金刚石工具的主要特点如下:工作过程钎缝受力状态以交变剪切应力为主,并且钎缝区温度场不稳定;部分产品使用寿命长,要求钎缝抗疲劳能力强;部分产品工作温度高,要求钎缝耐热。
根据上述特点和要求,钎焊金刚石工具常用的钎料有4大类:①银钎料,通用性最强,几乎可以用于所有的金刚石工具。②镍基钎料,主要用于单层金刚石工具的真空钎焊。③软钎料,主要用于珩磨模具。④铜基钎料,主要用于高温下工作工具的高频感应钎焊、激光钎焊和石油钻头的浸渍钎焊。
银钎料应该满足下列条件:①钎料熔化温度不高于850℃,以600~750℃最好;②钎料塑性好、耐冲击;③抗高温蠕变能力强;④铺展性适中,适宜通用的感应钎焊、火焰钎焊、电阻钎焊、炉中钎焊或浸渍钎焊;⑤对以Fe或Cu为主的粉末冶金材料、PCD、合金钢和硬质合金的润湿性好;⑥性能稳定可靠性高;⑦对于家用电器和电动工具,还必须符合RoHS要求。
20世纪80年代之前,由于没有完全满足上述要求的理想钎料,金刚石工具行业主要使用BAg50CuZn(HL304)、BAg45CuZn(HL303)、BAg40CuZnCdNi(HL312)钎料。上述钎料成本较高,影响金刚石工具行业的效益。针对上述特点,唐福庆等对常用的银钎料进行分析和选择,确定在含银量40%~50%(质量分数)的银钎料基础上调低银含量,并添加其他元素以改善钎料性能。
根据每种元素的性能和相互作用,可添加的元素有Cu、Zn、Cd、Co、Ni、Mn、Si、Sn、In、B、Ti和RE等。这些元素的主要作用如下:
1)Cu:能固溶多种元素形成α固溶体,导热性好,钎焊性优良,适合各种钎焊工艺。
2)Zn、Cd:在Cu-Ag合金中的固溶度较大,能大幅度降低Cu-Ag合金的熔点,改善Cu-Ag合金的流动性和润湿性。在钎焊时可以降低进入钎缝中的气体量,但其总和超过40%以后,钎料塑性急剧下降。另外,含Zn、Cd的钎料不能用于真空钎焊。
3)Co、Ni:Co可以明显地提高钎料的高温强度,对PCD的润湿性好,能改善钎缝塑性;Ni可以通过增加润湿面积的途径提高连接强度。但Co、Ni的加入,明显提高了钎料的熔化温度。(www.xing528.com)
4)Mn:在提高钎料高温强度的元素中,Mn的锌当量是负值。因此,Mn可以同时起到提高高温强度、降低钎料熔点、改善润湿性、不恶化钎料塑性和二次脱氧等综合作用。但Mn与氧的亲和性强,含Mn量高的钎料不适宜炉中钎焊和火焰钎焊。
5)Si:加入Si可以大幅度降低钎料的熔化温度,提高钎料的抗氧化能力,细化晶粒,改善铺展性和润湿性,防止Zn、Mn的蒸发。但Si几乎不溶于Ag,在Cu和Zn中的溶解度也很小,因而Si的加入会明显降低钎料的塑性。
6)Sn、In:Sn、In是常用元素中熔点最低的(Ga除外)。添加Sn、In,可以大幅度降低钎料的熔化温度,同时也可以改善流动性、增加润湿性,但这两种元素使钎料的塑性明显降低。
7)B:B的主要作用是改善钎焊工艺性,阻止钎料氧化并抑止气体向熔融钎料溶解。其加入量应控制在0.02%~0.2%之间(质量分数),否则会带来其他不利影响。
8)Ti:微量的Ti可以提高钎料对PCD的润湿性能,并减少成分偏析、细化晶粒、提高塑性和改善钎料的加工性。
9)RE:微量的RE可以防止钎焊过程中钎料的氧化,在改善钎料的润湿性的同时净化钎缝晶界,从而提高钎缝的抗疲劳性能。
经过持续不断的研究和生产实践,金刚石工具专用银基钎料日臻完善。目前市场上已经能够随意采购到银含量从2%到56%的几十个牌号的产品,而且产品形式多种多样,丝状、线状、条状、带状、片状、环状、仿扇形、粉状或膏状等等应有尽有。
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