钎焊金刚石线锯的制备方法及性能.pdf

堡切圜 钎焊金刚石线锯的制备方法及性能 张国青k 2 黄辉1 徐西鹏1 ( 1 华侨大学硬脆材料加工技术教育部工程研究中心，厦门3 6 1 0 2 1 ； 2 池州学院机械与电子工程系，池州2 4 7 0 0 0 ) 摘要：选用直径为0 2m m 的6 5 M n 弹簧钢丝作为线锯基体，采用真空炉中钎焊( 以镍基合金 粉为钎料) 和管式炉中氲气保护钎焊( 以银铜钛合金粉为钎料) 的方法制备金刚石线锯，对比研究了 两种线锯的表面形貌、基体显微组织、力学性能和疲劳性能。结果表明：采用银铜钛合金粉为钎料 制备的金刚石线锯性能更优，其抗拉强度为11 3 2M P a ，伸长率为3 2 7 ，疲劳寿命为1 2h ，基体组 织为回火索氏体。 关键词：钎焊金刚石；线锯；钎料；性能 中图分类号：T G 4 4文献标志码：A文章编号：1 0 0 0 - 3 7 3 8 ( 2 0 1 5 ) 0 5 - 0 0 7 7 - 0 4 P r e p a r a t i o nM e t h o t i sa n dP e r f o m a l i c eo fB r a z e dD i a m o n dW i r eS a w s Z H A N G 咖埘”，H U A N G H l l l l ，X UX i - p e n 9 1 ( 1 M O EE i n g e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rB r i t t l eM a t e r i a l sM a c h i n i n g ，H u a q h oU n i v e r s i t y ，X i a m e n3 6 1 0 2 1 ，C h i n a ； 2 M e c h a n i c a la n dE l e c t f i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n t ，C h i z h o uC o l l e g e ，C h i z h o u2 4 7 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：S p r i n gs t e e l6 5 M nw i r ew i t ht h ed i a m e t e ro f0 2m l T lw a ss e l e c t e da st h ew i r es a wm a t r i x T h e b r a z e dd i a m o n dw i r es a w sw e r ep m p a r e db yb r a z i n gp r o c e s si nav a c u u mf u r n a c eu s i n gn i c k e l - b a s e da l l o yp o w d e r s o l d e ra n di nat u b ef u r n a c eu s i n gA C u - T ia l l o yp o w d e rs o l d e r T h e i rs u r f a c em o r p h o l o g y ，m a t r i xm i c m s t m c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a t i g u ep r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e dc o m p a r a t i v e l y T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i a m o n d w i r es a wp r e p a r e du s i n gA g _ C l 卜T ia l l o yp o w d e ra ss o l d e rh a db e t t e rp r o p e r t i e s ，w h o s et e n s i l es t r e n g t hw a s 11 3 2M P a ，e l o n g a t i o nw a s3 2 7 ，f a t i g u el i f ew a s1 2h ，a n dm a t r i xm i c r o s t r u c t u r ew a st e m p e r i n gs o r b i t e K e yw o r d s ：b r a z i n gd i a m o n d ；w i r es a w ；s o l d e r ；p e r f o r m a n c e 0 引言 依据磨粒的工作方式，金刚石线锯可以分为游 离磨粒线锯和固结磨料线锯两种。与游离磨料金刚 石线锯相比，固结磨料线锯具有切缝窄、线速度高、 工件表面切割质量好、线锯工作寿命长等优点 1 。 目前在实际加工领域应用的固结磨料线锯主要有树 脂结合剂金刚石线锯 2 - 3 1 和电镀金刚石线锯 4 _ 6 ， 两者都是通过机械镶嵌的方式将金刚石磨粒固定在 线锯基体上，因此磨粒与基体之间的结合强度低，切 割过程中金刚石磨粒很容易发生脱落，脱落的金刚 收稿日期：2 0 1 4 - 0 2 - 2 4 ；修订日期：2 0 1 4 1 2 1 8 基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目( 5 1 0 0 5 0 2 6 ) ；安徽省 优秀青年人才项目( 2 0 1 1 S Q R L l 6 3 ) 作者简介：张国青( 1 9 7 7 一) ，男，安徽桐城人，副教授，博士研究生。 导师：徐西鹏教授 石磨粒进入切割加工区域，对基体和工件表面产生 机械滚压和刻划作用，势必会降低线锯的使用寿命 和工件的切割表面质量。钎焊金刚石固结磨料线锯 是近几年研制的一种新型周结磨料线锯，其基本原 理是利用钎焊技术，在钢丝基体表面高温焊接单层 金刚石颗粒，以实现金刚石磨粒与钎料层之间牢固 的化学键合 7 一。与树膳缝合剂固结磨料线锯和电 镀金刚石固结磨料线锯攒逝；钎焊金刚石线锯具有 以下优势：金刚石磨粒与线锯轩料层的结合强度高， 金刚石露出充分，容属蜜藏表沏割过程中线锯不易 堵塞，切割效率高i 线锯寨惫长；线锯使用切割过程 中的切割力小，功率低，切割温度低，工件切割表面 质量高 9 。目前，虽然学者们 1 0 - n 尝试利用不同钎 焊加热方法和合金粉体钎料制备金刚石线锯，实现 了金刚石磨粒与钢丝基体之间的牢固连接，但是没 有从根本上解决高温加热过程中钢丝基体的热损伤 万方数据 Q 盔四 问题，也没有揭示钎焊加热过程中各参数对线锯力 学性能和显微组织的影响机制，制备的线锯要实现 实际加工应用还有很长的一段探索过程。 为解决此问题，作者利用两种不同的钎焊工艺 方案，制备了钎焊金刚石固结磨料线锯，检测了线锯 的力学性能，观察线锯的宏观形貌和显微组织，并在 线锯切割机上进行实际运转疲劳试验，比较了不同 钎焊加热方式和不同钎料制备金刚石线锯性能的优 劣，力图揭示钎焊各参数对线锯力学性能的影响，为 实现钎焊金刚石固结磨料线锯的实际切割应用奠定 基础。 1 试样制备与试验方法 1 1 试样制备 所用钎料为高熔点的镍基合金粉体钎料和低熔 点的银一铜一钛合金粉体钎料；线锯基体选用6 5 M n 弹簧钢丝，直径0 2m m ；金刚石磨粒选用P D A 9 8 9 金刚石，平均粒径4 5 “m 。分别在Q H L 8 5 0 型真空 钎焊炉中及S K - G 0 6 1 4 3 3 型管式加热炉中加热进 行钎焊，两种钎焊工艺路线如下所示。 工艺一：采用加热时间长的Q H L 8 5 0 型真空钎 焊炉进行电阻加热钎焊，配以高熔点的镍基合金粉 为钎料，其主要化学成分( 质量分数，下同) 为7 2 N i ，1 0 C r ，余( B 、S i ) 。先去除钢丝基体表面的油 污，烘干后在钢丝基体上涂覆钎料，种金刚石磨粒， 烘干；然后将钢丝置于真空炉腔体内，机械泵抽真空 至1 0 0 P a ；开始加热，离子泵抽真空；温度达到预 定值10 2 0 后保温1 5m i n ；停止加热，随炉冷却， 制备得到的线锯记为线锯1 。 工艺二：采用加热时间短的S K - G 0 6 1 4 3 - 3 型管 式炉进行加热钎焊，配以低熔点的银一铜一钛合金粉 为钎料，其主要化学成分为6 8 8 A g ，2 6 2 C u ， a ) 局部形貌 5 T i 。先去除钢丝基体表面的油污，烘干后在钢丝 基体上涂覆钎料，种金刚石磨粒，烘干；管式炉开始 加热，达到预定值8 5 0 后通人氩气1 5m i n ；钢丝 人炉，通过控制钢丝走速来控制钢丝钎焊加热时间； 钢丝出炉，并将该线锯记为线锯2 。此工艺方法的 优点在于钢丝无须随炉一起加热，而是等炉温达到 预定值后，钢丝再入炉，实现了类似于高频感应快速 钎焊之目的。 1 2 试验方法 线锯的拉伸性能测试在岛津E Z - L X 型台式试 验机上，按照G B T2 2 8 2 0 0 2 金属材料室温拉伸 试验方法进行，线锯试样标准间距为1 0 0m m ，每 组1 0 根，取其平均值；线锯的抗弯性能在自制的设 备上进行，每组1 0 根，以每根钢丝或线锯断裂前的 9 0 。弯折次数来表示其抗弯性能，取1 0 根的平均值； 线锯的疲劳性能测试在、S T X - 2 0 2 型金刚石线锯切 割机上进行，分别截取2 0I n 的钢丝、线锯1 和线锯 2 ，无载荷运转，以钢丝或线锯断裂前的实际运转时 间为其疲劳寿命，取1 0 次的平均值：在V H X - 1 0 0 0 型基恩士三维形貌光学显微镜上观察线锯的表面形 貌；在O L Y M P U SG X 51 型倒置式数码光学显微镜 上观察线锯的显微组织。 2 试验结果与讨论 2 1 表面形貌和结合面形貌 线锯1 的直径为0 3 0m m ，极差为0 0 1 7m m ； 线锯2 的直径为0 3 0m m ，极差为0 0 1 5m m 。由 图1 可见，线锯1 的钎料层铺展均匀，钎料融化充 分，金刚石磨粒周围的钎料有明显的爬升现象，磨粒 出露高度高。由图2 可见，线锯2 的钎料融化充分， 但钎料层在钢丝基体表面的铺展流动性和均匀性较 差，经常会出现断续的钎料层；单颗金刚石磨粒和钎 b )单颗磨粒形貌 图1 线锯1 的表面形貌 F i g 1 S u r f a c em o r p h o l o g yo fw i r es a w1 ：( a ) l o c a lm o r p h o l o g 了a n d ( b ) s i n g l eg r i tm o r p h o l o g y 万方数据 塑篁M A l T E 翻R I A Z L S 夏F O 互R 虿M E 四C H A N I C A LE N G I N E E R I N G 堂圉盍：釜；堑竖全旦歪垡堡丝型垒查鲞盈壁丝 ( a )局部形貌( 1 ，)单颗磨粒形貌 图2 线锯2 的表面形貌 F i g 2 S u r f a c em o r p h o l o g yo fw i r es a w2 ：( a ) l o c a lm o r p h o l o g ya n d ( b ) s i n g l eg r i tm o r p h o l o g y 料浸润良好，磨粒周围的钎料爬升显著，磨粒出露高 度高。 从图3 中可以看出，线锯1 中的钎料和基体间 出现了白色丝状组织，而且丝状组织已经渗入至基 a ) 线锯1 体内部，提高了基体与钎料层的结合强度；线锯2 中 的钎料和基体之间的结合部界限清晰，没有相互渗 透现象，说明铜基合金钎料与基体之间的结合力较 弱，钎料层和基体之间主要是以分子力结合，没有产 b ) 线锯2 图3 线锯中钎料层与基体结合部位的形貌 F i g 3M o r p h