生产应用俘掳 Ｎｉ．Ｃｒ合金真空钎焊金刚石的接头组织分析 中原工学院材料与化工学院（郑州市４５０００７） 孟普张瑞杰刘 英卢金斌 摘要利用Ｎｉ—ｃｒ合金在真空环境下成功地把金刚石钎焊到钢基体上。采用扫描电镜（ＳＥＭ）和ｘ射线衍射 （ＸＲＤ）分别观察钎焊后金刚石形貌和分析钎缝组织。结果表明：钎焊后金刚石出露较高，金刚石和钎料之间实现 化学冶金结合；钎焊后钎缝组织比较复杂，从金刚石表面到钎缝中生成碳化物的形貌发生变化；钎料中主要生成 一Ｎｉ、Ｃｒ ，Ｃ 、Ｃｒ７Ｃ，和ＣｒＢ，这是金刚石和钢基体结合强度较高的主要原因。 关键词：真空钎焊金刚石钎料组织碳化物 中图分类号：ＴＧ４０１ ０前 言 石浸泡在丙酮中用超声波清洗５ ｍｉｎ，吹干；将Ｎｉ．Ｃｒ合 金置于基体表面，在Ｍ．ｃｒ合金上分布金刚石磨粒 （图１），加热到１ ０５０℃保温５ ｍｉｎ，随炉冷却至１００℃ 取出。 单层钎焊金刚石工具因为结合强度高和出露较高 引起业内专家及厂家研究和产品开发的极大兴趣。钎 焊法制作的单层金刚石工具，能够通过化学冶金结合 获得很高的结合强度，出露高度达５０％～６０％，解决了 烧结和电镀单层金刚石工具金刚石磨粒结合力不足和 出露高度低的问题，使单层钎焊金刚石工具更加具有 竞争力 卜 。 单层钎焊金刚石工具在使用过程中金刚石磨粒的 出露和钎料的性能具有重要关系，如果钎料的强度和 硬度太高，导致磨削后期金刚石磨粒的出露困难，使金 图１接头结构不意图 刚石磨粒的磨削效率下降；如果钎料的强度较低，导致 金刚石磨粒的过早脱落，使金刚石工具失效，因此对钎 焊金刚石后的钎缝组织进行分析就具有重要意义。虽 然对金刚石界面处碳化物的形貌、分布数量、长大及其 测试方法：用日本电子公司（ＪＥＯＬ）ＪＳＭ一６３００型 扫描电镜（ＳＥＭ）和美国ＫＥＶＥＸ公司ｘ射线衍射仪 （ＸＲＤ）分别观察钎焊后金刚石表面形貌和分析钎缝组 织。 ． 与金刚石界面的位向关系等研究已经较多 Ｊ，但是 还很少见到对钎焊金刚石后的钎缝组织分析的报道。 文中采用Ｎｉ—ｃｒ合金钎焊金刚石磨粒，采用扫描电 镜（ＳＥＭ）和ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分别观察钎焊后金刚石 形貌和分析钎缝组织，希望对单层钎焊金刚石工具的 研制和开发具有一定的指导意义。 １ 试验条件及方法 ２试验结果 ２．１ 钎焊后金刚石形貌 钎焊后的金刚石形貌如图２所示，可以看出金刚 石周围被钎料包裹着，说明Ｎｉ－ｃｒ合金对金刚石具有较 好的润湿性，它们之间发生润湿反应。金刚石出露较 高，钎焊后金刚石晶形保持完整，没有裂纹附加热损伤 现象。没有发现金刚石脱落，说明Ｎｉ．Ｃｒ合金和金刚石 试验选用ＧＢ／Ｔ６４０５－－９４标准３００～４２０ ｍ金刚 石，基体选４５钢，钎料为Ｎｉ．Ｃｒ合金，真空度＜０．０１ Ｐａ，在ＶＯＱ２—８０型真空淬火炉中进行钎焊试验。具 体工艺过程为：钎焊前把基体除锈，然后把基体和金刚 收稿日期：２０１０—０６—１９ 连接牢固，然而Ｎｉ．Ｃｒ合金与金刚石之间是否发生化学 冶金结合，仅凭形貌观察无法得到确切判断。 ２．２钎缝中碳化物形貌 金刚石及碳化物在常温下耐酸腐蚀，对钎焊后试 样进行深腐蚀，去除钢基体和可溶镍基固溶体，获得金 ２０１０年第９期 ５１ 俘掳生产应用 刚石和碳化物的三维形貌，如图３所示。可以看出，钎 Ｃ元素向钎缝中溶解时，Ｃ元素的浓度发生变化，活性 元素Ｃｒ向金刚石表面进行上坡扩散 ，浓度也发生变 焊后在Ｎｉ．Ｃｒ合金中形成大量碳化物，把金刚石包围在 中心，碳化物就像向日葵一样围绕金刚石向四周外延 化，ｃ元素和活性元素Ｃｒ生成碳化物的种类不同。 生长。这主要是因为高温时金刚石表面能降低，表面 部分Ｃ元素溶解，进入Ｎｉ．ｃｒ合金，同时Ｎｉ－Ｃｒ合金中 活性元素ｃｒ向金刚石表面扩散与溶解的ｃ元素形成 碳化物。 图４试样背散射图片 图２ Ｎｉ—Ｃｒ合金钎焊金刚石形貌 图５ 离金刚石较远处碳化物形貌 ２．３钎焊后Ｎｉ—Ｃｒ合金组织 Ｎｉ． 合金中含有Ｎｉ，Ｃｒ，Ｂ和ｓｉ等元素，随着离金 刚石距离的增加和钎焊时间的变化，Ｃ元素溶解和活 图３金刚石及钎缝中的碳化物 性元素Ｃｒ扩散后形成的浓度梯度发生变化，因此液态 钎料在凝固过程中形成各种化合物生成的组织比较复 杂。对钎焊后金刚石附近的钎缝表面放大观察，如图６ 垂直钎焊层截取试样做扫描电镜观察，结果如图４ 所示，从左至右依次为金刚石、碳化物、钎料和钢基体。 金刚石和钎料之间形成过渡层，过渡层以金刚石为核 所示，可以看出，钎缝中生成了较多的碳化物，成柱状 交叉在一起，其截面为六边形，直径达到３～５ ｍ，结合 心进行异质行核形成针状碳化物，碳化物的含量从金 刚石表面到钎缝中随着离金刚石距离的增加而减少。 钎缝层中分布有片状碳化物，这可能是钎料中本身含 有一定的Ｃ元素，与活性元素形成碳化物。钎料和钢 文献［３］和［５］，可以判断就是金刚石近表面的碳化物 Ｃｒ７Ｃ，。这说明金刚石和钎料之间形成了化学冶金结 合，这些碳化物不仅可以提高金刚石和钎料之间的结 合强度，而且还可以缓和金刚石和钎料之间由于热膨 胀系数不同而引起的残余应力。对钎焊金刚石后较远 处钎缝的表面进行局部放大，其组织如图７所示，可以 看出，钎焊金刚石后钎缝的表面形成了复杂的组织，除 基体相外，组织中还含有小颗粒相，直径约为１ ｍ，长 度约为８ ｍ的棒状相和尺寸为１０—２０ ｍ的块状相， 钎料中生成大量碳化物。 基体之间形成平面晶，说明钎料和钢基体之间形成化 学冶金结合，具有较高的结合强度。 距金刚石较远处碳化物的三维形貌如图５所示， 可知生成的碳化物形貌比较复杂，截面成菱形或者六 边形。从图３～图５可知，用Ｎｉ．Ｃｒ合金钎焊金刚石后 钎料中生成物的形貌从金刚石表面到钎料中逐渐发生 变化，这主要是随着离金刚石距离的增加，金刚石表面 ５２ ２０１０年第９期 。 生产应用俘掳 合金钎焊金刚石断口形貌如图９所示，可以看出，Ｎｉ—Ｃｒ 合金在金刚石界面处没有随金刚石一起，而是向 金刚石表面渗透，把金刚石包裹起来，可见Ｎｉ—Ｃｒ合金 和金刚石的结合强度超过了Ｎｉ—Ｃｒ合金自身的强度。 说明Ｎｉ—Ｃｒ合金和金刚石之间形成了化学冶金结合，钎 料中形成的碳化物是Ｎｉ—ｃｒ合金和金刚石之间结合强 度较高的主要原因。 图６钎料中金刚石附近的钎缝表面组织 图９金刚石和Ｎｉ．Ｃｒ合金断口形貌 ３结 图７距金刚石较远处钎缝表面组织 论 （１）利用Ｎｉ—Ｃｒ合金钎焊金刚石，可以实现钎料和 金刚石之间牢固化学冶金结合。 ２．４钎缝的ｘ射线衍射分析 为了更好地对钎缝组织进行分析，对钎缝进行ｘ （２）利用Ｎｉ—Ｃｒ合金钎焊金刚石后，钎缝的组织比 射线衍射试验。钎焊金刚石后的钎缝的ｘ射线衍射结 果如图８所示，根据相关文献和仔细分析比较ＡＳＴＭ卡 片可知，钎料中主要生成＾ｙ—Ｎｉ、Ｃｒ： Ｃ 、Ｃｒ Ｃ３和ＣｒＢ， 这是金刚石与基体具有较高结合强度的主要原因。生 成物含量的多少主要与各种元素在钎缝中的扩散、浓 度以及在化合物形成时由最小自由能ＡＧ 大小决定 形成化合物的顺序有关。 较复杂，从金刚石表面到钎缝中生成的碳化物形貌、物 相等逐渐发生变化。 （３）利用Ｎｉ—Ｃｒ合金钎焊金刚石后，钎缝中主要生 成 一Ｎｉ、ｃｒ ｃ３、ｃｒ２３ｃ６和ＣｒＢ，这是金刚石和钢基体具 有较高结合强度的主要原因。 参考文献 ［１］ Ｃｈａｔｔｏｐａｄｈｙａｙ Ａ Ｋ，Ｃｈｏｌｌｅｔ Ｌ，Ｈｉｎｔｅｒｍａｎｎ Ｈ Ｅ．Ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍ· ａｌｉｃｅ ｏｆ ｂｒａｚｅｄ ｂｏｎｄｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｄｉａｍｏｎｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｆｔｏｈｅ ＣＩＲＰ，１９９１，４０（１）：３４７—３５０． ［２］武志斌，徐鸿钧，姚正军，等．钎焊单层金刚石砂轮的现存 臣 趟 瞪 问题及其对策［Ｊ］．焊接学报，２００１，２２（３）：３８—４０． ［３］卢金斌，徐九华，徐鸿钧，等．Ｎｉ—ｃｒ合金真空钎焊金刚石 界面反应的热力学与动力学分析［Ｊ］．焊接学报，２００４，２５ （１）：２１—２４． ［４］ 王秦生．超硬材料及制品［Ｍ］．郑州：郑州大学出版社， 衍射角２８（。） ． ［５］ 卢金斌，席艳君，王志新．Ｎｉ－ｃｒ合金真空钎焊金刚石的碳 图８ Ｘ射线衍射结果 化物生长及位向关系［Ｊ］．中国有色金属学报，２０１０，２０ （１）：１３７—１４２． ２．５ Ｎｉ－ｃｒ合金钎焊金刚石的断口分析 Ｍ—Ｃｒ合金钎焊金刚石后，用砂轮除去金刚石四周 的钎料，沿界面加剪切应力，使试样分成两部分。Ｎｉ．Ｃｒ 作者简介： 孟普，１９８５年出生，硕士研究生，主要从事钎焊 单层金刚石工具研发。 ２０１０年第９期 ５３
