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2ö3,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。
4. 2 高温钎焊金刚石工具研究现状
国外在上个世纪80 年代后期开始以高温钎焊代替电镀工艺, 并取得了良好的效果, 并已有成果得到应用
德国的A. Trenker 等[7]在高温钎焊的过程中分别采用了活性钎料和N i 基钎料来实现金刚石与基体的结合。并将其与电镀工具作了对比, 发现高温钎焊 金刚石工具比电镀金刚石工具性能优异得多。
国内对高温钎焊金刚石工具的研究开发单位有:南京航空航天大学、第四军医大学、西安交通大学、华侨大学等。
第四军医大学[12]在国内外钎焊金刚石研究的基础上,采用真空炉(真空度0.2Pa) 内高温钎焊的方法, 以NiCr13P4合金为钎料, 配以少量Cr粉, 在高温(950℃) 加压(4.9MPa) 的条件下进行钎焊,从而实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。SEM 和XRD分析结果证实有Cr3C2生成, 正是通过金刚石界面上的这个碳化物层, 合金材料实现了对金刚石的高把持力。
南京航空航天大学的姚正军等[13]利用A r气保护炉中感应钎焊的方法,用N i- Cr合金粉末作钎料,真空感应钎焊30s, 钎焊温度1050℃,实现了金刚石与钢基体的牢固连接。利用扫描电镜和X 射线能谱, 结合X 射线衍射结构分析, 发现在钎焊过程中Ni-Cr合金中的Cr 元素分离出并富集在金刚石界面形成富Cr层,并与金刚石表面的C元素反应生成Cr3C2 和Cr7C3, 同样是实现合金层与金刚石有较高强度的主要因素。
华侨大学的黄辉[14]等利用高频感应钎焊的方法,以Ni2Cr 合金为钎料,尝试在空气中直接进行金刚石磨粒的钎焊。通过适当控制钎焊电流和钎焊时间,实现了金刚石与钢基体的牢固焊接。磨削实验表明,采用该方法制造的金刚石工具在金刚石磨粒与基体之间有着较高结合强度,金刚石磨粒在整个加工过程中未出现脱落,金刚石磨粒的磨损过程为正常磨损。另外,还尝试在自制真空炉中利用高频感应钎焊金刚石节块。通过调整加热时间与加热功率来控制钎料加热温度,实现金刚石与基体的牢固连接,并制作了金刚石磨盘。在磨削加工花岗石的过程中,对金刚石磨粒的出露高度、磨粒的磨损状态进行了跟踪,揭示了钎焊金刚石工具在加工过程中的磨损性能。
5.金刚石有序排布问题
金刚石磨料的均匀分布/有序排布被认为是改善工具性能和延长使用寿命的有效途径， 在钎焊单层金刚石工具中较易实现， 从而引起了国内外研究者的关注。金刚石的均匀分布/有序排布能够使金刚石在工具中得到充分有效的利用， 既提高了工具的加工效率，又延长了工具的使用寿命， 同时减小了金刚石浓度，降低了成本。此外， 由于有序排布金刚石能够在工具表面形成理想的磨削形貌， 可以保证合理的磨粒裸露高度和合理的间距， 从而具有降低加工对象的粗糙度的效果[15]。迄今为止， 能够实现金刚石有序排布的技术主要包括复制技术、一次性使用壳模布料法、有序阵列法、孔模板、激光快速成形技术、点胶法等，但这些方法仅限于实验室应用，没有一种技术能够实现产业化。钎焊单层有序排布工具性能研究也较多，如我国的中国砂司推出的单层均布金刚石高温钎焊串珠，在不缩短工具使用寿命的前提下，可使金刚石用量减少1/2，切割速度提高2倍[16]。美国和日本Noritake公司研制的单层均布钎焊金刚石磨轮用于精密磨削加工时， 其工作表面粗糙度明显改善，表面粗糙度<0.2μm［17］。苏黎世ETH 开发研究的新型钎焊单层均布搪磨刀具的寿命为电镀刀具的10～20倍，即使在进刀
量增加1.5倍的情况下,刀具使用寿命也明显地高于电镀刀具［18］。因此，加大对金刚石有序排布技术的研究力度，尽早开发出一套能够大规模进行工业化生产的金刚石有序排布技术尤为重要。
6.总结与展望
钎焊可实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料) 和金属基体三者界面之间的化学冶金结合, 具有较高的结合强度。与电镀工具相比, 钎焊工具显示了无可比拟 的优势, 今后必将成为一种发展趋势。作为具有卓越切削性能的新一代超硬磨料工具,钎焊超硬磨料工具有着十分广阔的应用领域。它的开发成功不仅可以提高国内超硬材料工具的研究水平,还可为国内磨料工具行业本身带来新的技术经济增长点, 而且可以拉动包括各种金属材料、各种结构与功能的陶瓷材料、光学玻璃、半导体、石材、建材以至宝玉石等整个加工行业, 国内外市场前景非常广阔, 其可能创造的技术经济效益将无法估量。
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