Ni-Cr-B-Si合金预连接金刚石磨粒及其阻焊的研究.pdf
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1、 第4 4卷 第4期2 0 2 3年8月 青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 4 N o.4A u g.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 2-6 9 8 7(2 0 2 3)0 4-0 0 8 4-0 6;D O I:1 0.1 6 3 5 1/j.1 6 7 2-6 9 8 7.2 0 2 3
2、.0 4.0 1 1N i-C r-B-S i合金预连接金刚石磨粒及其阻焊的研究刘明超,王 超,高子伟,马伯江*(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛 2 6 6 0 6 1)摘 要:利用N i-C r-B-S i合金预连接金刚石,然后阻焊焊接在基体上,旨在为有序排布的金刚石工具磨粒的精确固定或焊补修复工具损毁磨粒服务。利用扫描电子显微镜(S EM)、能谱仪(E D S)、X射线衍射仪(X R D)、拉曼光谱仪对处理后的金刚石磨粒进行表征,采用磨削试验评定其磨削性能。研究表明:在1 0 5 0 保温6 0 s的预连接工艺下,金刚石表面生成C r7C3和C r3C2两种碳化物;阻焊后金刚石磨粒
3、仍然棱角分明,预连接层与基体结合良好;阻焊金刚石所受最大压应力为0.4 6 G P a,对比样钎焊金刚石所受最大压应力为0.1 3 G P a,阻焊金刚石受到的把持力更强;磨削试验显示,阻焊金刚石对加工材料的去除量高于钎焊金刚石,表现出更好的磨削性能。关键词:N i-C r-B-S i合金;金刚石;预连接;阻焊;有序排布中图分类号:T G 4 5 3.9 文献标志码:A引用格式:刘明超,王超,高子伟,等.N i-C r-B-S i合金预连接金刚石磨粒及其阻焊的研究J.青岛科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 4(4):8 4-8 9.L I U M i n g c h a o,WAN
4、G C h a o,GAO Z i w e i,e t a l.S t u d y o n p r e-b o n d i n g a n d r e s i s t a n c e w e l d-i n g o f d i a m o n d g r i t s w i t h N i-C r-B-S i a l l o yJ.J o u r n a l o f Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i
5、 o n),2 0 2 3,4 4(4):8 4-8 9.收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 1基金项目:山东省自然科学基金项目(Z R 2 0 1 7 ME E 0 7 6).作者简介:刘明超(1 9 9 8),男,硕士研究生.*通信联系人.S t u d y o n P r e-b o n d i n g a n d R e s i s t a n c e W e l d i n g o f D i a m o n d G r i t s w i t h N i-C r-B-S i A l l o yL I U M i n g c h a o,WA N G C h a o,G A O Z
6、 i w e i,MA B o j i a n g(C o l l e g e o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 0 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:D i a m o n d g r i t s w e r e p r e-b o n d e d u s i n g N i-C r-B-
7、S i a l l o y a n d t h e n t h e y w e r e w e l d e d o n t h e s u b s t r a t e b y r e s i s t a n c e w e l d i n g,w h i c h s e r v e d f o r t h e p r e c i s e f i x a t i o n o f d i a m o n d g r i t s o n d i a m o n d t o o l s w i t h o r d e r l y a r r a n g e d g r i t s o r t h e
8、r e p l a c i n g o f d a m a g e d g r i t s o f u s e d d i a-m o n d t o o l s.T h e t r e a t e d d i a m o n d g r i t s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y S EM,E D S,X R D a n d R a m a n s p e c t r o m e t e r,a n d t h e g r i n d i n g p e r f o r m a n c e w a s e v a l u a t e d b y g
9、 r i n d i n g t e s t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t w o k i n d s o f c a r b i d e s,C r7C3 a n d C r3C2,w e r e f o r m e d o n t h e s u r f a c e o f t h e d i a-m o n d g r i t s a t 1 0 5 0 f o r 6 0 s.A f t e r r e s i s t a n c e w e l d i n g,t h e d i a m o n d g r i t s w e r
10、 e s t i l l s h a r p a n d a n g u l a r,a n d t h e p r e-b o n d e d l a y e r w a s w e l l c o m b i n e d w i t h t h e s u b s t r a t e.T h e m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e s s o f d i a m o n d g r i t s w e l d e d b y r e s i s t a n c e w e l d i n g w a s 0.4 6 G P a,a n d
11、 t h a t o f b r a z e d d i a m o n d g r i t s u s e d a s c o m p a r i s o n s a m p l e s w a s 0.1 3 G P a.T h e d i a m o n d g r i t s w e l d e d b y r e s i s t a n c e w e l d i n g w a s s u b j e c t t o s t r o n g e r h o l d i n g f o r c e.T h e g r i n d i n g t e s t s i n d i c a
12、 t e d t h a t 第4期 刘明超等:N i-C r-B-S i合金预连接金刚石磨粒及其阻焊的研究t h e m a t e r i a l r e m o v a l a m o u n t u s i n g d i a m o n d g r i t s w e l d e d b y r e s i s t a n c e w e l d i n g w a s g r e a t e r t h a n t h a t o f b r a z e d d i a m o n d g r i t s.T h e d i a m o n d g r i t s w e l d
13、e d b y r e s i s t a n c e w e l d i n g s h o w e d b e t t e r g r i n d i n g p e r f o r m a n c e.K e y w o r d s:N i-C r-B-S i a l l o y;d i a m o n d;p r e-b o n d i n g;r e s i s t a n c e w e l d i n g;o r d e r e d a r r a n g e m e n t 近年来,钎焊金刚石工具把持力强、锋利、容屑空间大,在工程陶瓷、硬质合金等难加工材料的加工过程中得到广泛应
14、用。大量研究表明,磨粒随机排布的工具存在磨削温度持续升高、磨粒易损坏脱落等问题,而磨粒有序排布的工具在容屑空间、磨削温度、工件表面粗糙度等方面得到优化1-2。一些学者提出了定向排布3-4、叶序排布5等磨粒排布方式,基于运动学仿真做磨损研究6,并进而开发出点胶法7、阵列微孔吸附法8、金刚石微阵列9、激光烧蚀法1 0、掩模法1 1等制造方法。但因受磨粒定位精度差、工艺复杂等关键性难题的制约,磨粒有序排布的金刚石工具仍未进入大规模实用阶段1 2。单层钎焊金刚石工具在高效重负荷加工过程中,磨粒容易整体破碎甚至脱落,从而使工具提前报废。目前,金刚石工具的修整方式主要是整形和修锐,但这两种方式对于整体破碎
15、甚至脱落的磨粒无能为力。虽然有学者提出用激光焊1 3、电弧冷焊1 4等微域加热方式对磨粒予以焊植补充,但因其均属无压力型焊接方式,熔池震荡,磨粒难以精确固定。本工作利用具有热压固定功效的阻焊,能够实现磨粒的精确固定,将预连接后表面金属化的金刚石磨粒焊植在工具基体上,并研究了磨粒表面形貌、界面结合、应力状态和磨削性能等。1 实验部分1.1 材料及仪器人造原始金刚石颗粒(5 0 07 5 0 m),郑州中南杰特超硬材料有限公司;N i-C r-B-S i合金(5 07 5 m,N i:8 5.9%,C r:7.5%,B:3.5%,S i:3.1%,均为质量分数),郑州机械研究所;氩气(纯度9 9.
16、9 9%),烟台得一气体有限公司。小型加热炉,J C-K-2 2 0型,淄博九辰节能科技有限公司;逆变阻焊机,J Y D-0 2 L型,广州市精源电子设备有限公司;热分析仪(D S C),D Z 3 3 2 0 A型,南京大展机电技术研究所;扫描电子显微镜(S EM),J S M-6 3 0 0型,日本电子株式会社;X射线衍射 仪(X R D),D/MA X-R B型,日本理学株式会社;能谱仪(E D S),I N C A x-s i g h t型,英国牛津仪器公司;显微拉曼光谱仪(R a m a n谱),i n V i a系列,上海雷尼绍贸易有限公司;数控雕刻机,6 0 6 0-3 D型,山
17、东松立机械有限公司;精密电子天平,B S M-1 2 0.4型,上海卓精电子科技有限公司。1.2 试验工艺在陶瓷片上钻孔 1.2 mm1.2 mm,在孔内铺设一层N i-C r-B-S i合金粉末,沿轴线将金刚石置于孔中心,再铺设一层N i-C r-B-S i合金粉末将金刚石覆盖。将通有氩气的加热炉升温至1 0 5 0,将陶瓷片放入炉中保温6 0 s,随炉冷却至4 0 0 后取出,在氩气保护下冷却至室温,制作预连接磨粒。选用直径为2 3 mm,厚度为4 mm的不锈钢圆片作为基体,表面预熔涂厚约1 mm的N i-C r-B-S i合金,在距离圆片边缘2 mm处预先钻孔 1 mm0.5 mm。设定
18、阻焊机阻焊电流为0.5 5 k A,焊接时间1 5 0 m s,电极间焊接压力0.3 MP a。将预连接磨粒用砂纸打磨并用酒精清洗后吹干,放入基体预钻孔内,置于阻焊机上下电极间,制作阻焊金刚石试样。阻焊金刚石试样如图1所示。图1 阻焊金刚石试样F i g.1 A d i a m o n d s a m p l e w e l d e d b y r e s i s t a n c e w e l d i n g采用炉中钎焊制作对比试样,氩气保护下,加热炉炉温1 0 5 0 下保温6 0 s,随炉冷却至4 0 0 后取出,氩气保护下冷却至室温。1.3 理化分析采用D S C分析合金粉末的熔化过程
19、,进而确定预连接温度。设定仪器升温速度为2 0 m i n-1,最大测试温度为1 1 5 0,并通入氩气加以保护。采用S EM观察预连接金刚石及阻焊后金刚石形貌。室温下,用王水浸蚀预连接金刚石6 h,将腐蚀脱落的金刚石磨粒用酒精清洗,仍用该S EM观察其表面化合物形貌,并用X射线衍射仪(X R D)对58青 岛 科 技 大 学 学 报(自然科学版)第4 4卷其做 物 相 分 析,入 射 波 为C u靶 的K谱(K=1.5 4 0 6),扫描范围为3 1 0 0,扫描速度为5()m i n-1。采用E D S对阻焊试样界面处做线扫描,分析元素分布情况。采用显微拉曼光谱仪测定阻焊及钎焊金刚石磨粒的
20、 拉 曼 谱 峰 值,根 据 其 与 原 始 特 征 谱 峰 位 置(1 3 3 2.2 c m-1)的偏移方位分析其应力状态,并通过偏移大小计算内应力大小。1.4 磨削试验在数控雕刻机上,采用棕刚玉油石修锐阻焊金刚石磨粒。修锐深度为8 0 m,主轴单进给速度1 0 ms-1,主轴转速1 0 0 0 0 rm i n-1。取修锐后的阻焊金刚石试样、炉中钎焊金刚石试样各5个,仍在该数控雕刻机上做磨削试验,加工对象为大理石。设定主轴 转 速1 0 0 0 0 rm i n-1,进 给 速 度2 0 mmm i n-1,切削深度4 0 m。试验过程中,每隔1 4 0 s用精密电子天平称重,统计金刚石
21、对大理石的去除量。2 结果与讨论2.1 合金的特性图2为N i-C r-B-S i合金粉末的热分析(D S C)曲线。显然,存在4个明显的吸热峰。合金开始熔化温度为9 6 2.2,完全熔化温度为1 0 2 9.8,熔化区间约6 7.6。预连接温度一般取高于液相线1 52 5 为宜,故设为1 0 5 0。图2 N i-C r-B-S i合金粉末的D S C曲线F i g.2 D S C c u r v e o f N i-C r-B-S i a l l o y p o w d e r2.2 预连接磨粒的理化分析N i-C r-B-S i合金对金刚石有良好的润湿性,且合金中的C r元素为强碳化物形
22、成元素。在1 0 5 0 的预连接温度下,合金熔融,流动性强,并通过C r元素与C元素的化学冶金反应,实现对金刚石的整体润湿。冷却时,在表面张力的作用下,合金以金刚石为中心冷却收缩,形成球形,如图3(a)所示。预连接磨粒整体结合紧密,无裂纹产生。将预连接磨粒镶嵌后打磨抛光至磨粒出露,如图3(b)所示。金刚石磨粒位于中间部位,且磨粒整体完好,无损伤、破碎。预连接磨粒内部除少量气孔外,无隐性裂纹。金刚石磨粒与预连接金属界面如图3(c)所示,界面处结合良好,且能明显看到界面处棱柱状碳化物的存在。图3 预连接磨粒F i g.3 A p r e-b o n d e d g r i t C r-C化合物是
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