超硬磨粒釬焊工藝是利用活性釬料與超硬磨粒界面處形成的化學冶金結合實現磨粒的高強度把持,在磨具制備中得到應用和發展。其中,釬料對超硬磨粒的釬焊性能和使用壽命具有重要的影響,國內外相關學者對此開展大量的研究工作。
1 Ag 基釬料體系
Ag基釬料是制備超硬磨具常用的一類釬料。其熔點適中,工藝性良好,具有一定的強度、硬度和耐腐蝕性。傳統Ag基釬料通過添加Ti、Cr、Zn、Cu等元素可構成三元或多元合金,一方面降低了釬料成本,另一方面可有效控制釬料熔點、提高釬焊性能。
1.1 Ag 基釬料的釬焊性能研究
徐鴻鈞等采用Ag基釬料制備了單層釬焊金剛石砂輪,發現在Ag-Cu釬料中添加一定的活性元素Cr可顯著改善基體對磨粒的把持力。
周玉梅等采用添加Cr粉的Ag基釬料進行了釬焊金剛石實驗,并對磨粒、基體和釬料合金之間的界面微觀結構和反應產物進行觀測和分析,認為釬焊界面生成的Cr7C3等碳化物是實現基體對磨粒高強度把持的主要原因。
Ding等釆用Ag-Cu-Ti釬料開發了單層釬焊CBN砂輪,并研究了釬焊界面結構及形成機理,認為B、N等元素在Ti合金層擴散能力的差異造成了界面組織的分層,并觀測到Ti元素優先聚集在磨粒表面形成一層針狀的化合物。
盧廣林等研究了Ag-Cu-Ti釬料釬焊CBN的釬焊性能和微觀結構,發現活性元素Ti的含量對釬焊性能影響很大,隨著Ti含量的增加,釬料的潤濕性、釬焊接頭強度都顯著增強。
亢世江等制備了Ti 為1%、2%、3%、4%、5%(質量分數)的Ag基釬料,并進行了金剛石膜與硬質合金的釬焊實驗,發現Ti的質量分數為1%~3%的釬料具有高的延展性,適合各種成形加工,同時觀測到Ag基釬料中的活性成分β-Ti與金剛石膜表面C極具親和力,實現了金剛石膜與硬質合金的高強度連接。
1.2 Ag 基釬料的釬焊工藝參數研究
Miab等研究了Ag基釬料對CBN的潤濕機理,并觀察釬焊溫度為920 ℃時,不同的保溫時間(5~15min)對釬焊CBN性能的影響,發現提高保溫時間可促使Cu-Ti 相向磨粒界面遷移,生成均勻、連續的反應層。
為解決高溫釬焊冷卻過程中較大的熱應力導致接頭斷裂和磨粒破碎的問題,秦優瓊等研究了釬焊時壓力載荷對金剛石接頭殘余應力的影響,發現對試件施加一定的壓力可降低釬焊的最大殘余應力值,提升釬焊接頭的剪切強度。
丁文鋒等采用有限元法對Ag-Cu-Ti釬料釬焊CBN磨粒時的接頭殘余應力進行了模擬仿真,并重點研究了不同的釬料包埋深度對金剛石殘余應力的影響,結果發現:當包埋深度低于50%時,磨粒內部的最大殘余拉應力隨包埋深度的增加而減小;當包埋深度在60%~80%時,磨粒的最大殘余拉應力變化較小。
Li等采用超高頻連續釬焊工藝進行CBN 焊接實驗,并探究在不同掃描速度下,磨粒、Ag-Cu-Ti釬料及基體之間的釬焊性能,發現當掃描速度為0.5 mm/s時,可獲得較合適的界面新生化合物層結構,同時指出這種利用局部加熱與掃描相結合的釬焊形式有利于減少焊后的熱變形。
Wulf等采用Ag基釬料在硬質合金基體上進行了金剛石釬焊實驗,并探究基體表面粗糙度、釬焊溫度等工藝參數對釬料潤濕行為的影響,發現隨著釬焊溫度的升高Ti元素的擴散能力增加,基體表面的粗糙度值越小,潤濕性越好。
1.3 Ag 基釬料的元素改進研究
近年來,添加元素改進釬料成分是一個研究熱點。通過添加稀土、石墨、TiC顆粒增強相等可進一步改善釬料性能,主要體現在以下幾個方面:
1)調控釬料的潤濕性能;
2)調節釬料熔點;
3)細化晶粒,提升釬焊強度。
如Chen等在Ag-Cu-Ti釬料中添加TiB2粉末進行了釬焊CBN實驗,分析了磨粒界面和磨損特性,發現TiB2的加入可緩和磨粒界面的劇烈反應程度,提高了磨粒的釬焊性能。
Ding等采用納米TiC顆粒進行了相關釬焊實驗,發現納米TiC顆粒的加入能更有效地控制磨粒與釬料的劇烈反應,細化Ag-Cu-Ti合金釬料層的顯微組織。
Yang等進行了合金釬料添加稀土元素Ce的釬焊金剛石實驗,發現Ce的加入促進了Ag-Cu-Ti釬料合金化,降低了釬料熔點,使組織細化,當Ce元素為0.25%~0.5%(質量分數)時具有良好的潤濕性,釬料的硬度和抗剪強度顯著提升;其后又研究了稀土La改性Ag-Cu-Ti釬料的力學性能和顯微組織,發現La的加入對釬料的熔點影響不大,但顯著提高了釬料的顯微硬度和潤濕性能。
Klotz等在Ag-Cu-Ti釬料的基礎上加入低熔點元素In,在鉬薄板基體上進行釬焊金剛石試驗,觀測到基體組織包含Ag-Cu、富態Cu-In-Ti相,磨粒和釬料結合界面生成了以TiC為過渡產物的Ti3InC化合物,認為In元素的加入增強了釬料的潤濕性和耐腐蝕性。