兩種固態(tài)的氧化膜之間的接觸，因此產(chǎn)生不潤(rùn)濕。

所以在釬焊過程中必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┤コ饎偸外F焊料表面的氧化膜，以改善釬焊料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕。

2.2.2 釬劑的影響

去除氧化膜最有效的方法是采用釬劑。當(dāng)用釬劑去除了金剛石和釬焊料表面的氧化膜后，液態(tài)釬焊料就可以和金剛石直接接觸，從而改善潤(rùn)濕。另外，當(dāng)金剛石和釬焊料表面覆蓋了一層液態(tài)釬劑后，系統(tǒng)的界面張力就發(fā)生了變化，如圖4所示，當(dāng)鋪展達(dá)到平衡時(shí)，由Young氏方程有[4]：

其中：σsf-母材與釬劑間的界面張力；σsl-母材與釬料間的界面張力；σlf-釬劑與釬料間的界面張力。

圖4 釬劑的影響Fig.4 Impact of brazing flux

與無釬劑時(shí)的情況相比，只要滿足σlf<σlg或σsf>σsg，就可以增強(qiáng)釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕。同樣，釬劑成份的變化將造成σlf和σsf的變化，從而也會(huì)影響釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性。

2.2.3 釬料中活性元素的影響

在釬焊過程中，當(dāng)釬焊料為多元合金時(shí)，由于合金組分對(duì)金剛石界面張力的影響不同，使某種成分被有選擇性地吸附(或排斥)到相界面上(或離開相界面)。釬料中的活性元素可以在金剛石表面發(fā)生強(qiáng)烈的正吸附作用，使其富集于相界面，從而大大降低了界面張力，而界面張力的降低可以大大改善液態(tài)釬焊料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕過程，能夠促進(jìn)釬焊料和金剛石之間的相互溶解，并形成金屬間化合物，從而液態(tài)釬焊料就能較好地潤(rùn)濕金剛石。金剛石與一般的金屬、合金之間有很高的界面能，其表面不易被熔化的金屬或合金所浸潤(rùn)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在一定的條件下，某些過渡族元素如Ti、V、Cr、Zr、Mo、W等，可以與金剛石的碳元素在表面形成碳化物，這些元素對(duì)金剛石釬焊而言，就是金剛石的表面活性物質(zhì)，釬焊金剛石的方法通過這層碳化物的作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石的牢固化學(xué)冶金結(jié)合[5，6]。

圖5顯示了金剛石磨粒與Ni-Cr合金釬焊接頭的SEM照片及元素能譜線掃描分析結(jié)果。從圖5可見，Cr元素在金剛石界面處具有明顯濃度階梯，C元素在界面處的濃度呈現(xiàn)緩慢的過渡趨勢(shì)，這說明兩者之間跨過界面存在著明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象。Cr和C有較強(qiáng)的親和力，液態(tài)Ni-Cr合金中的活性金屬Cr被金剛石磨粒晶體表面選擇性吸附時(shí)，與磨粒表面的C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Cr-C化合物，使活性金屬Cr從靠近金剛石磨粒表面的液態(tài)合金釬料中分離出來，并促進(jìn)液態(tài)Ni-Cr釬料中的Cr向著金剛石磨粒表面擴(kuò)散，從而在磨粒與液態(tài)釬料的接觸面上反應(yīng)生成連續(xù)的新相化合物，形成富Cr帶。正是由于釬料與磨粒界面反應(yīng)化合物的形成，從而促進(jìn)了兩者之間的潤(rùn)濕結(jié)合[5，6]。

圖5 金剛石與Ni-Cr合金界面掃描形貌及線掃描Fig.5 Interface morphology and line scanning between diamond and Ni-Cr alloy

2.2.4 金剛石表面粗糙度的影響

金剛石的表面粗糙度在許多情況下會(huì)影響釬焊料對(duì)它的潤(rùn)濕。在實(shí)際的釬焊過程中，不同釬焊料在不同狀態(tài)的表面上的潤(rùn)濕情況也不同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：金剛石的表面粗糙度大，其表觀接觸角減小，表現(xiàn)為鋪展面積增大；而金剛石表面的粗糙度小，其表觀接觸角就會(huì)增大，故表現(xiàn)為鋪展面積小。

3 鍍膜金剛石真空釬焊工藝

綜上所述，如果改變金剛石表面的狀況，就能改變其表觀接觸角，從而提高金剛石釬焊的濕潤(rùn)性。從目前看改變金剛石表面的狀況有兩種方案：一是將金剛石表面粗糙化，但此方案使得金剛石的材料成本提高比較大，同時(shí)還有破壞金剛石的自身強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)。二是采用鍍膜金剛石，使得金剛石表面有和釬焊料濕潤(rùn)性更強(qiáng)的金屬膜，金剛石鍍膜后其自身強(qiáng)度還有一定的提高，此方案可以說是一種改變金剛石表面的狀況最好方法。

3.1 鍍膜金剛石

鍍膜金剛石技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了二十多年，其目的是為了改善金剛石工具的內(nèi)界面結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)施金剛石表面金屬化，對(duì)于金屬結(jié)合型的工具來說，鍍覆的金屬最好與金剛石有較好的浸潤(rùn)性，并在制作金剛石釬焊工具過程中能在其表面生成適當(dāng)?shù)奶蓟锬?，鍍層既與金剛石發(fā)生鍵連接，又和釬焊料產(chǎn)生合金化，這樣金剛石和釬焊料之間就有可能形成牢固的結(jié)合。一般而言，金剛石表面鍍覆的金屬以碳化物形成元素為宜，W、Mo、Cr、Ti等都是可以選擇的對(duì)象，它們?cè)诤己辖鹬卸加信c碳結(jié)合的傾向，液相狀態(tài)下對(duì)金剛石浸潤(rùn)，冷卻到室溫后可以轉(zhuǎn)化成類似釬焊的結(jié)合[7，8]。

圖6所示為離子鍍鍍鎳鈦金剛石的實(shí)物。在金剛石的界面上已經(jīng)形成了碳化物的結(jié)合，同時(shí)在金剛石外層也有了一層與鎳基釬焊料接觸角θ接近于0的鎳金屬層。

圖6 離子鍍鍍鎳-鈦金剛石Fig.6 Ion plating Ni-Ti diamond

3.2 制作金剛石鋸片

3.2.1 制作方法

制作選用HHD90金剛石，粒度為40/45(375～425μm)，鍍膜增重2%，釬料為Ni-P合金(BNi-6)，鋸片基體為65Mo鋼，鋸片基體直徑為Φ100。釬焊前對(duì)鋸片基體、金剛石表面進(jìn)行去油去污處理。金剛石直接排布在鋸片基體上，Ni-P合金均勻置于金剛石與鋸片基體表面，釬焊在ZKR-2FH型真空熱處理爐中進(jìn)行，控制爐內(nèi)真空度小于5×10-2Pa，保持在880℃釬焊溫度15分鐘。

3.2.2 金剛石鋸片產(chǎn)品及切割試驗(yàn)

制作的金剛石鋸片產(chǎn)品如圖7所示。從鋸片產(chǎn)品上看，金剛石周圍合金化程度高，焊接牢固，說明采用鍍膜金剛石進(jìn)行釬焊的方法可行。

對(duì)金剛石鋸片進(jìn)行切割試驗(yàn)。圖8所示為切割試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。切割試驗(yàn)方法為：角磨機(jī)，切割Φ10鋼筋，與非鍍膜金剛石鋸片產(chǎn)品相比較。

非鍍膜金剛石鋸片釬焊制作方法是：制作選用HHD90金剛石，粒度為40/45(375～425μm)，釬料為Ni-Cr合金(BNi-2)，鋸片基體為65Mo鋼，鋸片基體直徑為Φ100。釬焊前對(duì)鋸片基體、金剛石表面進(jìn)行去油去污處理。金剛石直接排布在鋸片基體上，Ni-Cr合金均勻置于金剛石與鋸片基體表面，釬焊在ZKR-2FH型真空熱處理爐中進(jìn)行，控制爐內(nèi)真空度小于5×10-2Pa，保持在1020℃釬焊溫度15分鐘。

圖7 金剛石鋸片F(xiàn)ig.7 Diamond saw blade

圖8 切割試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.8 Cutting test site

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 切割鋼筋試驗(yàn)

從表1中可以看出，鍍膜金剛石鋸片的使用壽命是非鍍膜金剛石鋸片的1.24倍，同時(shí)鍍膜金剛石鋸片的切斷速度比非鍍膜金剛石鋸片提高了2.73%。說明采用鍍膜金剛石制作的鋸片不僅使用壽命長(zhǎng)，而且鋒利性也有所提高。

4 結(jié)論

(1) 采用鍍膜金剛石進(jìn)行釬焊，發(fā)現(xiàn)釬焊料對(duì)金剛石的濕潤(rùn)性更加好，金剛石周圍的合金化程度比較高。

(2) 使用Ni-P釬料，釬焊溫度比較低，對(duì)金剛石的熱損壞比較小。

(3) 制作的釬焊工具使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)工具的鋒利性也有所提高。

(4) 有關(guān)使用鍍膜金剛石制作釬焊工具的金剛石的微觀焊接狀況分析還有待今后進(jìn)行。

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