钎焊金刚石工具技术
摘要：钎焊金刚石工具,金刚石出刃可以是金刚石高度的2/3 ,所以钎焊金刚石
工具磨削效率高,且有利于冲刷磨屑,表面磨粒不易因堵塞而失去磨削能力。与单层电镀金刚石工具相比，钎焊单层金刚石工具由于金刚石出刃高，容屑空间大，金刚石与基体之间的结合强度高而成为近年来超硬材料工具的热门研究领域。本文分别从钎料选择、钎焊设备、钎焊工艺和金刚石有序排布四个方面来论述钎焊金刚石工具技术，并对该技术的前景进行了展望。
关键词：金刚石钎焊技术；钎料；钎焊专用设备；钎焊工艺；金刚石有序排布 1. 概述
电镀金刚石工具中, 金刚石仅能用镍金属作机械包镶, 故易于脱落, 且金刚石无序排列, 凸出低、容屑空间小; 在孕镶烧结金刚石工具中, 金刚石无序排列, 出刃自锐问题难于解决, 金刚石与粉料也很难实现冶金结合。这两种工艺都不能充分有效地利用金刚石的锯切性能。而钎焊金刚石工具有上述两种金刚石工具无可比拟的优越性,所以近10年来金刚石钎焊工艺引起了人们的重视(见图1)。
图1.钎焊金刚石工具与电镀金刚石工具界面结合情况对比
钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术,以活性钎料或镍基钎料焊接金刚石, 通过强碳化物形成元素或合金, 使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合, 这大大提高了金刚石的把持力，另外,金刚石可凸出2?3,且不易脱落,又创造了切割锋利, 排屑好的有利条件,再加上金刚石在工具表面合理规则均布, 充分利用了金刚石的切割作用, 既能节省金刚石用量, 降低工具成本, 又提高切割效率。可以说, 这一技术正好适应了我国国民经济发展的大力节约能源资源, 加快建设资源节约型、环境友好型社会的要求。鉴于金刚石钎焊工具的极大优越性与良好的发展前景, 引起了国内高校、科研院所及企业的极大关注与参与, 并且正积极地开展研发工作, 根据钎料种类、钎料中活性元素加入方式、钎焊方式的不同， 国内外对钎焊金刚石工具的研究成果见见表1。
表1. 国内金刚石钎焊实验与生产情况[1]
2. 金刚石钎焊钎料
2.1．钎料的选择
钎焊料的选择原则:
(1) 钎料合金对金刚石有良好的润湿性, 较低的润湿角; (2) 良好的延展性;
(3) 很好的爬升能力, 使金刚石有足够的凸出高度与良好的容屑能力; (4) 与金刚石形成有效的冶金化学结合, 良好的把持力; (5) 有较低的熔点, 以降低钎焊温度;
(6) 较低的成本, 有利于降低钎焊工具成本。
目前, 钎焊金刚石的钎料多使用Ni- Cr、Ag-Cu 和Cu-Sn 三类合金。其中,应用最广泛的是Ni-Cr 基钎料, 但由于其钎焊温度较高(900℃以上) , 这也增加了金刚石石墨化的倾向, 影响钎焊金刚石的强度和工具寿命。因此寻求低熔点的适合金刚石的钎料成为目前钎焊金刚石工具的一个研究趋势。关砚聪等[2]根据金刚石与其它元素的结合机理, 研制出多种Ag- Cu-Ti 合金钎料。李丹等[3]也研究了Ag-Cu-Ti 钎料在金刚石表面的润湿状况,并认为含Ti量对钎料的润湿状况有一定的影响, 界面间C、Ti元素的扩散及TiC的形成有利于改善钎料的润湿状况。亢世江等[4]采用Ag2Cu2Ti 钎料成功地在硬质合金基体上钎焊金刚石膜。张凤林[5]通过在Ag- Cu- Zn 钎料合金与金刚石之间添加Cr、Ti金属粉, 改善Ag2Cu2Zn合金对金刚石的钎焊性能, 并在不同的保护条件下(真空、A r气体、无机盐覆盖、C 粉覆盖) 钎焊金刚石磨粒添加Cr粉可以在空气中对金刚石实现良好的钎焊,研究发现添加Ti粉则需要在真空中或者覆盖C粉才能保证钎焊效果较好;在金刚石与钎料合金的界面处发现Cr和Ti元素的富集, 这提高了Ag-Cu-Zn合金对金刚石的润湿性。
2.2.不同钎料对工具性能的影响
金刚石工具的焊接强度主要取决于钎焊料合金对金刚石与金属基体的结合性能和钎焊工艺。根据元素与金刚石的结合原理，研究了组成钎焊料的低熔点连接元素（Ag、Cu、Zn、Sn）、强碳化物形成元素（Ti、Cr、W）和高强度连接元素（Ni、Co、Mn、Si、B）在金刚石钎焊中的作用，进而配制适合焊接不同钎焊条件的金刚石颗粒的钎料合金[6]。钎料合金的不同配置与配比，对钎焊金刚石工具的 性能有着很大的影响，对几种不同类型的钎焊料进行研究，如表2。
表2.几种不同钎焊料的优缺点 优点 Ni具有优良的耐腐蚀性和耐氧化性；Cr与金刚石中的C反应生成Cr7C3，此钎焊料结合强度高，可以获得较高的 把持力 类型 Ni-Cr 合金 钎料[7,8] 缺点 800℃时易产生石墨化 转变，而钎焊温度高达 1080℃, 造成金刚石热 损伤。 Ag-Cu-Cr合金钎料[7,9] 钎焊温度低于800℃，相反会使金刚石石墨化和化；温度过低造成能源浪费。 Ag-Cu-Ti合金金刚石表面生成TiC，钎料能与金刚石Ag-Cu-Ti 钎料制备表明：钎料[10] 实现高强度连接，钎焊温度较低，对限于薄带状使用；Ag含量金刚石无热损伤 较高，成本大 CuMn 基含Ti预合金胎体中的Ti 原子与金刚石表控制TiC 层不能太厚且不预合金钎料[11] 层的C 原子反应生成TiC，提高金刚石能连续分布于金刚石表的把持力。 面，否则会产生裂纹，使金刚石颗粒脱落。 钎料中的Cr与金刚石中C生成CrC,与钢基体形成（FexCry ）C，具有较好的把持力与结合强度。 3.金刚石钎焊专用设备
目前使用的钎焊设备主要有两种。一种是高频感应焊机; 一种是高温真空炉, 都是借用于原有设备经改装而成。金刚石钎焊专用设备应满足下列要求:
(1) 高频感应焊必须在真空或惰性气体保护下进行焊接;
(2) 设计相应工装, 便于固定工件以及工件的旋转, 移动与准确定位; (3) 精确的温度测控系统;
(4) 真空炉应保证有足够的真空度和稳定、均匀的温度场;
(5) 炉型至少两种, 一种供小批量生产或试制新产品用, 一种要有较大的工作空间, 易于大批量生产;
(6) 有观察口, 便于观察炉内工具钎焊过程; (7) 为提高生产效率, 升温、保温与冷却阶段能分段连续进行, 便于缩短生产周期, 提高产量;
(8) 良好的工艺控制系统。
4.金刚石工具钎焊工艺
根据钎焊合金粉末的物化性能, 钎焊加热可以在高真空、惰性气体甚至在大气中(钎焊熔剂的保护下)进行。加热温度选择为高于钎焊合金熔点50℃～100℃, 使钎焊合金充分浸润焊接金刚石颗粒。钎焊金刚石工具的原理是采用碳化物形成元素（如Ti，Cr，W 等）的钎料，在钎焊的过程中于金刚石表面发生化学反应， 在界面形成一层碳化物，借助于这层碳化物的作用，金刚石、钎料、基体三者能通过钎焊实现牢固的化学冶金结合。理论上钎焊金刚石裸露高度可达到磨粒高度的70％以上， 磨粒间的容屑空间大， 在高速高效磨削中能够承受较大的负荷，因此对钎焊金刚石工具来讲，钎料和钎焊方式是最主要的影响因素。在满足工具使用性能的前提下，钎料首先要对金刚石具有足够的活性，要包含强碳化物形成元素。图2为一般的钎焊金刚石工具制造工艺流程。
图2 钎焊金刚石工具工艺流程图
4.1. 钎焊金刚石工具的加热方法
按加热方式划分, 目前应用的单层钎焊金刚石工具的加热方法有: 炉中钎焊、盐浴钎焊、激光钎焊和高频感应钎焊。
炉中钎焊一般采用电阻炉辐射加热, 具有投资小(只需保证钎焊炉具有一定的容积),生产效率高(可以连续加热钎焊不间断) 的优点, 而且可以焊接结构 复杂, 尺寸较大的基体;但是,电阻辐射加热属于整体钎焊加热, 升温速度慢, 焊接时间长, 一般需10min 左右, 磨粒和基体在高温环境下长时间暴露, 对磨粒和基体都有一定的影响。
盐浴钎焊是将焊件浸入盐浴炉中加热, 钎焊温度较低, 钎焊后金刚石的石墨化程度小, 但钎焊工艺烦琐, 为了改善金刚石和金属之间的浸润性, 焊前需对金刚石进行表面渗覆Ti处理, 并且在钢基体表面喷焊Ni基合金, 总的钎焊时间长, 不利于该工艺的推广应用。
激光钎焊是利用激光束作为焊接时的热源。激光钎焊之所以应用到单层金刚石工具制造行业, 就是利用激光加热局部受热快的特点(加热时间仅需10s) ,金刚石在高温环境下暴露的时间很短, 这就能有效的控制金刚石的石墨化。但是, 由于加热时间太短, 金刚石磨粒和钎料、钎料和基体之间来不及形成连续的过渡层, 降低了钎料对金刚石磨粒的把持力。
高频感应钎焊具有一些自身的特点: 加热温度高, 而且是非接触式加热; 加热效率高; 加热速度快;温度容易控制; 可以局部加热; 容易实现自动控制; 作业环境好, 几乎无污染。高频感应加热所需的时间介于激光加热和电阻炉中加热之间, 一般在30s左右,这个时间较好地减小了金刚石的热损伤程度, 同时也 为界面生产连续的过渡层提供了足够的反应时间,钎焊效果较理想。目前,此种加热方式应用较为普遍。但是, 高频感应加热本身具有邻近效应和集肤效应,在加热尺寸较大和结构复杂的基体时, 很难实现均匀受热。因此, 在焊接此类工具时, 就必须采用一些辅助工序。