鄭州磨料磨具磨削研究所 王光祖 衛(wèi)鳳午

河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 崔仲鳴 馮常財(cái)

  1. 不同釬焊金剛石磨粒的失效機(jī)制

  對(duì)單晶剪切實(shí)驗(yàn)而言，主要測(cè)定的是焊后單晶 / 釬料的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié) 果 都 是 釬 料 層 斷， 斷 裂 強(qiáng) 度 的順 序 是 CuSnTi 釬 料 >AgCuCr 釬 料>AgCuTi 釬 料 >CuSnCr 釬 料 ; 對(duì) 釬料本身的力學(xué)性能而言，釬料合金本身的力學(xué)性能 ( 包括硬度、抗剪強(qiáng)度 )，順序是 NiCrBSi 釬科 >NiCrP釬 料 >CuSnCr 釬 料 >CuSnTi 釬 料>AgCuCr 釬 料 >AgCuTi 釬 料。對(duì) 比結(jié)果可知，除了 CuSnCr 釬料以外，其他釬料的兩種結(jié)果相對(duì)應(yīng)，結(jié)合溫度對(duì)金剛石抗壓強(qiáng)度的結(jié)果可知，這是因?yàn)?CUSnCr 釬料的反溫度較高，溫度和釬料的侵蝕使金剛石自身強(qiáng)度下降嚴(yán)重，因此剪切時(shí)單晶在較小的力的作用下即發(fā)生斷裂，其 對(duì) 應(yīng) 剪 切 強(qiáng) 度 也 低， 從 NiCrBSi和 NICrP 焊后單晶直接發(fā)生斷裂也可以看出這點(diǎn)。

  從金剛石磨粒的剪切結(jié)果可知，剪切力臂相同時(shí)，不同釬料制備的金剛石試樣的剪切失效形式有差別：NiCrBSi 釬 焊 的 金 剛 石 的 主 要 失 效形式是折斷并伴隨宏觀破碎 ;NiCrP釬焊金剛石的主要失效形式是折斷并伴隨宏觀破碎且破碎程度稍小一些 ;AgCuTi 釬焊金剛石的主要失效形式是破碎 - 滑移并有被壓入釬料的趨勢(shì) ;AgCuCr 釬焊金剛石的主要失效形式是破碎 - 滑移 - 脫落 ;CuSnTi釬焊金剛石失效的主要形式是破碎 -滑 移 - 脫 落 ;CuSnCr 釬 焊 金 剛 石 的主要失效形式是折斷。相同出露高度 380um 以 下 , 磨 粒 斷 裂 強(qiáng) 度 的順 序 是 NiCrBSi> 釬 料 >NiCrP 釬 料>AgCuTi 釬 料 >AgCuCr 釬 料。與 釬料本身力學(xué)性能結(jié)果相比，AgCuTi釬料的順序發(fā)生了改變，這是因?yàn)锳gCuTi 釬料較軟，金剛石在剪切時(shí)有被壓入釬料的趨勢(shì)，使得測(cè)得力比釬料發(fā)生斷裂的力大 ; 與單晶剪切 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 相 比，AgCuTi 釬 料 和CuSnCr 釬料的順序都發(fā)生了改變 ,這是因?yàn)殁F料硬度、爬升層和金剛石損傷程度的綜合影響。

  下面對(duì)不同情況下的磨粒失效情況進(jìn)行分析：

  分別建立單晶和金剛石的剪切失效模型，為便于研究做一些理想假設(shè)：將金剛石看成一個(gè)方形，長(zhǎng)度為 a，寬度為 b，抗彎截面系數(shù)為W，許用壓力強(qiáng)度為 [σ]，許用剪切強(qiáng)度為 [τ]，在釬料中包埋深度 ( 即釬高度 ) 都為 h, 所對(duì)應(yīng)的釬料的平行點(diǎn)分別為 p，q; 釬 料 對(duì) 金 剛 石 的爬升面與基體平行，接觸點(diǎn)分別為m，n，釬料在基面上完全鋪展，長(zhǎng)度約為 c, 寬度為 d, 結(jié)合面的許用壓力強(qiáng)度為 [σ]，許用剪切強(qiáng)度為 [τ]，剪切力 F 作用點(diǎn)距釬料層 ( 即剪切力臂 ) 紅為 L, 產(chǎn)生的反重彎矩約為 M;釬料對(duì)金剛石的均布力約為 f; 單晶受到反作用力集中在結(jié)合面處，金剛石所受的反作用力均節(jié)布在爬升層中，則剪切模型如圖 1 所示

圖 1 釬焊磨粒剪切失效簡(jiǎn)化模

  對(duì)比圖 1(a) 和 (b) 可知，當(dāng)釬料層存在時(shí)，磨粒與釬料的反應(yīng)面積增加，單位面積所承受的剪切力減少，因此要破壞釬料和磨粒的結(jié)合就需要更大的力，這就大大增加了磨?？蛊茐牡哪芰Γ瑢?duì)比單晶和磨粒相同釬料下的磨粒失效強(qiáng)度可知，有釬料層時(shí)，AgCuCr、CuSnCr、AgCuTi、CuSnTi 釬料釬焊磨粒的失效強(qiáng)度比沒(méi)有時(shí)分別提高了 11 倍、29 倍、22 倍、7 倍，可見(jiàn)釬料層的有無(wú)對(duì)磨粒的失效強(qiáng)度大小有著巨大的影響。

  2. 疲勞斷裂產(chǎn)生機(jī)理

  釬焊接頭中疲勞裂紋擴(kuò)展的階段不同，斷口的形貌特征也有著顯著的差別，通過(guò)了解并認(rèn)識(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展各個(gè)階段的微觀形貌特征，對(duì)預(yù)測(cè)疲勞壽命及抗疲勞設(shè)計(jì)都起著至關(guān)重要的作用。初步判斷了疲勞裂紋的性質(zhì)，有必要對(duì)釬焊接頭的斷裂機(jī)理及影響裂紋擴(kuò)展因素進(jìn)行分析。

  2.1 裂紋沿晶界的產(chǎn)生機(jī)理

  疲勞裂紋在掃描電鏡下的二次電子形貌如圖 2 所示，表面上分布著大量的韌窩群，查閱文獻(xiàn)可知大而深的韌窩是纖釬焊接頭應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中經(jīng)歷較大的應(yīng)力而形成的。小而淺的韌窩是釬焊接頭經(jīng)歷較小的應(yīng)力而形成的，能譜分析發(fā)現(xiàn)，韌窩的斷裂發(fā)生在灰色的富 Cu相和白色的富 Ag 相之間，說(shuō)明兩相之間為脆弱地帶，只需發(fā)較小的應(yīng)力就可發(fā)生斷裂。

  圖 2 CT643 疲勞斷口的大小韌窩圖

  釬焊接頭的疲勞裂紋多發(fā)生在釬縫晶體的晶界處，這是因?yàn)橄噜彽膬蓚€(gè)晶粒變形不匹配或熱收縮變形不一致等原因，晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中誘發(fā)沿晶裂紋，圖 3為 HL312 沿晶裂紋的微觀。

  圖 3 HL312 疲勞裂紋沿晶斷裂形所見(jiàn)貌圖

  2.2 裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理

  疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理受釬料滑移特性、應(yīng)力水平、組織尺寸等因素的強(qiáng)烈影響。銀基釬料屬于韌性材料，疲勞裂紋擴(kuò)展可以理解為裂紋尖端的塑性區(qū)以純剪切的方式沿主滑移方向擴(kuò)展，當(dāng)塑性區(qū)的尺寸增大到大于釬料的晶粒尺寸時(shí)就會(huì)出現(xiàn)之字形裂紋擴(kuò)展，疲勞裂紋的之字形裂紋如圖 4 所示。

  圖 4 CT643 疲勞斷口的大小韌窩圖

  3. 65Mn 鋼和釬焊金剛石涂層的摩擦磨損機(jī)制

  圖 5 給 出 了 65Mn 鋼 和 釬 焊 金剛石涂層的摩擦磨損機(jī)制示意圖，圖中 v 為試樣運(yùn)動(dòng)速度，P 為試樣的法向載荷。通過(guò)上述摩擦磨損形貌以及摩擦系數(shù)的研究，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為鋼與 ZrO 2 磨球、的摩擦磨損方式主要以黏著磨損為主。根據(jù) Archard 的磨損模型計(jì)算公式。

  Q=KPL/H （1）

  式 中 :Q 為 總 磨 損 量 ;K 為 微 凸體中產(chǎn)生的磨粒概率數(shù) ;P 為法向載荷 ;L 為滑動(dòng)距離 , 由摩擦?xí)r間和摩擦轉(zhuǎn)速共同控制 ;H 為較軟材料的硬度。

  (1) 中材料磨損量與滑動(dòng)距離和法向載荷成正比，與軟材料的硬度成反比。

  65Mn 鋼的硬度約 360HV，遠(yuǎn)小于 ZrO 2 的 硬 度 15—HV—1800HV。由 圖 5a,5b 圖 可 知， 當(dāng) 65Mn 鋼 與 ZrO 2 磨球摩擦?xí)r，在法向載荷的作用下兩者之間的部分微凸相互接觸，進(jìn)而開(kāi)始滑動(dòng)并形成較短時(shí)間的“跑合階段”，兩者之間的微包凸體發(fā)生剪切作用使硬度較低的 65Mn 鋼微凸體首先斷裂成為磨屑。此期間，摩擦使彼此間的接觸面積和摩擦系數(shù)不斷增大，但磨損速度較低 ; 進(jìn)入較長(zhǎng)時(shí)間“穩(wěn)定磨損”階段。此階段磨損率變化不大，摩擦系數(shù)穩(wěn)步增長(zhǎng) ; 隨著摩擦?xí)r間延長(zhǎng)，摩擦使二者的接觸面積進(jìn)一步增大，65Mn 鋼磨屑增加 , 黏著磨損加劇，進(jìn)入“劇烈磨損”階段。

  圖 5 65Mn 鋼和釬焊金剛石涂屈的摩擦磨損機(jī)制

  釬焊金剛石涂層與磨球的摩擦磨損方式以二體磨粒磨損為主，其磨損機(jī)制如圖 5c, 圖 5d 所示 : 由于釬料與金剛石之間化學(xué)冶金結(jié)合 , 釬料對(duì)金剛石的把持力較高 ; 當(dāng)磨削時(shí)，涂層中凸起的高硬度金剛石固定磨粒在 ZrO 2磨球表面相對(duì)滑動(dòng)，在法向載荷作用下對(duì) ZrO 2磨球進(jìn)行磨削而形成磨屑并散落在涂層表面，而 ZrO 2磨球則形成犁溝形貌。隨著 ZrO 2磨屑在涂層表面不斷散落，“微滾球”效應(yīng)逐漸形成，將部分滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)為滾動(dòng)摩擦，因而摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。因此，釬焊金剛石涂層高耐磨摩擦磨損性能的實(shí)質(zhì)，是涂層中凸起的高硬度耐磨金剛石在摩擦中為主要承載相，在一定程度上使涂層免避磨損，從而保護(hù)了涂層。

  (1) 式中同樣也適用于磨粒磨損情況，此時(shí)式中的K 可解釋為磨粒的形體系數(shù)，尺寸大的、尖銳的、多角形的磨粒比尺寸小的、鈍的、圓的磨粒磨損快，但磨粒尺臨界值在 80um 左右，當(dāng)磨粒尺寸超過(guò)臨界值時(shí)，磨損量不再隨著磨粒的增大而增大。本實(shí)驗(yàn)中，所用金剛石磨粒尺寸基本在 80um 以上，因此金剛石顆粒大小不影響 ZrO2 磨球的磨損量。 然而，當(dāng)金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在各涂層中相同時(shí)，金剛石粒位徑越大總量便越少，表面凸起的金剛石也越少，從而磨粒的總滑動(dòng)距離也越小，根據(jù)式 (1) 得出的 ZrO2 磨球的磨損量也越少，此外，由于釬焊中表面鍍鎢金剛石在一定程度上保護(hù)了金剛石不會(huì)受熱損傷而破壞，保持了其原有的鋒利度，因而在同一粒徑下釬焊鍍鎢金剛石涂層對(duì) ZrO2磨球的磨損量高于不鍍鎢金剛石涂層，同時(shí)其摩擦系數(shù)也相對(duì)較高。