Ni-Fe二元系合金钎焊金刚石的研究
摘要
用Ni-Fe二元系合金作钎料，分别采用不同的钎焊温度、保温时间，成功地实现了金刚石与钢基体的钎焊连接。实验结果具有很好的重现性。用显微镜观测了金刚石在钎料上的分布情况，用扫描电镜对钎焊接头表面及其断面进行了仔细观察；X射线能谱仪给出了钎焊后金刚石与钎料中存在的元素及各元素在微区的含量分布情况。X射线衍射仪则给出了钎焊后金刚石与钎料中存在的各物质相。实验表明，钎焊时Ni-Fe合金中的Fe元素向金刚石表面扩散，并在钎料与金刚石的界面与金刚石中的碳反应生成碳化物Fe_5C_2。这是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。通过该碳化物的桥梁作用，实现了金刚石与基体的钎焊连接。从液体对固体的浸润性、溶解与扩散的理论可进一步得出，钎焊时金刚石向钎料溶解、钎料向金刚石扩散，由此形成的碳化物Fe_5C_2改善了钎料对金刚石的浸润性，提高了钎料对金刚石的可钎焊性。
在Ni-Fe合金作钎料的基础上，采用真空钎焊的方法，将钎焊金刚石样品制成钎焊金刚石磨轮；在生产现场进行了钎焊金刚石磨轮与传统磨轮的对照试验。试验结果表面，前者在磨耗比、锋利度、手持工作效果等磨削性能方面表现出比后者明显的优势，具有一定的工业应用前景。
分析了在Ni-Fe合金中加入少量活性元素Cr后，在钎焊中产生的物质相，结果表明钎料中的Cr元素优先向金刚石表面扩散并在金
Using Ni-Fe alloy as the filler metal, the brazing joining is realized successfully between diamond and the steel substrate under the conditions of different temperature and time of brazing. The repeatability of experiment results is very good. With the help of the microscope, the diamond distributions on the filler metal are observed, and the surface and section of the brazing sample are observed carefully using SEM. EDS gives the existent elements and the content distributions of element in small area after brazing. XRD gives the existent phases of substance in filler metal and diamond. The experiments show that: the element of Fe in Ni-Fe alloy diffuses to the diamond surface and reacts with C in diamond so as to form a thin layer of carbide Fe_5C_2 at the interface between diamond and the filler metal. Because of the carbide, the brazing joining is realized between diamond and the steel substrate. From the wetting theory of liquid to solid and the theory of dissolving and diffusing, we can conclude further that: diamond dissolves into the filler metal and the filler metal diffuses to diamond, which forms the carbide. The carbide ameliorates the wetting of the filler metal to diamond, promotes the brazing ability of the filler metal to diamond.
在Ni-Fe合金作钎料的基础上，采用真空钎焊的方法，将钎焊金刚石样品制成钎焊金刚石磨轮；在生产现场进行了钎焊金刚石磨轮与传统磨轮的对照试验。试验结果表面，前者在磨耗比、锋利度、手持工作效果等磨削性能方面表现出比后者明显的优势，具有一定的工业应用前景。
分析了在Ni-Fe合金中加入少量活性元素Cr后，在钎焊中产生的物质相，结果表明钎料中的Cr元素优先向金刚石表面扩散并在金
Using Ni-Fe alloy as the filler metal, the brazing joining is realized successfully between diamond and the steel substrate under the conditions of different temperature and time of brazing. The repeatability of experiment results is very good. With the help of the microscope, the diamond distributions on the filler metal are observed, and the surface and section of the brazing sample are observed carefully using SEM. EDS gives the existent elements and the content distributions of element in small area after brazing. XRD gives the existent phases of substance in filler metal and diamond. The experiments show that: the element of Fe in Ni-Fe alloy diffuses to the diamond surface and reacts with C in diamond so as to form a thin layer of carbide Fe_5C_2 at the interface between diamond and the filler metal. Because of the carbide, the brazing joining is realized between diamond and the steel substrate. From the wetting theory of liquid to solid and the theory of dissolving and diffusing, we can conclude further that: diamond dissolves into the filler metal and the filler metal diffuses to diamond, which forms the carbide. The carbide ameliorates the wetting of the filler metal to diamond, promotes the brazing ability of the filler metal to diamond.
引文
[1] 陈铮，周飞，王国凡主编，方洪渊审，材料连接原理，哈尔滨工业大学出版社，2001．
[2] 邹僖，魏月贞，焊接方法及设备，机械工业出版社，1981．
[3] 赵越，钎焊技术及应用，化学工业出版社，2004。
[4] 吴惠枝，何肇基，黎祚坚。金刚石表面金属化处理，冶金丛刊，1996．1
[5] 四川联合大学硕士学位论文，刘强，1997．6
[6] 李伯民，赵波，现代磨削技术，机械工业出版社．2003．6
[7] 傅玉灿，徐鸿钧．超硬磨料砂轮的演变与发展．金刚石与磨料磨具工程，1999，3(111)：14～19。
[8] 叶伟昌．CBN砂轮的进展．《新技术新工艺》．机械加工，2000，11：13～15。
[9] 鲍明东，杨慧，徐雪波，孟繁森．提高单层金刚石钎焊砂轮综合性能途径及分析．焊接技术，2002，31(6)：4～6。
[10] 卢金斌，徐九华，徐鸿钧，傅玉灿，姜澄宇．Ni—Cr合金真空钎焊金刚石界面反应的热力学与动力学分析．焊接学报，2004，25(1)：21～24．
[11] A.k.Chattopadhyay, L. Chollet, H. E. Hintermann. Experimental investigation on induction brazing of diamond with Ni-Cr hardfacing alloy under argon atmosphere. Journal of Materials Science, 1991 (26):5093～5100.
[12] A.Trenker, H. Seidemann. High-vacuum brazing of diamond tools. Industrial Diamond Review,2002(1):49～51.
[13] F.A.Khalid, U. E. Klotz, H. -R. Elsener, B. Zigerlig, P. Gasser. On the interracial nanostructure of brazed diamond grits. Scripta Materialia, 2004(50): 1139～1143.
[14] 肖冰，徐鸿钧，武志斌．加Cr银基钎料钎焊单层金刚石砂轮的实验研究．南京航空航天大学学报，2001，33(1)：46～49．
[15] S.M.Chen and S. T. Lin. Brazing Diamond Grits onto a Steel Substrate Using Copper Alloys as the Filler Metals. Journal of Materials Engineering and Performance, 1996,5(6):761～766.
[16] 林增栋．钎焊法制造金刚石单层工具的研究．金刚石与磨料磨具工程， 2004，141(3)：1～5．
[17] 马楚凡，王忠义，南俊马，孟卫如．一种牙科单层高温钎焊金刚石砂轮的研制．金刚石与磨料磨具工程，2002，2(128)：34～35．
[18] 孙凤莲，冯吉才，刘会杰，邱平善，李丹．Ag-Cu-Ti钎料中Ti元素在金刚石界面的特征．中国有色金属学报，2001，11(1)：103～106．
[19] 钟建平，王明智，王艳辉．复合镀钛-镍金刚石的钎焊工艺．金刚石与磨料磨具工程，2001，5(125)：31～35．
[20] 黄辉，朱火明，徐西鹏．Ni-Cr合金纤焊单层金刚石磨料的试验研究．超硬材料与宝石，2002，14(4)：6～12．
[21] 傅鹰，大学普通化学(下册)，人民教育出版社，1981，P613．
[22] 浙江大学普通化学教研组编，普通化学，人民教育出版社，1981，P287．
[23] [日]横山亨著，刘湖译。合金状态图简明读本，冶金工业出版社，1983，P124．
[24] 冯胜强，杨立军，刘照伟，宁长利，亢世江．金刚石的钎焊工艺．焊接技术，2005，34(3)：26～28．
[25] 侯增寿，陶岚琴，实用三元合金相图，上海科学技术出版社，1983．5．
[26] 顾宜，材料科学与工程基础，化学工业出版社，2002．
[27] 陆景贤，金属学，机械工业出版社，1984．
[28] 苟清泉，固体物理学简明教程，人民教育出版社，1979．
[29] 王岚，高学绪．金刚石表面的金属化．北京科技大学学报，1997，19(5)：462～466．
[30] 张国青，戴秋莲，黄辉，徐西鹏．钎焊单层金刚石工具的研究现状评述．珠宝科技，2004，16(55)：1～4．
[31] 沈春蔷，丘定辉，黄炳南．金刚石表面金属化研究的新进展．湖南冶金，1996，1：50～52．
[32] 武志斌，肖冰，徐鸿钧．金刚石与金属基体钎焊机理的研究．工具技术，2000，34(11)：6～8．
[33] 姚正军，徐鸿钧，肖冰，武志斌．Ni—Cr合金与金刚石和钢基体界面微区的分析研究．南京航空航天大学学报，2001，33(4)：311～314．
[34] 黄炳南，丘定辉，沈春蔷．金刚石表面金属化界面结构特征的研究．湖南冶余，1997，3：7～10．
[35] 汤凤林，杨凯华，段隆臣．金刚石表面金属化(镀膜)的试验研究．探矿工程，2000，5：14～24．
[36] 王云芳．人造金刚石表面金属化新技术．郑州大学学报(自然科学版)，1996，28(2)：61～63．
[37] 陈叔鑫，林锡刚，彭放，罗伯诚．具有准梯度结构膜的金刚石性能研究．金刚石与磨料磨具工程．2001，2(122)：12～13．
[38] 罗伯诚，林锡刚，陈叔鑫．低温等离子复合技术川Ⅱ号包衣金刚石性能及应用．金刚石与磨料磨具工程，2000，5(119)：7～8．
[39] 吴玉会，李国彬，李长龙，王春芳．金刚石表面金属化．天津理工学院学报，2002，18(4)：62～65．
[40] 周玉梅，吕智，章兼植，陈敢新．钎焊技术在金刚石工具中的应用．工具技术，2004，38(3)：9～12．
[41] 李菊丽，李长诗，郭健明．金属结合剂金刚石砂轮的研究进展．工具技术，2003，37(9)：3～6
[42] Dr M. Boretius, Dr G. Burkhard. Vacuum Brazing of Hard and Super Hard Materials. Tool Fabrication, PM2002: 90～94.
[43] C.-M. Sung. Brazed diamond grid:a revolutionary design for diamond saws. Diamond and Related Materials, 1999, 8: 1540～1543.
[44] 肖冰，徐鸿钧，武志斌．钎焊单层金刚石砂轮关键问题的研究．中国机械工程，2002，13(13)：1147～1149．
[2] 邹僖，魏月贞，焊接方法及设备，机械工业出版社，1981．
[3] 赵越，钎焊技术及应用，化学工业出版社，2004。
[4] 吴惠枝，何肇基，黎祚坚。金刚石表面金属化处理，冶金丛刊，1996．1
[5] 四川联合大学硕士学位论文，刘强，1997．6
[6] 李伯民，赵波，现代磨削技术，机械工业出版社．2003．6
[7] 傅玉灿，徐鸿钧．超硬磨料砂轮的演变与发展．金刚石与磨料磨具工程，1999，3(111)：14～19。
[8] 叶伟昌．CBN砂轮的进展．《新技术新工艺》．机械加工，2000，11：13～15。
[9] 鲍明东，杨慧，徐雪波，孟繁森．提高单层金刚石钎焊砂轮综合性能途径及分析．焊接技术，2002，31(6)：4～6。
[10] 卢金斌，徐九华，徐鸿钧，傅玉灿，姜澄宇．Ni—Cr合金真空钎焊金刚石界面反应的热力学与动力学分析．焊接学报，2004，25(1)：21～24．
[11] A.k.Chattopadhyay, L. Chollet, H. E. Hintermann. Experimental investigation on induction brazing of diamond with Ni-Cr hardfacing alloy under argon atmosphere. Journal of Materials Science, 1991 (26):5093～5100.
[12] A.Trenker, H. Seidemann. High-vacuum brazing of diamond tools. Industrial Diamond Review,2002(1):49～51.
[13] F.A.Khalid, U. E. Klotz, H. -R. Elsener, B. Zigerlig, P. Gasser. On the interracial nanostructure of brazed diamond grits. Scripta Materialia, 2004(50): 1139～1143.
[14] 肖冰，徐鸿钧，武志斌．加Cr银基钎料钎焊单层金刚石砂轮的实验研究．南京航空航天大学学报，2001，33(1)：46～49．
[15] S.M.Chen and S. T. Lin. Brazing Diamond Grits onto a Steel Substrate Using Copper Alloys as the Filler Metals. Journal of Materials Engineering and Performance, 1996,5(6):761～766.
[16] 林增栋．钎焊法制造金刚石单层工具的研究．金刚石与磨料磨具工程， 2004，141(3)：1～5．
[17] 马楚凡，王忠义，南俊马，孟卫如．一种牙科单层高温钎焊金刚石砂轮的研制．金刚石与磨料磨具工程，2002，2(128)：34～35．
[18] 孙凤莲，冯吉才，刘会杰，邱平善，李丹．Ag-Cu-Ti钎料中Ti元素在金刚石界面的特征．中国有色金属学报，2001，11(1)：103～106．
[19] 钟建平，王明智，王艳辉．复合镀钛-镍金刚石的钎焊工艺．金刚石与磨料磨具工程，2001，5(125)：31～35．
[20] 黄辉，朱火明，徐西鹏．Ni-Cr合金纤焊单层金刚石磨料的试验研究．超硬材料与宝石，2002，14(4)：6～12．
[21] 傅鹰，大学普通化学(下册)，人民教育出版社，1981，P613．
[22] 浙江大学普通化学教研组编，普通化学，人民教育出版社，1981，P287．
[23] [日]横山亨著，刘湖译。合金状态图简明读本，冶金工业出版社，1983，P124．
[24] 冯胜强，杨立军，刘照伟，宁长利，亢世江．金刚石的钎焊工艺．焊接技术，2005，34(3)：26～28．
[25] 侯增寿，陶岚琴，实用三元合金相图，上海科学技术出版社，1983．5．
[26] 顾宜，材料科学与工程基础，化学工业出版社，2002．
[27] 陆景贤，金属学，机械工业出版社，1984．
[28] 苟清泉，固体物理学简明教程，人民教育出版社，1979．
[29] 王岚，高学绪．金刚石表面的金属化．北京科技大学学报，1997，19(5)：462～466．
[30] 张国青，戴秋莲，黄辉，徐西鹏．钎焊单层金刚石工具的研究现状评述．珠宝科技，2004，16(55)：1～4．
[31] 沈春蔷，丘定辉，黄炳南．金刚石表面金属化研究的新进展．湖南冶金，1996，1：50～52．
[32] 武志斌，肖冰，徐鸿钧．金刚石与金属基体钎焊机理的研究．工具技术，2000，34(11)：6～8．
[33] 姚正军，徐鸿钧，肖冰，武志斌．Ni—Cr合金与金刚石和钢基体界面微区的分析研究．南京航空航天大学学报，2001，33(4)：311～314．
[34] 黄炳南，丘定辉，沈春蔷．金刚石表面金属化界面结构特征的研究．湖南冶余，1997，3：7～10．
[35] 汤凤林，杨凯华，段隆臣．金刚石表面金属化(镀膜)的试验研究．探矿工程，2000，5：14～24．
[36] 王云芳．人造金刚石表面金属化新技术．郑州大学学报(自然科学版)，1996，28(2)：61～63．
[37] 陈叔鑫，林锡刚，彭放，罗伯诚．具有准梯度结构膜的金刚石性能研究．金刚石与磨料磨具工程．2001，2(122)：12～13．
[38] 罗伯诚，林锡刚，陈叔鑫．低温等离子复合技术川Ⅱ号包衣金刚石性能及应用．金刚石与磨料磨具工程，2000，5(119)：7～8．
[39] 吴玉会，李国彬，李长龙，王春芳．金刚石表面金属化．天津理工学院学报，2002，18(4)：62～65．
[40] 周玉梅，吕智，章兼植，陈敢新．钎焊技术在金刚石工具中的应用．工具技术，2004，38(3)：9～12．
[41] 李菊丽，李长诗，郭健明．金属结合剂金刚石砂轮的研究进展．工具技术，2003，37(9)：3～6
[42] Dr M. Boretius, Dr G. Burkhard. Vacuum Brazing of Hard and Super Hard Materials. Tool Fabrication, PM2002: 90～94.
[43] C.-M. Sung. Brazed diamond grid:a revolutionary design for diamond saws. Diamond and Related Materials, 1999, 8: 1540～1543.
[44] 肖冰，徐鸿钧，武志斌．钎焊单层金刚石砂轮关键问题的研究．中国机械工程，2002，13(13)：1147～1149．