釺焊金剛石

金剛石的高硬度和優良物理機械性能使得金剛石工具成為加工各種堅硬材料不可缺少的有效工具。胎體金屬基對金剛石的粘結性（胎體的包鑲能力）是影響金剛石工具使用壽命和性能的主要因素之一。

基本介紹

• 中文名：釺焊金剛石
• 性能  ：高硬度
• 特性：優良的導熱導電性
• 製作方法：釺焊技術

概述

由於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合金所浸潤，粘結性極差，在傳統的製造技術中，金剛石顆粒僅靠胎體冷縮後產生的機械夾持力鑲嵌於胎體金屬基中，而沒有形成牢固的化學鍵結或冶金結合，導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於廢屑之中。林增棟等率先利用金剛石表面金屬化技術來賦予金剛石表面許多新的特性，如優良的導熱導電性、熱穩性好，改善其原有的理化性能，提高其對金屬或合金溶液的浸潤性等。

金剛石表面金屬化問題在上世紀70年代就引起了國內外金剛石工具製造界的高度重視。不少人致力於在燒結過程中實現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粘上強碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前，並未與鍍層發生化學反應，只能屬於金剛石包衣)，以期望它們在燒結過程中實現對金剛石的化學鍵結合。儘管文獻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，但從實現金剛石表面預金屬化所用的工藝來看，需在真空條件下、600℃以上加熱1小時才能得到理想的結合力。以目前常用的孕鑲金剛石切削工具的燒結條件來看，在非真空或低真空中不超過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。因為無論活性金屬原子(Ti、V、Cr等)向金剛石表面富集還是界面反應達到結合劑與金剛石冶金結合都是原子擴散過程，根據熱壓所用溫度及這樣短的時間內，這個過程是極不充分的。在固相燒結條件下(有時有少量低強度低熔點的金屬或合金液相)，胎體對金剛石的化學鍵結或冶金結合力是十分弱的或根本不會形成。

金剛石表面預金屬化並非最終目的，而僅是期望與胎體金屬實現化學冶金結合的措施之一。鍍覆後的金剛石在燒結成鋸(鑽)齒後，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，這種現象似乎說明了金剛石與胎體還未能達到化學包鑲的水平。因而即使實現了金剛石的表面預金屬化，傳統的固相粉末冶金燒結法也不可能實現金剛石與胎體材料間的牢固結合。

上個世紀八十年代末，人們開始探索釺焊技術用於金剛石工具製作。採用在金剛石表面鍍覆某些過渡族元素(如Ti、Cr、W等)，並與其發生化學反應在表面形成碳化物。通過這層碳化物的作用，金剛石、結合劑、基體三者就能通過釺焊實現牢固的化學冶金結合，從而實現真正的金剛石表面金屬化，這就是金剛石釺焊的原理。從已發表的專利和文章中可以看出，該技術可使金剛石最大出刃值達到粒徑的2/3，工具壽命提高3倍以上，而常規下該值不足1/3，允許出刃值可用開刃作業達穩定出刃值時來獲取。所以，採用釺焊技術可望實現胎體金屬(釺料)與母體材料—金剛石和鋼基體之間的牢固結合。

現狀

目前，用釺焊法製作金剛石(或立方氮化硼)工具已開始成為熱點技術，但僅局限於單層工具，對於多層實現“孕鑲”尚未見有成果發表。國外的釺焊技術研究始於20世紀80年代後期，但由於工作複雜至今仍停留在實驗階段，其套用也僅局限於單層工具；國內的高溫釺焊技術研究起步較晚，與已開發國家相比，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而目前進展十分緩慢，但隨著我國加入WTO，研究的步伐必然逐漸加速。

(1)國外高溫釺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)把釺料合金(72%Ni，14.4%Cr，3.5%Fe，3.5%Si，3.35%B，0.5%O2)鍍於工具鋼基體上，並將金剛石(不包衣)布排於焊料層面上，然後在1080℃、氬氣保護下感應釺焊30秒來實現金剛石與鋼基體結合。釺料合金中的Cr作為一種強碳化物元素，在釺焊過程中向金剛石表面富集而實現金剛石的表面金屬化。

Wiand等在美國專利上介紹的方法是：焊料(Ni-Cr)金屬粉加有機粘結劑製成釺焊漆，把包衣金剛石粘在工具鋼基體上，然後塗附釺焊漆，再加熱到一個適中的溫度並保溫一定時間以排除揮發物質。在真空爐(真空度1.333×10-2Pa)或乾式氫氣爐中加熱到1100℃左右，保溫1小時，釺焊的同時完成金剛石的表面金屬化。

一些專利中也同樣採用Ni-Cr合金釺料實現了釺焊，釺料中還包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如，在文獻〔14〕中採用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金釺料在真空爐中實現釺焊，釺焊溫度為1126～1176℃；文獻〔15〕採用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等釺料釺焊金剛石砂輪；文獻〔16〕用Ag-Mn-Zr銀基釺料來釺焊金剛石工具，從而替代電鍍工具。

德國的ATrenker等在釺焊過程中分別採用了鎳基活性釺料和鎳基釺料來實現金剛石與基體的結合。由與電鍍工具的對比圖可以看出，高溫釺焊金剛石工具的性能比電鍍金剛石工具優異得多，釺焊工具(使用活性釺料和PDA989、PDA665金剛石)起始磨削性能是電鍍工具(鎳基釺料和PDA665金剛石)的3.5倍以上，壽命是電鍍工具的3倍以上；由於釺焊工具有較大的容屑空間，金剛石磨粒有較大的自由切削麵且磨粒間空間較多，使切屑很容易被排除，所以釺焊金剛石工具的磨削性能好。

(2)國內高溫釺焊金剛石工具的研究狀況

第四軍醫大學和西安交通大學在國內外釺焊金剛石研究的基礎上，採用真空爐(真空度為0.2Pa)內高溫釺焊的方法，以NiCr13P9合金為釺料，配以少量Cr粉，在高溫(950℃)加壓(4.9MPa)的條件下進行釺焊，從而實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。釺料均勻分布於砂輪表面，金剛石已被牢固釺焊，觸摸砂輪表面感覺相當銳利粗糙。釺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，工作後僅有少量金剛石脫落。

南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釺焊的方法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料，在空氣中感應釺焊35秒，釺焊溫度780℃，實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。姚正軍等利用在Ar氣保護爐中感應釺焊的方法，用Ni-Cr合金粉末做釺料，真空感應釺焊30秒，釺焊溫度1050℃，實現了金剛石與鋼基體的牢固連線。利用掃描電鏡和X射線能譜儀，結合X射線衍射結構分析，發現在釺焊過程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層並與金剛石表面的C元素反應生成Cr3C2和Cr7C3，這是實現合金層與金剛石有較高結合強度的主要因素。磨削實驗採用大切深、緩進給、重負荷進行，從砂輪磨削後的表面形貌來看，沒有金剛石整顆脫落，金剛石磨粒屬正常磨損，說明金剛石有較高的把持強度，適合於高效磨削加工。

台灣中國砂輪公司(KNIK.Inc)推出單層均布金剛石高溫釺焊串珠，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內外研究的基礎上，採用Ni82CrBSi合金片狀釺料，金剛石均勻排布在釺料片上，在低真空熱壓燒結爐中實現釺焊，對釺焊金剛石工具進行了初步研究，並且探索如何將釺焊這一技術用於孕鑲工具中。從最佳化金剛石在胎體中的排布方式、金剛石粒度、濃度等靜態結構參數及有效金剛石數量、金剛石間距等動態參數出發，實現單層金剛石在橫向平面的有序排布，再通過疊層法在縱向呈錯落排布，實現工作層中金剛石具備連續工作能力。為檢驗胎體對金剛石的包鑲能力，特製作一隻表鑲金剛石鑽頭，進行5次開刃實驗，並測得其最大平均出刃值。通過對釺焊單層工具金剛石出刃高度的測試(金剛石為45/50目)，發現了其最大出刃值可達到70%以上，可以看出，釺焊技術可使金剛石與胎體的結合強度大大提高。對金剛石鑽頭(φ63mm)進行鋼筋混凝土鑽進模擬實驗的結果表明，鑽頭在鑽齒磨損近2mm時仍能繼續工作，從理論上講已經有兩層金剛石參與了工作，這似乎說明了可以實現“孕鑲”，具體的套用工藝仍在進一步研究之中。

存在的問題

金剛石釺焊時存在著許多急需解決的難點：①要求釺料對金剛石和胎體有良好浸潤性和結合強度；②釺焊材料及釺焊工藝的選擇要保證金剛石的穩定性，以減少或避免釺料對金剛石的侵蝕；③由於金剛石和金屬基體的熱膨脹係數差異較大，因而焊接殘餘應力也較大，降低接頭的強度；④釺料的熔點要高於金剛石工具的工作溫度，所以應尋找熔點較低並與金剛石膨脹係數接近的金屬(合金)材料作為釺料，再考慮加入某些活性元素以改善對金剛石的浸潤性和親和性，達到既能粘結金剛石又能滿足胎體機械性能的目的。此外，金剛石表面金屬化的實現方式、表面金屬與釺料的匹配和選擇、釺劑和氣體介質的選擇等關鍵技術還需進一步成熟和最佳化。

金剛石工具的使用效率與壽命除取決於金剛石磨粒被鑲嵌的牢固程度外，還與胎體的耐磨性有關。胎體本身強度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態、金剛石的濃度等都會對胎體的耐磨性產生影響，所以，如何使胎體達到理想的狀態也是今後工作中值得注意的問題。

總結

釺焊技術可實現金剛石、結合劑(釺焊合金材料)和金屬基體界面化學冶金結合，具有較高的結合強度。由於界面上的結合強度高，所以僅需很薄的結合劑厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可達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。與傳統技術相比，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，也顯示了無可比擬的優勢。總之，釺焊技術在金剛石工具製造過程中有著很好的發展前景，應儘快使這一技術實現產業化。