釬焊金剛石

目前，用釬焊法制作金剛石(或立方氮化硼)工具已開(kāi)始成為熱點(diǎn)技術(shù)，但僅局限于單層工具，對(duì)于多層實(shí)現(xiàn)"孕鑲"尚未見(jiàn)有成果發(fā)表。國(guó)外的釬焊技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代后期，但由于工作復(fù)雜至今仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，其應(yīng)用也僅局限于單層工具;國(guó)內(nèi)的高溫釬焊技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，研究的廣度和深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而目前進(jìn)展十分緩慢，但隨著我國(guó)加入WTO，研究的步伐必然逐漸加速。

(1)國(guó)外高溫釬焊金剛石工具的研究狀況

瑞士AKChattopadhyay等用火焰噴鍍法(氧-乙炔焊槍)把釬料合金(72%Ni，14.4%Cr，3.5%Fe，3.5%Si，3.35%B，0.5%O2)鍍于工具鋼基體上，并將金剛石(不包衣)布排于焊料層面上，然后在1080℃、氬氣保護(hù)下感應(yīng)釬焊30秒來(lái)實(shí)現(xiàn)金剛石與鋼基體結(jié)合。釬料合金中的Cr作為一種強(qiáng)碳化物元素，在釬焊過(guò)程中向金剛石表面富集而實(shí)現(xiàn)金剛石的表面金屬化。

Wiand等在美國(guó)專(zhuān)利上介紹的方法是:焊料(Ni-Cr)金屬粉加有機(jī)粘結(jié)劑制成釬焊漆，把包衣金剛石粘在工具鋼基體上，然后涂附釬焊漆，再加熱到一個(gè)適中的溫度并保溫一定時(shí)間以排除揮發(fā)物質(zhì)。在真空爐(真空度1.333×10-2Pa)或干式氫氣爐中加熱到1100℃左右，保溫1小時(shí)，釬焊的同時(shí)完成金剛石的表面金屬化。

一些專(zhuān)利中也同樣采用Ni-Cr合金釬料實(shí)現(xiàn)了釬焊，釬料中還包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如，在文獻(xiàn)〔14〕中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金釬料在真空爐中實(shí)現(xiàn)釬焊，釬焊溫度為1126~1176℃;文獻(xiàn)〔15〕采用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等釬料釬焊金剛石砂輪;文獻(xiàn)〔16〕用Ag-Mn-Zr銀基釬料來(lái)釬焊金剛石工具，從而替代電鍍工具。

德國(guó)的ATrenker等在釬焊過(guò)程中分別采用了鎳基活性釬料和鎳基釬料來(lái)實(shí)現(xiàn)金剛石與基體的結(jié)合。由與電鍍工具的對(duì)比圖可以看出，高溫釬焊金剛石工具的性能比電鍍金剛石工具優(yōu)異得多，釬焊工具(使用活性釬料和PDA989、PDA665金剛石)起始磨削性能是電鍍工具(鎳基釬料和PDA665金剛石)的3.5倍以上，壽命是電鍍工具的3倍以上;由于釬焊工具有較大的容屑空間，金剛石磨粒有較大的自由切削面且磨粒間空間較多，使切屑很容易被排除，所以釬焊金剛石工具的磨削性能好。

(2)國(guó)內(nèi)高溫釬焊金剛石工具的研究狀況

第四軍醫(yī)大學(xué)和西安交通大學(xué)在國(guó)內(nèi)外釬焊金剛石研究的基礎(chǔ)上，采用真空爐(真空度為0.2Pa)內(nèi)高溫釬焊的方法，以NiCr13P9合金為釬料，配以少量Cr粉，在高溫(950℃)加壓(4.9MPa)的條件下進(jìn)行釬焊，從而實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合。釬料均勻分布于砂輪表面，金剛石已被牢固釬焊，觸摸砂輪表面感覺(jué)相當(dāng)銳利粗糙。釬料在金剛石磨粒間分布均勻，金剛石出刃高度高。其耐用度較電鍍砂輪有了明顯提高，工作后僅有少量金剛石脫落。

南京航空航天大學(xué)的肖冰等利用高頻感應(yīng)釬焊的方法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料，在空氣中感應(yīng)釬焊35秒，釬焊溫度780℃，實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合。姚正軍等利用在Ar氣保護(hù)爐中感應(yīng)釬焊的方法，用Ni-Cr合金粉末做釬料，真空感應(yīng)釬焊30秒，釬焊溫度1050℃，實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體的牢固連接。利用掃描電鏡和X射線能譜儀，結(jié)合X射線衍射結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在釬焊過(guò)程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應(yīng)生成Cr3C2和Cr7C3，這是實(shí)現(xiàn)合金層與金剛石有較高結(jié)合強(qiáng)度的主要因素。磨削實(shí)驗(yàn)采用大切深、緩進(jìn)給、重負(fù)荷進(jìn)行，從砂輪磨削后的表面形貌來(lái)看，沒(méi)有金剛石整顆脫落，金剛石磨粒屬正常磨損，說(shuō)明金剛石有較高的把持強(qiáng)度，適合于高效磨削加工。

臺(tái)灣中國(guó)砂輪公司(KNIK.Inc)推出單層均布金剛石高溫釬焊串珠，在不降低其壽命的條件下，金剛石用量減少50%，切割速度提高2倍。

作者所在課題組在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用Ni82CrBSi合金片狀釬料，金剛石均勻排布在釬料片上，在低真空熱壓燒結(jié)爐中實(shí)現(xiàn)釬焊，對(duì)釬焊金剛石工具進(jìn)行了初步研究，并且探索如何將釬焊這一技術(shù)用于孕鑲工具中。從優(yōu)化金剛石在胎體中的排布方式、金剛石粒度、濃度等靜態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)及有效金剛石數(shù)量、金剛石間距等動(dòng)態(tài)參數(shù)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)單層金剛石在橫向平面的有序排布，再通過(guò)疊層法在縱向呈錯(cuò)落排布，實(shí)現(xiàn)工作層中金剛石具備連續(xù)工作能力。為檢驗(yàn)胎體對(duì)金剛石的包鑲能力，特制作一只表鑲金剛石鉆頭，進(jìn)行5次開(kāi)刃實(shí)驗(yàn)，并測(cè)得其最大平均出刃值。通過(guò)對(duì)釬焊單層工具金剛石出刃高度的測(cè)試(金剛石為45/50目)，發(fā)現(xiàn)了其最大出刃值可達(dá)到70%以上，可以看出，釬焊技術(shù)可使金剛石與胎體的結(jié)合強(qiáng)度大大提高。對(duì)金剛石鉆頭(φ63mm)進(jìn)行鋼筋混凝土鉆進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，鉆頭在鉆齒磨損近2mm時(shí)仍能繼續(xù)工作，從理論上講已經(jīng)有兩層金剛石參與了工作，這似乎說(shuō)明了可以實(shí)現(xiàn)"孕鑲"，具體的應(yīng)用工藝仍在進(jìn)一步研究之中。

釬焊技術(shù)可實(shí)現(xiàn)金剛石、結(jié)合劑(釬焊合金材料)和金屬基體界面化學(xué)冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。由于界面上的結(jié)合強(qiáng)度高，所以?xún)H需很薄的結(jié)合劑厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可達(dá)70%~80%，使磨料的利用更加充分，大大提高了工具的壽命和加工效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，金剛石工具的允許最大出刃值可增加50%以上，在工具的功耗不增或有所降低的條件下，單位體積上工件材料的金剛石耗量減少一半以上。與電鍍工具相比，也顯示了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。總之，釬焊技術(shù)在金剛石工具制造過(guò)程中有著很好的發(fā)展前景，應(yīng)盡快使這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

由于金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能，致使金剛石顆粒不能為一般低熔點(diǎn)合金所浸潤(rùn)，粘結(jié)性極差，在傳統(tǒng)的制造技術(shù)中，金剛石顆粒僅靠胎體冷縮后產(chǎn)生的機(jī)械夾持力鑲嵌于胎體金屬基中，而沒(méi)有形成牢固的化學(xué)鍵結(jié)或冶金結(jié)合，導(dǎo)致金剛石顆粒在工作中易與胎體金屬基分離，大大降低了金剛石工具的壽命及性能水平。大部分孕鑲式工具中金剛石的利用率較低，大量昂貴的金剛石在工作中脫落流失于廢屑之中。林增棟等率先利用金剛石表面金屬化技術(shù)來(lái)賦予金剛石表面許多新的特性，如優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、熱穩(wěn)性好，改善其原有的理化性能，提高其對(duì)金屬或合金溶液的浸潤(rùn)性等。

金剛石表面金屬化問(wèn)題在上世紀(jì)70年代就引起了國(guó)內(nèi)外金剛石工具制造界的高度重視。不少人致力于在燒結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)金剛石表面金屬化的研究，在胎體材料中添加或在金剛石表面預(yù)粘上強(qiáng)碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前，并未與鍍層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只能屬于金剛石包衣)，以期望它們?cè)跓Y(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的化學(xué)鍵結(jié)合。盡管文獻(xiàn)已論證了一些金屬例如鎢(未被氧化)在較低溫度下(800℃左右)就能在金剛石表面形成WC層，但從實(shí)現(xiàn)金剛石表面預(yù)金屬化所用的工藝來(lái)看，需在真空條件下、600℃以上加熱1小時(shí)才能得到理想的結(jié)合力。以目前常用的孕鑲金剛石切削工具的燒結(jié)條件來(lái)看，在非真空或低真空中不超過(guò)900℃加熱5分鐘左右，是不大可能使金剛石表面生成金屬化層的。因?yàn)闊o(wú)論活性金屬原子(Ti、V、Cr等)向金剛石表面富集還是界面反應(yīng)達(dá)到結(jié)合劑與金剛石冶金結(jié)合都是原子擴(kuò)散過(guò)程，根據(jù)熱壓所用溫度及這樣短的時(shí)間內(nèi)，這個(gè)過(guò)程是極不充分的。在固相燒結(jié)條件下(有時(shí)有少量低強(qiáng)度低熔點(diǎn)的金屬或合金液相)，胎體對(duì)金剛石的化學(xué)鍵結(jié)或冶金結(jié)合力是十分弱的或根本不會(huì)形成。

金剛石表面預(yù)金屬化并非最終目的，而僅是期望與胎體金屬實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合的措施之一。鍍覆后的金剛石在燒結(jié)成鋸(鉆)齒后，其折斷面上暴露出的金剛石均失去了鍍層，而脫落了金剛石的殘留坑表面十分光滑，這種現(xiàn)象似乎說(shuō)明了金剛石與胎體還未能達(dá)到化學(xué)包鑲的水平。因而即使實(shí)現(xiàn)了金剛石的表面預(yù)金屬化，傳統(tǒng)的固相粉末冶金燒結(jié)法也不可能實(shí)現(xiàn)金剛石與胎體材料間的牢固結(jié)合。

上個(gè)世紀(jì)八十年代末，人們開(kāi)始探索釬焊技術(shù)用于金剛石工具制作。采用在金剛石表面鍍覆某些過(guò)渡族元素(如Ti、Cr、W等)，并與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在表面形成碳化物。通過(guò)這層碳化物的作用，金剛石、結(jié)合劑、基體三者就能通過(guò)釬焊實(shí)現(xiàn)牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)真正的金剛石表面金屬化，這就是金剛石釬焊的原理。從已發(fā)表的專(zhuān)利和文章中可以看出，該技術(shù)可使金剛石最大出刃值達(dá)到粒徑的2/3，工具壽命提高3倍以上，而常規(guī)下該值不足1/3，允許出刃值可用開(kāi)刃作業(yè)達(dá)穩(wěn)定出刃值時(shí)來(lái)獲取。所以，采用釬焊技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)胎體金屬(釬料)與母體材料-金剛石和鋼基體之間的牢固結(jié)合。

金剛石釬焊時(shí)存在著許多急需解決的難點(diǎn):①要求釬料對(duì)金剛石和胎體有良好浸潤(rùn)性和結(jié)合強(qiáng)度;②釬焊材料及釬焊工藝的選擇要保證金剛石的穩(wěn)定性，以減少或避免釬料對(duì)金剛石的侵蝕;③由于金剛石和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，因而焊接殘余應(yīng)力也較大，降低接頭的強(qiáng)度;④釬料的熔點(diǎn)要高于金剛石工具的工作溫度，所以應(yīng)尋找熔點(diǎn)較低并與金剛石膨脹系數(shù)接近的金屬(合金)材料作為釬料，再考慮加入某些活性元素以改善對(duì)金剛石的浸潤(rùn)性和親和性，達(dá)到既能粘結(jié)金剛石又能滿(mǎn)足胎體機(jī)械性能的目的。此外，金剛石表面金屬化的實(shí)現(xiàn)方式、表面金屬與釬料的匹配和選擇、釬劑和氣體介質(zhì)的選擇等關(guān)鍵技術(shù)還需進(jìn)一步成熟和優(yōu)化。

金剛石工具的使用效率與壽命除取決于金剛石磨粒被鑲嵌的牢固程度外，還與胎體的耐磨性有關(guān)。胎體本身強(qiáng)度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態(tài)、金剛石的濃度等都會(huì)對(duì)胎體的耐磨性產(chǎn)生影響，所以，如何使胎體達(dá)到理想的狀態(tài)也是今后工作中值得注意的問(wèn)題。