银基钎料含量对金刚石刀头性能的影响

2017-04-20王艳芳牛超

机械制造文摘·焊接分册 2016年4期

关键词：性能

王艳芳+牛超

摘要：利用试验的方法测定不同含量的银基钎料（FAgCuZnCdSn）在不同的烧结温度下，对金刚石刀头硬度、抗弯强度和刀头微观组织等性能的影响。结果表明：添加FAgCuZnCdSn可提高刀头的硬度和抗弯强度，刀头微观金相组织也变得更加均匀。同时热压烧结温度对刀头性能也有很大的影响，提高烧结温度可使刀头的合金化程度提高，硬度和抗弯强度提高。综合考虑，添加FAgCuZnCdSn为12%（质量分数），烧结温度为780 ℃最佳。

关键词：银基钎料；热压烧结；性能

中图分类号： TG425

Abstract： In this paper， the test method for determining the different levels of silverbased solder （FAgCuZnCdSn）， the different sintering temperature effected on the diamond blade hardness， bending strength and heads microstructure and other properties. The results showed that： adding FAgCuZnCdSn can increase the hardness and bending strength of the tip， the tip microscopic crystal phase structures had become more uniform. At the same time， pressing the sintering temperature also had a great impact on the head performance， increasing the sintering temperature can increase the degree of alloying tip， hardness and bending strength.Taken together， adding FAgCuZnCdSn mass fraction of 12%， the sintering temperature of 780 °C was best.

Key words： silverbased solder； pressing sintering； performance

0前言

釬焊作为现代焊接技术的三大主要组成部分之一，是现代工业中重要的制造技术。近几年来，信息技术、航空航天技术以及家电工业的发展，钎焊技术起到越来越重要的作用[1]。材料进行钎焊连接时，采用熔点比母材熔点低的填充材料（钎料），将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔化的温度（使母材仍保持为固态），利用液态钎料的润湿作用填充间隙，与母材相互扩散实现与被焊工件连接。

金刚石刀头的使用寿命很大程度上取决于金刚石和胎体材料的结合强度，而钎料可以用来提高其结合强度，进而提高刀头使用寿命。因此可以通过添加不同含量的粉状钎料和烧结剂进行热压烧结，测定烧结后的刀头的力学性能，并从试验结果中找出性能优良的组合，以提高金刚石刀头的性能。

1试验方法

1.1试验材料

选择的粉状钎料是FAg737，其成分是Ag、Cu、Zn、Cd、Sn元素，用震动筛筛分出80目、120目、200目、300目、400目的粉状钎料并装入试样袋，试验选用300目的钎料。

1.2试验方法与过程

烧结温度的选择有700、740、780、820 ℃四种，保温时间为3 min，烧结气氛为真空烧结[2]。

热压烧结过程：

（1）取称量好的粉状钎料和烧结剂，装入模具，一个模具内装入8～11g，并用夹具加紧。

（2）打开水循环系统，开启压缩机，再打开脉冲控制开关，然后打开主电源控制开关，设置参数（包括压力，温度）。

（3）粉末放在模具中预压成形，然后放到真空室中，启动液压泵，压制到位后关上真空室的门。

（4）启动机械泵，然后再启动上碟阀，待真空计上显示真空度小于5 MPa时启动程序。待程序结束真空室里面的温度与室温接近时关掉上碟阀，打开放气阀，打开真空室门，将液压泵指针返回，取出烧结试样。如图1所示。

图1烧结模具及烧结试样将烧结后的刀头用由粗到细的砂纸进行打磨，使刀头表面平整光洁，进行硬度、抗弯强度等力学性能测试，并记录数据。

1.3刀头金相组织观察

刀头性能测试完毕后，每组取出一个刀头，利用金相镶嵌机镶嵌金相试样，再利用砂带机将需要磨金相的端面磨平整，然后用砂纸磨金相。磨完金相后，用抛光机抛光，然后在金相显微镜下观察并拍照。

2结果与讨论

2.1银基钎料（FAgCuZnCdSn）含量对刀头硬度和抗弯强度的影响

不同含量钎料的刀头力学性能测试结果如表1所示，将试验数据用计算机拟合后，得到刀头力学性能和FAgCuZnCdSn含量之间的关系曲线，如图2，图3所示。

由表1和图2a所示，烧结剂本身的硬度为80 HRB。随着FAgCuZnCdSn加入量的增多，粉末合金化程度逐渐提高，刀头孔隙尺寸开始减小，刀头硬度呈现上升趋势。对同一种材料，孔隙率越低，硬度越高[3]。当FAgCuZnCdSn含量为12%时，达到了刀头的较好硬度要求，为88 HRB。FAgCuZnCdSn含量为16% 时，硬度为96HRB，但是过高的刀头硬度，可能会影响刀头切割时的锋利度。

由表1和图2b所示，未加入FAgCuZnCdSn的刀头抗弯强度为600 MPa，随着FAgCuZnCdSn含量的增加，刀头的抗弯强度也明显提高，最高可达700 MPa。当FAgCuZnCdSn含量达到12%时，刀头的抗弯强度达到最高，继续增加FAgCuZnCdSn的含量，刀头的抗弯强度会急剧下降。分析认为FAgCuZnCdSn的增加可有效提高刀头强度的原因是：试验采用的FAgCuZnCdSn具有比烧结剂高的硬度，而硬度与材料的强度有一定的关系，适当增加硬度会提高材料的强度。同时由于FAgCuZnCdSn孔隙率的减小使得孔隙率对材料基体的割裂作用降低，相应的材料中的微观缺陷也就越少，从而使得其抗弯强度提高。因此适当添加FAgCuZnCdSn的刀头具有较高的强度。但是FAgCuZnCdSn的含量增加过多时，刀头硬度增加过大，这会使得刀头的脆性增加，强度降低。

2.2FAgCuZnCdSn含量对刀头显微组织的影响

同一烧结温度下添加不同含量FAgCuZnCdSn烧结刀头微观组织如图3所示。

不同含量的刀头金相组织加入FAgCuZnCdSn能使刀头合金化，使得刀头合金成分均匀化，碳化物偏析得到抑制，刀头耐磨性增强[4]。从图3可以看出，随着FAgCuZnCdSn含量的增多，孔隙明显减少，孔隙率逐渐降低，刀头组织变得更加均匀。

2.3烧结温度对刀头硬度和抗弯强度的影响

由表2和图4a可以看出，随着烧结温度的提高，刀头的硬度逐渐增大。这是由于随着烧结温度的提高和保温时间的延长，刀头的孔隙减少，致密度得到提高。当温度升高到780 ℃时，硬度上升幅度平缓，主要因为晶粒逐渐长大，导致材料的固溶强化和细晶强化效果不明显。

将上面的数据用计算机拟合后，可得到刀头硬度与烧结温度的关系曲线，如图4所示。

图4烧结温度与刀头力学性能的关系由表2和图4b可以看出，随着烧结温度的提高，抗弯强度总体上呈上升趋势，但是当温度超过某一范围后抗弯强度开始下降，这说明随着扩散的进行，晶粒开始长大，导致致密度下降，抗弯性能随之较低。

3结论

（1）添加FAgCuZnCdSn可明显提高刀头的硬度，并且随着其含量的增加，硬度呈上升趋势；但考虑到刀头硬度过高会影响其切削时的锋利度，因此以添加钎料质量分数为12%时最佳。

（2）FAgCuZnCdSn对刀头的抗弯强度有很大影响，随着其含量的增加，刀头抗弯强度明显提高，但是当钎料含量超过某一范围时，刀头抗弯强度又明显下降，因此以添加钎料質量分数为12%时最佳。

（3）随着FAgCuZnCdSn含量的增加，刀头孔隙率明显减小，刀头组织变得更加均匀。

（4）适当提高烧结温度，可以使刀头的合金化程度提高，硬度和抗弯强度有所增加。但是烧结温度过高会导致晶粒长大，对刀头的性能不利。