钎焊技术在金刚石工具生产中的应用
作者：缤果创意 发佈时间2011-04-02
1．钎焊技术在金刚石工具应用问题的提出
金刚石的高硬度和优秀物理机械性能使得金刚石工具成为加工各种坚硬资料不可短少的有效工具。胎体金属基对金刚石的粘结性（胎体的包镶才能）是影响金刚石工具运用寿命和性能的主要要素之一。
由于金刚石与普通金属和合金之间具有很高的界面能，致使金刚石颗粒不能为普通低熔点合金所浸润，粘结性极差，在传统的制造技术中，金刚石颗粒仅靠胎体冷缩后产生的机械夹持力镶嵌于胎体金属基中，而没有构成结实的化学键结或冶金分离，招致金刚石颗粒在工作中易与胎体金属基别离，大大降低了金刚石工具的寿命及性能程度。大局部孕镶式工具中金刚石的应用率较低，大量昂贵的金刚石在工作中零落流失于废屑之中。林增栋等率先应用金刚石外表金属化技术来赋予金刚石外表许多新的特性，如优秀的导热导电性、热稳性好，改善其原有的理化性能，进步其对金属或合金溶液的浸润性等。
金刚石外表金属化问题在上世纪70年代就惹起了国内外金刚石工具制造界的高度注重。不少人努力于在烧结过程中完成金刚石外表金属化的研讨，在胎体资料中添加或在金刚石外表预粘上强碳化物金属粉末（这种金刚石在未加热前，并未与镀层发作化学反响，只能属于金刚石包衣），以希冀它们在烧结过程中完成对金刚石的化学键分离。虽然文献已论证了一些金属例如钨（未被氧化）在较低温度下（800℃左右）就能在金刚石外表构成WC层，但从完成金刚石外表预金属化所用的工艺来看，需在真空条件下、600℃以上加热1小时才干得到理想的分离力。以目前常用的孕镶金刚石切削工具的烧结条件来看，在非真空或低真空中不超越900℃加热5分钟左右，是不大可能使金刚石外表生成金属化层的。由于无论活性金属原子（Ti、V、Cr等）向金刚石外表富集还是界面反响到达分离剂与金刚石冶金分离都是原子扩散过程，依据热压所用温度及这样短的时间内，这个过程是极不充沛的。在固相烧结条件下（有时有少量低强度低熔点的金属或合金液相），胎体对金刚石的化学键结或冶金分离力是非常弱的或基本不会构成。
金刚石外表预金属化并非最终目的，而仅是希冀与胎体金属完成化学冶金分离的措施之一。镀复后的金刚石在烧结成锯（钻）齿后，其折断面上暴显露的金刚石均失去了镀层，而零落了金刚石的残留坑外表非常润滑，这种现象似乎阐明了金刚石与胎体还未能到达化学包镶的程度。因此即便完成了金刚石的外表预金属化，传统的固相粉末冶金烧结法也不可能完成金刚石与胎体资料间的结实分离。
上个世纪八十年代末，人们开端探究钎焊技术用于金刚石工具制造。采用在金刚石外表镀复某些过渡族元素（如Ti、Cr、W等），并与其发作化学反响在外表构成碳化物。经过这层碳化物的作用，金刚石、分离剂、基体三者就能经过钎焊完成结实的化学冶金分离，从而完成真正的金刚石外表金属化，这就是金刚石钎焊的原理。从已发表的专利和文章中能够看出，该技术可使金刚石最大出刃值到达粒径的2/3，工具寿命进步3倍以上，而常规下该值缺乏1/3，允许出刃值可用开刃作业达稳定出刃值时来获取。所以，采用钎焊技术可望完成胎体金属（钎料）与母体资料—金刚石和钢基体之间的结实分离。
2．钎焊金刚石工具的研讨现状
目前，用钎焊法制造金刚石（或立方氮化硼）工具已开端成为热点技术，但仅局限于单层工具，关于多层完成“孕镶”尚未见有成果发表。国外的钎焊技术研讨始于20世纪80年代后期，但由于工作复杂至今仍停留在实验阶段，其应用也仅局限于单层工具；国内的高温钎焊技术研讨起步较晚，与兴旺国度相比，研讨的广度和深度远远不够，因此目行进展非常迟缓，但随着我国参加WTO，研讨的步伐必然逐步加速。
（1）国外高温钎焊金刚石工具的研讨情况
瑞士A K Chattopadhyay等用火焰喷镀法（氧—乙炔焊枪）把钎料合金（72%Ni，14.4%Cr，3.5%Fe，3.5%Si，3.35%B，0.5%O2）镀于工具钢基体上，并将金刚石（不包衣）布排于焊料层面上，然后在1080℃、氩气维护下感应钎焊30秒来完成金刚石与钢基体分离。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素，在钎焊过程中向金刚石外表富集而完成金刚石的外表金属化。
Wiand等在美国专利上引见的办法是：焊料(Ni-Cr)金属粉加有机粘结剂制成钎焊漆，把包衣金刚石粘在工具钢基体上，然后涂附钎焊漆，再加热到一个适中的温度并保温一定时间以扫除挥发物质。在真空炉（真空度1.333×10-2Pa）或干式氢气炉中加热到1100℃左右，保温1小时，钎焊的同时完成金刚石的外表金属化。
一些专利中也同样采用Ni-Cr合金钎料完成了钎焊，钎料中还包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如，在文献［14］中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金钎料在真空炉中完成钎焊，钎焊温度为1126～1176℃；文献［15］采用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等钎料钎焊金刚石砂轮；文献［16］用Ag-Mn-Zr银基钎料来钎焊金刚石工具，从而替代电镀工具。
德国的A Trenker等在钎焊过程中分别采用了镍基活性钎料和镍基钎料来完成金刚石与基体的分离。由与电镀工具的比照图能够看出，高温钎焊金刚石工具的性能比电镀金刚石工具优良得多，钎焊工具（运用活性钎料和PDA989、PDA665金刚石）起始磨削性能是电镀工具（镍基钎料和PDA665金刚石）的3.5倍以上，寿命是电镀工具的3倍以上；由于钎焊工具有较大的容屑空间，金刚石磨粒有较大的自在切削面且磨粒间空间较多，使切屑很容易被扫除，所以钎焊金刚石工具的磨削性能好。
（2）国内高温钎焊金刚石工具的研讨情况
第四军医大学和西安交通大学在国内外钎焊金刚石研讨的根底上，采用真空炉（真空度为0.2Pa）内高温钎焊的办法，以NiCr13P9合金为钎料，配以少量Cr粉，在高温（950℃）加压（4.9MPa）的条件下停止钎焊，从而完成了金刚石与钢基体间的结实分离。钎料平均散布于砂轮外表，金刚石已被结实钎焊，触摸砂轮外表觉得相当锐利粗糙。钎料在金刚石磨粒间散布平均，金刚石出刃高度高。其耐用度较电镀砂轮有了明显进步，工作后仅有少量金刚石零落。
南京航空航天大学的肖冰等应用高频感应钎焊的办法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中间层资料，在空气中感应钎焊35秒，钎焊温度780℃，完成了金刚石与钢基体间的结实分离。姚正军等应用在Ar气维护炉中感应钎焊的办法，用Ni-Cr合金粉末做钎料，真空感应钎焊30秒，钎焊温度1050℃，完成了金刚石与钢基体的结实衔接。应用扫描电镜和X射线能谱仪，分离X射线衍射构造剖析，发如今钎焊过程中Cr元素金刚石界面构成富Cr层并与金刚石外表的C元素反响生成Cr3C2和Cr7C3，这是完成合金层与金刚石有较高分离强度的主要要素。磨削实验采用大切深、缓进给、重负荷停止，从砂轮磨削后的外表形貌来看，没有金刚石整颗零落，金刚石磨粒属正常磨损，阐明金刚石有较高的把持强度，合适于高效磨削加工。
台湾中国砂轮公司（KNIK.Inc）推出单层均布金刚石高温钎焊串珠，在不降低其寿命的条件下，金刚石用量减少50%，切割速度进步2倍。
作者所在课题组在国内外研讨的根底上，采用Ni82CrBSi合金片状钎料，金刚石平均排布在钎料片上，在低真空热压烧结炉中完成钎焊，对钎焊金刚石工具停止了初步研讨，并且探究如何将钎焊这一技术用于孕镶工具中。从优化金刚石在胎体中的排布方式、金刚石粒度、浓度等静态构造参数及有效金刚石数量、金刚石间距等动态参数动身，完成单层金刚石在横向平面的有序排布，再经过迭层法在纵向呈参差排布，完成工作层中金刚石具备连续工作才能。为检验胎体对金刚石的包镶才能，特制造一只表镶金刚石钻头，停止5次开刃实验，并测得其最大均匀出刃值。经过对钎焊单层工具金刚石出刃高度的测试（金刚石为45/50目），发现了其最大出刃值可到达70%以上，能够看出，钎焊技术可使金刚石与胎体的分离强度大大进步。对金刚石钻头（φ63mm）停止钢筋溷凝土钻进模彷实验的结果标明，钻头在钻齿磨损近2mm时仍能继续工作，从理论上讲曾经有两层金刚石参与了工作，这似乎阐明了能够完成“孕镶”，详细的应用工艺仍在进一步研讨之中。
3.钎焊技术在金刚石工具应用中存在的问题
金刚石钎焊时存在着许多急需处理的难点：①请求钎料对金刚石和胎体有良好浸润性和分离强度；②钎焊资料及钎焊工艺的选择要保证金刚石的稳定性，以减少或防止钎料对金刚石的腐蚀；③由于金刚石和金属基体的热收缩系数差别较大，因此焊接剩余应力也较大，降低接头的强度；④钎料的熔点要高于金刚石工具的工作温度，所以应寻觅熔点较低并与金刚石收缩系数接近的金属（合金）资料作为钎料，再思索参加某些活性元素以改善对金刚石的浸润性和亲和性，到达既能粘结金刚石又能满足胎体机械性能的目的。此外，金刚石外表金属化的完成方式、外表金属与钎料的匹配和选择、钎剂和气体介质的选择等关键技术还需进一步成熟和优化。
金刚石工具的运用效率与寿命除取决于金刚石磨粒被镶嵌的结实水平外，还与胎体的耐磨性有关。胎体自身强度的上下、金刚石在胎体中的散布状态、金刚石的浓度等都会对胎体的耐磨性产生影响，所以，如何使胎体到达理想的状态也是今后工作中值得留意的问题。
4.结语
钎焊技术可完成金刚石、分离剂（钎焊合金资料）和金属基体界面化学冶金分离，具有较高的分离强度。由于界面上的分离强度高，所以仅需很薄的分离剂厚度就足以结实地把持住磨粒，其暴露高度可达70%～80%，使磨料的应用愈加充沛，大大进步了工具的寿命和加工效率。与传统技术相比，金刚石工具的允许最大出刃值可增加50%以上，在工具的功耗不增或有所降低的条件下，单位体积上工件资料的金刚石耗量减少一半以上。与电镀工具相比，也显现了无可比较的优势。总之，钎焊技术在金刚石工具制造过程中有着很好的开展前景，应尽快使这一技术完成产业化。
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