钎焊超硬磨料工具的研究进展.doc

钎焊超硬磨料工具的研究进展钎焊超硬磨料工具的研究进展 １　概述 由金刚石和立方氮化硼（ＣＢＮ）制作的超硬磨料工具被广泛应用于各类金属材料的磨削加工，石材、陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的加工，以及公路养护、地质采矿、油气钻探等众多工程领域，市场需求量很大目前生产中使用的超硬磨料工具一般是利用多层烧结或单层电镀工艺来制作，磨粒只是被机械地包埋、镶嵌在结合层中，把持力不大，在负荷较重的加工中容易因把持力不足而导致磨料过早脱落，造成浪费另一方面，在烧结和电镀工具中磨料为随机分布，磨粒的出露高度不大，容屑空间较小，在磨削加工时容易产生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用寿命　由于多层烧结和单层电镀磨料工具存在上述缺陷和弊端，使其在高效磨削和高速／超高速磨削中的应用受到较大限制为此，近十几年来国内外许多学者开始研究采用钎焊工艺来制作单层超硬磨料工具，其出发点是希望借助高温钎焊时在磨料、钎料和基体界面上发生的熔解、浸润、扩散、化合等相互作用（即通常所说的化学冶金作用），从根本上改善基体和钎料合金对磨料的把持强度图１所示为钎焊金刚石单颗磨粒与结合剂界面的微观形貌可以看出，钎料对金刚石磨粒表现出很好的浸润性，结合紧密，无间隙和沟槽存在。

金刚石磨粒晶粒完整，表面无裂纹，出露高度大与传统的多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，钎焊超硬磨料工具具有以下特点：①磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长；②磨粒的出露高度大（可达磨粒高度的７０％～８０％），容屑空间大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；③磨削力、功率消耗和磨削温度更低；④具有环保意义，符合当今倡导的绿色制造发展趋势 钎焊超硬磨料工具因具有独特的优越性而成为当今超硬磨料工具研究的一个热点本文从钎焊的钎料、工艺及方法等方面概述了国内外钎焊超硬磨料工具的研究现状和研究成果，分析了不同的钎料、工艺及方法对磨粒结合强度和界面微观结构的影响在此基础上，讨论了磨粒的优化排布问题以及在单层钎焊超硬磨料工具表面实现磨粒有序排布的方法 　　２　钎焊金刚石工具的研究现状 金刚石与一般的金属、合金之间有很高的界面能，其表面不易被熔化的金属或合金所浸润根据理论分析及文献报道，在一定的条件下，某些过渡族元素如Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ等，在一定条件下可与金刚石的碳元素在表面形成碳化物，而通过这层碳化物的作用，金刚石、钎料和钢基体三者就能通过钎焊实现牢固的冶金结合，这就是金刚石高温钎焊的原理。

金刚石钎焊的质量在很大程度上取决于所使用的钎料、钎焊工艺及方法因此，提高对金刚石磨粒把持力的关键就是寻求与之相适应的活性钎料、钎焊方法和钎焊工艺 　　２．１　镍基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法 瑞士的Ａ　Ｋ　Ｃｈａｔｔｏｐａｄｈｙａｙ采用的钎焊工艺为：先用火焰喷镀法（氧－乙炔焊枪）将钎料合金（主要成分为７２％Ｎｉ、１４．４％Ｃｒ、３．５％Ｆｅ、３．５％Ｓｉ、３．３５％Ｂ和０．５％Ｏ２）镀于工具钢基体上，并将金刚石排布于焊料层面上，然后在１０８０℃、氩气保护下高频感应钎焊３０秒实现金刚石与钢基体的结合钎料合金中的Ｃｒ作为一种强碳化物元素，在钎焊过程中向金刚石表面富集而实现金刚石的表面金属化 德国的Ａ　Ｔｒｅｎｋｅｒ等采用真空炉中钎焊的方法，在高温钎焊过程中分别采用了活性钎料和镍基钎料来实现金刚石与基体的结合在加工玻璃的实验中，与电镀金刚石工具相比，高温钎焊金刚石工具的性能更为优异，钎焊工具的起始磨削性能是电镀工具的３．５倍以上，寿命是电镀工具的３倍以上 南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊方法，用Ｎｉ－Ｃｒ合金钎料真空感应钎焊３０秒，钎焊温度１０５０℃，将金刚石牢固地钎焊在钢基体上经Ｘ射线衍射分析发现，合金钎料与金刚石在界面生成Ｃｒ７Ｃ３和Ｃｒ２３Ｃ７，因此这种钎焊工艺可以确保合金钎料层与金刚石之间的高强度结合。

在后续的大负荷磨削实验中，未发生金刚石整颗脱落，说明钎料对金刚石具有较高的把持强度姚正军等利用Ａｒ气保护炉中钎焊的方法，以Ｎｉ－Ｃｒ合金粉末作为钎料，控制钎焊温度１０５０℃、保温时间６ｍｉｎ和冷却速度３０℃／ｍｉｎ，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，发现钎焊过程中Ｎｉ－Ｃｒ合金中的Ｃｒ元素分离出来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，这是实现合金层与金刚石的较高结合强度的主要因素重负荷磨削实验表明，金刚石为正常磨损，无整颗金刚石脱落，能够适用于高效磨削加工卢金斌等利用真空炉中钎焊的方法，以Ｎｉ－Ｃｒ合金作为钎料，金刚石直接排布在Ｎｉ－Ｃｒ合金上，适当控制钎焊工艺，实现了金刚石与钢基体之间的牢固连接通过对金刚石与钎料界面微观结构的分析，发现钎焊过程中钎料会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，其中Ｃｒ７Ｃ３呈笋状生长，Ｃｒ３Ｃ２呈片状生长最后通过磨削对比实验验证了金刚石与钎料有较高结合强度马伯江等利用高频感应钎焊的方法，在相同的钎焊工艺条件下，采用两种不同成分的Ｎｉ－Ｃｒ钎料钎焊镀Ｔｉ金刚石和无镀膜金刚石。

试验使用了两种镍基活性钎料，两者相差４％Ｃｒ（质量分数），在Ａｒ气保护下进行高频感应钎焊，钎焊温度小于１１００℃，保温数秒结果表明，钎料成分不同、金刚石镀Ｔｉ与否，使金刚石表面生成的碳化物成分和形态各异，影响了它们与金刚石结合强度的高低在此基础上，分别采用真空炉中钎焊和氩气保护下的高频感应钎焊工艺制作了单层钎焊金刚石工具结果表明，这两种工艺制作出来的工具都可在金刚石－钎料界面上生成对提高金刚石把持力起关键作用的碳化物，但其界面结构存在差异在电阻炉中钎焊条件下，生成物有两层结构，内层产物是Ｃｒ３Ｃ２，外层产物是Ｃｒ７Ｃ３；在高频钎焊条件下，仅有单层产物Ｃｒ３Ｃ２第四军医大学的马楚凡等利用真空炉中钎焊的方法，以ＮｉＣｒ１３Ｐ９合金作为钎料，同时加入少量Ｃｒ粉，在高温（９５０℃）加压及真空度为０．２Ｐａ的条件下进行钎焊，实现了金刚石与钢基体间的牢固结合，研制出用于牙科ＣＥＲＥＣ　ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的专用单层钎焊金刚石砂轮扫描电镜观察显示，银白色的合金包绕在金刚石周界，钎料在金刚石磨粒间分布均匀，金刚石已被牢固钎焊，金刚石出刃高度大Ｘ射线衍射分析能观察到Ｃｒ３Ｃ２衍射峰，表明有Ｃｒ３Ｃ２生成正是通过金刚石界面上的碳化物层，合金材料实现了对金刚石的高把持力。

磨削实验证实了金刚石确有高把持强度，钎焊金刚石砂轮的耐用度及磨削效率较普通电镀砂轮明显提高 华侨大学的黄辉等利用高频感应钎焊的方法，以Ｎｉ－Ｃｒ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 　　２．２　银基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法 南京航空航天大学的肖冰等利用高频感应钎焊的方法，以添加Ｃｒ粉的Ａｇ－Ｃｕ合金作为钎料，在空气中感应钎焊３５秒，钎焊温度７８０℃，实现了金刚石与钢基体间的牢固结合经Ｘ射线能谱及Ｘ射线衍射分析，发现金刚石界面上有Ｃｒ３Ｃ２生成与不加Ｃｒ粉的Ａｇ－Ｃｕ合金钎料的对比试验表明，合金钎料正是通过金刚石界面上的这一碳化物层而强有力地把持住金刚石。

哈尔滨工业大学的孙凤莲等利用真空炉中钎焊的方法，以Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ活性钎料合金箔作为填充材料，对ＣＶＤ金刚石厚膜进行了钎焊实验实验参数：真空度５×１０－３Ｐａ，钎焊温度９２０℃，升温和降温速度为３０℃／ｍｉｎ，保温时间２０ｍｉｎ经Ｘ射线衍射分析，确定了金刚石与钎料结合界面处的新生化合物为ＴｉＣ层正是该碳化物层使钎料与金刚石之间产生了冶金结合，使金刚石厚膜与基体金属之间形成牢固连接在此基础上，讨论了不同的钎焊温度（８５０℃、８８０℃、９１０℃、９４０℃和９７０℃）对金刚石结合强度的影响试验结果表明，在９４０℃时剪切强度最大，达１３３ＭＰａ可见，钎焊温度直接影响到钎料、金刚石与基体之间的结合强度 哈尔滨理工大学的李丹等利用真空炉中钎焊技术对Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ钎料在金刚石表面的润湿状况进行了试验研究使用了３种Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ钎料，Ｔｉ的质量分数分别占５％、１０％和１５％钎焊工艺参数：真空度６．６５×１０－３Ｐａ，升温和降温速度３０℃／ｍｉｎ，钎焊温度９５０℃，保温时间２５ｍｉｎ试验发现，Ｔｉ占１０％的Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ钎料对金刚石具有较好的润浸性能，结合强度较高关砚聪等利用真空感应钎焊的方法，对Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ钎料钎焊金刚石磨粒进行了钎焊工艺试验研究，探讨了钎焊温度和钎料状态对结合强度的影响。

钎焊工艺：采用二级加热工艺，钎焊温度分别为８９０℃、９１０℃和９４０℃，真空度为０．２Ｐａ试验结果表明，钎焊温度比钎料熔化温度高５０℃（９４０℃）时，结合界面的结合强度最大，Ｘ射线衍射分析表明，在金刚石与钎料结合界面间新生的化合物为ＴｉＣ在钎焊温度为９４０℃时真空钎焊无镀膜金刚石，用Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ钎料合金箔的结合强度比用Ａｇ－Ｃｕ共晶合金箔与Ｔｉ箔的结合强度更高 广东工业大学的王成勇等利用高频感应钎焊的方法，在空气中或局部气体保护下高频钎焊金刚石主要钎焊工艺：在基体上放置钎焊片（主要为Ａｇ－Ｃｕ－Ｚｎ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ或其它Ａｇ－Ｃｕ基合金）和１０２焊剂，再将金刚石包裹上金属粉（铬粉和钛粉）放置在钎焊片上，或在放置了金刚石磨粒的钎焊片上均匀撒上金属粉，然后进行高频钎焊，实现了金刚石、钎料与基体之间牢固的化学冶金结合 　　２．３　铜基合金钎料钎焊金刚石的工艺及方法 巴基斯坦的Ｆ　Ａ　Ｋｈａｌｉｄ等利用真空炉中钎焊的方法，以Ｃｕ－１４．４Ｓｎ－１０．２Ｔｉ－１．５Ｚｒ合金作为钎料，研究了金刚石界面的微观结构钎焊工艺：真空度２×１０－８Ｐａ，钎焊温度９３０℃，保温时间１０ｍｉｎ，冷却速度２０℃／ｍｉｎ。

扫描电镜和Ｘ射线能谱分析表明，在金刚石－钎料界面生成的碳化钛有两层结构，第一层是立方形ＴｉＣ，第二层是细长形或柱形ＴｉＣ 西安交通大学的孟卫如等应用真空炉中钎焊的方法，对金刚石钎料的适应性进行了试验研究分别采用３种含有强碳化物形成元素Ｃｒ、Ｔｉ的ＢＮｉ２（ＮｉＣｒＳｉＢ）、ＢＮｉ７（ＮｉＣｒＰ）及自制的ＣｕＳｎＮｉＴｉ钎料，在各自的钎焊温度分别为１０５０℃、９５０℃和９００℃、保温时间１０ｍｉｎ及真空度０．１３Ｐａ的条件下，单层钎焊金刚石圆锯片（φ１２５ｍｍ）通过扫描电镜观察形貌和Ｘ射线能谱分析成分，表明３种钎料对金刚石有很好的润湿性，钎料中的Ｃｒ、Ｔｉ元素会向金刚石表面扩散，并与金刚石中的Ｃ元素结合生成碳化物碳化物的形成使金刚石、钎料与基体之间产生了化学冶金结合，提高了对金刚石的把持力，但结合状况及锯切性能随钎料的不同而存在差异试验证实，自制的铜基钎料钎。