1.釬焊技術(shù)在金剛石工具應用問題的提出

　　金剛石的高硬度和優(yōu)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(jié)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箭溜。由于金剛石與一般金屬和合金之間具有很高的界面能啥匀，致使金剛石顆粒不能為一般低熔點合金所浸潤，粘結(jié)性極差厚累，在傳統(tǒng)的制造技術(shù)中炼吴，金剛石顆粒僅靠胎體冷縮后產(chǎn)生的機械夾持力鑲嵌于胎體金屬基中，而沒有形成牢固的化學鍵結(jié)或冶金結(jié)合疫衩，導致金剛石顆粒在工作中易與胎體金屬基分離硅蹦，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闷煤，大量昂貴的金剛石在工作中脫落流失于廢屑之中童芹。林增棟等率先利用金剛石表面金屬化技術(shù)來賦予金剛石表面許多新的特性，如優(yōu)良的導熱導電性鲤拿、熱穩(wěn)性好假褪，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近顷。

　　金剛石表面金屬化問題在上世紀70年代就引起了國內(nèi)外金剛石工具制造界的高度重視生音。不少人致力于在燒結(jié)過程中實現(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粘上強碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前窒升，并未與鍍層發(fā)生化學反應缀遍，只能屬于金剛石包衣)，以期望它們在燒結(jié)過程中實現(xiàn)對金剛石的化學鍵結(jié)合饱须。盡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層域醇，但從實現(xiàn)金剛石表面預金屬化所用的工藝來看，需在真空條件下果孝、600℃以上加熱1小時才能得到理想的結(jié)合力肖升。以目前常用的孕鑲金剛石切削工具的燒結(jié)條件來看，在非真空或低真空中不超過900℃加熱5分鐘左右炼缰，是不大可能使金剛石表面生成金屬化層的拦袍。因為無論活性金屬原子(Ti衬榕、V、Cr等)向金剛石表面富集還是界面反應達到結(jié)合劑與金剛石冶金結(jié)合都是原子擴散過程乓托，根據(jù)熱壓所用溫度及這樣短的時間內(nèi)结憾，這個過程是極不充分的。在固相燒結(jié)條件下(有時有少量低強度低熔點的金屬或合金液相)剿营，胎體對金剛石的化學鍵結(jié)或冶金結(jié)合力是十分弱的或根本不會形成遗赘。

　　金剛石表面預金屬化并非最終目的，而僅是期望與胎體金屬實現(xiàn)化學冶金結(jié)合的措施之一千绍。鍍覆后的金剛石在燒結(jié)成鋸(鉆)齒后疾词，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灌旧，這種現(xiàn)象似乎說明了金剛石與胎體還未能達到化學包鑲的水平绑咱。因而即使實現(xiàn)了金剛石的表面預金屬化，傳統(tǒng)的固相粉末冶金燒結(jié)法也不可能實現(xiàn)金剛石與胎體材料間的牢固結(jié)合枢泰。

　　上個世紀八十年代末描融，人們開始探索釬焊技術(shù)用于金剛石工具制作。采用在金剛石表面鍍覆某些過渡族元素(如Ti衡蚂、Cr窿克、W等)，并與其發(fā)生化學反應在表面形成碳化物毛甲。通過這層碳化物的作用年叮，金剛石、結(jié)合劑玻募、基體三者就能通過釬焊實現(xiàn)牢固的化學冶金結(jié)合只损，從而實現(xiàn)真正的金剛石表面金屬化，這就是金剛石釬焊的原理七咧。從已發(fā)表的專利和文章中可以看出跃惫，該技術(shù)可使金剛石最大出刃值達到粒徑的2/3，工具壽命提高3倍以上顿储，而常規(guī)下該值不足1/3溺联，允許出刃值可用開刃作業(yè)達穩(wěn)定出刃值時來獲取。所以元渺，采用釬焊技術(shù)可望實現(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)合排卷。

　　2.釬焊金剛石工具的研究現(xiàn)狀

　　目前庵无，用釬焊法制作金剛石(或立方氮化硼)工具已開始成為熱點技術(shù)勉溉，但僅局限于單層工具，對于多層實現(xiàn)“孕鑲”尚未見有成果發(fā)表娩戳。國外的釬焊技術(shù)研究始于20世紀80年代后期肯锻，但由于工作復雜至今仍停留在實驗階段伍愕，其應用也僅局限于單層工具；國內(nèi)的高溫釬焊技術(shù)研究起步較晚户犯，與發(fā)達國家相比蓉庆，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而目前進展十分緩慢糜透，但隨著我國加入WTO撤宽，研究的步伐必然逐漸加速。

　　(1)國外高溫釬焊金剛石工具的研究狀況

　　瑞士A K Chattopadhyay等用火焰噴鍍法(氧—乙炔焊槍)把釬料合金(72%Ni粤咪，14.4%Cr谚中，3.5%Fe，3.5%Si寥枝，3.35%B宪塔，0.5%O2)鍍于工具鋼基體上，并將金剛石(不包衣)布排于焊料層面上囊拜，然后在1080℃某筐、氬氣保護下感應釬焊30秒來實現(xiàn)金剛石與鋼基體結(jié)合。釬料合金中的Cr作為一種強碳化物元素冠跷，在釬焊過程中向金剛石表面富集而實現(xiàn)金剛石的表面金屬化南誊。

　　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(jié)劑制成釬焊漆，把包衣金剛石粘在工具鋼基體上蔽莱，然后涂附釬焊漆弟疆，再加熱到一個適中的溫度并保溫一定時間以排除揮發(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℃左右盗冷，保溫1小時怠苔，釬焊的同時完成金剛石的表面金屬化。

　　一些專利中也同樣采用Ni-Cr合金釬料實現(xiàn)了釬焊台凰，釬料中還包括Fe义黑、B元素或Si、Mo等橘曙。例如慷递，在文獻［14］中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金釬料在真空爐中實現(xiàn)釬焊，釬焊溫度為1126～1176℃惑箕；文獻［15］采用Cu基含W祸芙、Fe、Cr科谨、B钱锉、Si等釬料釬焊金剛石砂輪；文獻［16］用Ag-Mn-Zr銀基釬料來釬焊金剛石工具，從而替代電鍍工具诊捆。

　　(2)國內(nèi)高溫釬焊金剛石工具的研究狀況

　　第四軍醫(yī)大學和西安交通大學在國內(nèi)外釬焊金剛石研究的基礎上鸽拱，采用真空爐(真空度為0.2Pa)內(nèi)高溫釬焊的方法，以NiCr13P9合金為釬料纸措，配以少量Cr粉谓苟，在高溫(950℃)加壓(4.9MPa)的條件下進行釬焊，從而實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合协怒。釬料均勻分布于砂輪表面涝焙，金剛石已被牢固釬焊，觸摸砂輪表面感覺相當銳利粗糙孕暇。釬料在金剛石磨粒間分布均勻纱皆，金剛石出刃高度高。其耐用度較電鍍砂輪有了明顯提高芭商，工作后僅有少量金剛石脫落派草。

　　南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釬焊的方法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料铛楣，在空氣中感應釬焊35秒近迁，釬焊溫度780℃，實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合簸州。姚正軍等利用在Ar氣保護爐中感應釬焊的方法鉴竭，用Ni-Cr合金粉末做釬料，真空感應釬焊30秒岸浑，釬焊溫度1050℃搏存，實現(xiàn)了金剛石與鋼基體的牢固連接。利用掃描電鏡和X射線能譜儀慷郎，結(jié)合X射線衍射結(jié)構(gòu)分析啡产，發(fā)現(xiàn)在釬焊過程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應生成Cr3C2和Cr7C3，這是實現(xiàn)合金層與金剛石有較高結(jié)合強度的主要因素促驶。磨削實驗采用大切深肢有、緩進給、重負荷進行物遗，從砂輪磨削后的表面形貌來看涣恤，沒有金剛石整顆脫落，金剛石磨粒屬正常磨損插撩，說明金剛石有較高的把持強度络骤，適合于高效磨削加工。

　　作者所在課題組在國內(nèi)外研究的基礎上摹院，采用Ni82CrBSi合金片狀釬料朵令，金剛石均勻排布在釬料片上褂宙，在低真空熱壓燒結(jié)爐中實現(xiàn)釬焊，對釬焊金剛石工具進行了初步研究本谜，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偎窘、金剛石粒度乌助、濃度等靜態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)及有效金剛石數(shù)量、金剛石間距等動態(tài)參數(shù)出發(fā)陌知，實現(xiàn)單層金剛石在橫向平面的有序排布他托，再通過疊層法在縱向呈錯落排布，實現(xiàn)工作層中金剛石具備連續(xù)工作能力仆葡。為檢驗胎體對金剛石的包鑲能力赏参，特制作一只表鑲金剛石鉆頭，進行5次開刃實驗沿盅，并測得其最大平均出刃值把篓。通過對釬焊單層工具金剛石出刃高度的測試(金剛石為45/50目)，發(fā)現(xiàn)了其最大出刃值可達到70%以上腰涧，可以看出韧掩，釬焊技術(shù)可使金剛石與胎體的結(jié)合強度大大提高。對金剛石鉆頭(φ63mm)進行鋼筋混凝土鉆進模擬實驗的結(jié)果表明窖铡，鉆頭在鉆齒磨損近2mm時仍能繼續(xù)工作柒汉，從理論上講已經(jīng)有兩層金剛石參與了工作，這似乎說明了可以實現(xiàn)“孕鑲”萨宙，具體的應用工藝仍在進一步研究之中监昏。

　　3.釬焊技術(shù)在金剛石工具應用中存在的問題

　　金剛石釬焊時存在著許多急需解決的難點：①要求釬料對金剛石和胎體有良好浸潤性和結(jié)合強度；②釬焊材料及釬焊工藝的選擇要保證金剛石的穩(wěn)定性惦知，以減少或避免釬料對金剛石的侵蝕承副；③由于金剛石和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，因而焊接殘余應力也較大爪辟，降低接頭的強度败饵；④釬料的熔點要高于金剛石工具的工作溫度，所以應尋找熔點較低并與金剛石膨脹系數(shù)接近的金屬(合金)材料作為釬料椭徙，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熊过，達到既能粘結(jié)金剛石又能滿足胎體機械性能的目的。此外征乳，金剛石表面金屬化的實現(xiàn)方式胖真、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)還需進一步成熟和優(yōu)化律姨。

　　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振峻，還與胎體的耐磨性有關(guān)。胎體本身強度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態(tài)扣孟、金剛石的濃度等都會對胎體的耐磨性產(chǎn)生影響烫堤，所以，如何使胎體達到理想的狀態(tài)也是今后工作中值得注意的問題凤价。

　　釬焊技術(shù)可實現(xiàn)金剛石鸽斟、結(jié)合劑(釬焊合金材料)和金屬基體界面化學冶金結(jié)合，具有較高的結(jié)合強度利诺。由于界面上的結(jié)合強度高富蓄，所以僅需很薄的結(jié)合劑厚度就足以牢固地把持住磨粒，其裸露高度可達70%～80%慢逾，使磨料的利用更加充分立倍，大大提高了工具的壽命和加工效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比侣滩，金剛石工具的允許最大出刃值可增加50%以上口注，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相询。與電鍍工具相比辐逝，也顯示了無可比擬的優(yōu)勢⌒寮担總之黄惭，釬焊技術(shù)在金剛石工具制造過程中有著很好的發(fā)展前景，應盡快使這一技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化普计。

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