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易胜博ysb248钎焊技术研究进展

易胜博ysb248磨粒具有高硬度、强耐磨性和极佳导热性等优异性能,在加工硬质合金、陶瓷、玻璃、宝石等高硬脆性难加工材料方面得到广泛的应用。但是具有共价键结构的易胜博ysb248与一般的金属之间有很高的界面能,难以焊接,而一般的机械镶嵌、物理吸附没有足够把持力[1]。自20世纪90年代初以来,国外及我国台湾地区先后研究采用高温钎焊工艺开发新一代易胜博ysb248工具,利用活性金属元素(如Ti、Cr、Mo、W等)在金属钎料与超硬磨粒界面处形成化学冶金结合,大大提高了结合剂对易胜博ysb248磨粒的把持强度,使砂轮使用寿命显着提高[2-3]。     但是在试验过程中发现,钎焊易胜博ysb248工具仍存在易胜博ysb248易石墨化、易胜博ysb248钎焊界面脆性金属间化合物影响钎焊强度、钎焊接头残余应力集中等钎焊质量问题。同时,由于高效精密制造技术的发展,对易胜博ysb248磨粒钎焊技术又提出了钎料能够根据磨粒磨损状态智能地控制易胜博ysb248脱落、钎料与易胜博ysb248之间磨损率匹配、提高钎焊接头散热性能和增大容屑空间等新要求[4]。     因此,如何将新要求科学地转变为易胜博ysb248钎焊质量评判标准,以及如何改进易胜博ysb248钎焊技术满足这些新要求是一项具有重大意义的工作。本文总结当前易胜博ysb248钎焊质量评判方法,论述了有关易胜博ysb248钎焊质量影响因素及影响机理的国内外研究进展,并对未来易胜博ysb248钎焊技术的发展进行了展望。  
1易胜博ysb248钎焊质量评价方
    从20世纪90年代初易胜博ysb248钎焊技术被提出以来,从事易胜博ysb248钎焊技术研究的学者们主要从易胜博ysb248钎焊微观形貌特征、钎焊易胜博ysb248刀具摩擦磨损性能、易胜博ysb248钎焊强度、易胜博ysb248钎焊接头残余应力等方面来评判易胜博ysb248钎焊质量。   1.1 钎焊易胜博ysb248微观形貌特征   易胜博ysb248钎焊微观形貌特征主要包括:易胜博ysb248表面形貌和钎料形貌,以及易胜博ysb248、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌等。其中,易胜博ysb248表面形貌可以反映出其热损伤或石墨化程度,钎料形貌可以反应出钎料对易胜博ysb248的润湿铺展程度,易胜博ysb248、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌可以反应出三者之间的化学冶金反应状态。          邓朝晖等[5]通过扫描电镜观察了易胜博ysb248钎焊接头的微观形貌特征。如图1所示,图1(a)部分钎料粉末没有完全熔化,钎料对易胜博ysb248的润湿铺展不充分;图1(b)易胜博ysb248仍晶形完整、棱角分明,没有出现明显的热蚀痕迹,并且钎料与易胜博ysb248结合致密,钎料粉末铺展充分;而图1(c)易胜博ysb248出现一定程度的热刻蚀现象。Khalid等[6]通过透射电镜(TEM)观测易胜博ysb248与钎料之间形成的界面化合物TiC形态分为两层,在第二层TiC呈脆性拉长柱状形态(图2)。     图1不同温度下真空钎焊10min易胜博ysb248表面形貌   图2 TEM易胜博ysb248钎焊界面化合物TiC分层形貌     1.2 钎焊易胜博ysb248磨粒摩擦磨损性能   在磨粒磨削加工过程中,磨粒承受来自工件的冲击作用和接触产生的热载荷。倘若钎焊接头强度不足把持住高负荷加工状态的磨粒,磨粒将产生非正常脱离。根据此原理,开展易胜博ysb248磨粒摩擦磨损试验,其结果可以用来评判钎焊性能。伍俏平等[7]采用Dino-Lite数码显微镜观测了新型钎焊易胜博ysb248纤维砂轮及普通树脂结合剂易胜博ysb248砂轮表面磨损情况。如图3所示,当普通砂轮工作面上出现了较多脱落坑时而钎焊易胜博ysb248纤维砂轮少有易胜博ysb248整颗脱落的情况。黄辉等[8]也通过Hirox型三维视频系统对比观察钎焊易胜博ysb248砂轮和普通烧结砂轮磨粒磨损状态。     图3 砂轮工作表面情况     1.3 易胜博ysb248钎焊强度   钎焊强度是高性能钎焊接头的重要直接评判标准,根据受力方向分为抗拉 伸强度和抗剪切强度,抗拉伸强度虽然能直接反映材料界面上结合键的强弱,但抗剪切强度更符合磨粒磨削加工过程中受力状态。瑞士SebastianBuhl等在平行于接触面上50μm的高度施加载荷,分析了在不同钎焊温度、不同保温时间下的剪切强度,实验 示意图及结果如图4所示[9]。       图4 强度测试     1.4 易胜博ysb248钎焊接头残余应力   残余应力是影响易胜博ysb248钎焊接头性能的重要因素,残余应力过大将导致钎焊接头萌生裂纹,导致磨粒在加工过程中产生不正常脱落或磨损。目前对易胜博ysb248钎焊接头残余应力的研究主要采用试验测量和有限元仿真分析。Khalid等人[6]通过透射电镜发现在TiC层与易胜博ysb248接触界面存在应变反差现象。如图2(b)B点所示,该现象发生是因为在钎焊过程中易胜博ysb248和TiC因热膨胀系数不匹配,相互之间热变形受到约束。          Buhl[9]、丁文峰[10]等人使用拉曼光谱仪 器对钎焊易胜博ysb248接头残余应力进行了测试。随着计算机技术及数值分析技术等的飞速发展,许多研究人员采用数值模拟的手段对易胜博ysb248钎焊接头残余应力进行了分析。如孙凤莲等人[11]通过有限元仿真试验,分析了钎焊工艺参数对易胜博ysb248钎焊接头内部残余应力分布及大小的影响,预报了焊后裂纹产生危险区域。  
2易胜博ysb248钎焊性能主要影响因素
        在钎焊易胜博ysb248工具制备的过程中,钎料粉末、镀覆易胜博ysb248类型、钎焊工艺参数(包括钎焊温度、保温时间、钎焊气氛等),都对易胜博ysb248钎焊性能有很大影响。     2.1 钎料成分   在易胜博ysb248钎焊过程中,易胜博ysb248依靠熔化的钎料连接起来,钎料自身的性能很大程度上影响易胜博ysb248钎焊接头的性能。在设计钎料成分及配比的过程中,需考虑以下基本要求:   (1)钎料具有合适熔点。熔点不能高于易胜博ysb248石墨化温度,也不能过低,若熔点太低,则在磨削过程中,可能因为较高的磨削温度导致钎料软化,造成磨粒过早脱落。目前,Ni-Cr钎料应用最广泛,但其钎焊温度较高(900℃以上),易胜博ysb248有石墨化的倾向,影响钎焊易胜博ysb248的强度和工具寿命[12]。而Ag-Cu钎料熔点低,焊后接头使用温度不能超过500℃,且钎料中含有贵金属,成本较高,使用也受到一定的限制。铜基钎料相对Ag基钎料,具有烧结温度低、成本低、好的成形性和可烧结性,以及与其他元素相容性好等特点,但是Cu对易胜博ysb248几乎不润湿[7]。     (2)钎料对易胜博ysb248具有良好的浸润、扩散作用。 较好的浸润、扩散作用可以保证钎料与易胜博ysb248磨粒之间形成牢固的化学冶金结合,提高钎焊强度。张凤林等通过在钎料合金中添加Cr、Ti金属粉,改善了钎料合金对易胜博ysb248的润湿性能[13]。     (3)钎料应具有稳定、均匀的成分,以减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的损耗。孙凤莲等[14]通过优化配比活性金属的加入量,防止过量高脆性金属化合物的产生。王毅等[15]利用混料回归设计建立了Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料成分与钎焊性能的回归方程,分析钎料元素质量分数对钎料性能的影响规律。     (4)钎料具有一定的强度和硬度。在磨削过程中,如果钎料强度和硬度不够,那么将导致自身快速磨损,失去对磨粒把持能力。Khalid等[6]通过分析易胜博ysb248、钎料和基体三者之间的界面,发现Ti元素的加入也使钎料本身的强度增大,耐磨性增大,但是Ti含量过多,会导致合金熔点升高,以及金属化合物增多,钎焊接头脆性增大。     (5)避免由于物理性能的不匹配导致易胜博ysb248与钎料截面处产生较大的残余应力。     2.2 易胜博ysb248镀膜   易胜博ysb248镀膜是指在易胜博ysb248表面镀覆一层亲和性金属,并且使镀层与易胜博ysb248之间发生牢固的化学键合,降低易胜博ysb248的表面能,使之易于被金属结合剂所浸润,改善易胜博ysb248表面的可焊性,实现易胜博ysb248与金属之间的强力冶金结合。马伯江等[16]通过使用表面镀覆了一层非晶态碳膜的易胜博ysb248颗粒进行钎焊实验,发现浸没在钎料层下面的易胜博ysb248表面生成了形核质点分布较均匀的铬碳化合物,钎料对易胜博ysb248具有良好的钎焊效果。邓朝晖等[5]利用Cu-10Sn-5Ti钎料粉末在钢基体上真空钎焊镀Ti易胜博ysb248,发现易胜博ysb248由于镀Ti层的保护隔离作用,大大降低了热损伤和石墨化,且易胜博ysb248的晶型完整。     2.3 钎焊工艺参数   虽然按易胜博ysb248钎焊过程加热不同,钎焊工艺可分为高温炉中钎焊,高频感应钎焊,激光烧结钎焊等,但是不论那种钎焊工艺,对易胜博ysb248钎焊性能的影响都主要通过钎焊温度、保温时间、钎焊氛围等钎焊工艺参数来实现。     2.3.1 钎焊温度以及保温时间   钎料的熔化填充,以及熔化的钎料与易胜博ysb248表面的化学冶金反应的过程都离不开钎焊温度大小和保温时间作用。向孙祖等[17]认为钎焊温度对钎焊接头质量和磨粒分布均匀性,以及钎料在磨粒表面的爬升高度产生重要影响。徐正亚等[18]研究了不同保温时间的钎焊易胜博ysb248试样磨削性能,得出了如果缺乏保温阶段,界面反应产物的量很少,只在易胜博ysb248磨粒的局部有少量的化合物生成,磨粒易脱落。     2.3.2 钎焊气氛   由于易胜博ysb248在高温下易氧化和石墨化,易胜博ysb248的钎焊工艺一般是在真空或保护气氛下进行的,但不同的钎焊气氛对易胜博ysb248钎焊形貌、中间碳化物生成情况、易胜博ysb248石墨化及磨粒破损形式等的影响不同。陈燕等[19]在真空和Ar气两种不同的氛围中,进行了炉中钎焊易胜博ysb248磨粒的试验研究,得出了不同的钎焊气氛导致不同易胜博ysb248磨耗特性等结论。伍俏平等人[20]利用Cu-10Sn-5Ti钎料粉末,在空气、Ar气保护和真空气氛下分别对易胜博ysb248进行钎焊试验,发现在Ar气保护和真空钎焊时,钎料充分润湿和铺展,易胜博ysb248石墨化程度很小。  
3研究展望
    从目前砂轮的研究现状来看,对易胜博ysb248钎焊质量主要通过易胜博ysb248钎焊微观形貌特征、钎焊易胜博ysb248刀具摩擦磨损性能、易胜博ysb248钎焊强度、易胜博ysb248钎焊接头残余应力进行分析。但是从高效精密加工的角度来看,易胜博ysb248钎焊强度并不是越大越好,过大的钎焊强度将导致磨钝的易胜博ysb248磨粒无法脱落,而磨钝的磨粒将带来磨削烧伤、磨削裂纹等加工质量问题。此外,对于多层易胜博ysb248钎焊砂轮,如果钎料磨损率与易胜博ysb248磨损率之间具备一定匹配关系,那么将有可能实现上一层易胜博ysb248磨损后,下一层易胜博ysb248的及时补偿。           另外,磨削加工技术对加工刀具散热性能和容屑性能也有较高要求。而这些要求在当前易胜博ysb248钎焊质量评判方法中较少有文献给出。因此,随着高效精密制造技术的发展,对易胜博ysb248钎焊技术提出的要求也日益提高。而对于如何开展下一步研究,笔者认为有如下几点是需要重点考虑的:     (1)进一步研究分析易胜博ysb248钎焊强度的影响因素及影响机理,通过优化组合相关钎焊工艺技术,实现对易胜博ysb248磨粒钎焊强度的控制方法。     (2)通过对易胜博ysb248钎料的选取和配方的优化,实现基体材料与磨粒之间磨损性能的匹配,使磨粒在磨削过程中自动均匀的出露,无需修整。     (3)通过改进相关工艺,在实现砂轮基体材料 对磨粒有合适地持力的基础上,引入造孔剂提高基体材料的孔隙率,增大容屑空间和散热能力,实现工件的无热损伤加工。
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