金剛石刀具銀釬焊方法

麻東升，閻 兵，韓敬華

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000)

金剛石物理性能穩(wěn)定、晶粒組織致密，屬于超高硬度材料、耐磨損、切削性能好，是制作刀具最為理想的材料。目前國內(nèi)生產(chǎn)金剛石刀具的方法有錫釬焊、銀釬焊和銅釬焊。銅釬焊接頭處的強(qiáng)度很高，釬焊料在市場上很容易獲得，釬焊在900～1 100℃高溫下進(jìn)行，會使金剛石金相組織發(fā)生變化，降低了金剛石刀具的切削性能和自銳性;銀釬焊的加熱溫度(600～700℃)相對很低，釬焊接頭處抵抗沖擊力的能力較高，但銀釬料在市場上的價(jià)格較高，釬料的品種較少，造成金剛石刀具的生產(chǎn)成本升高;錫釬焊所需的溫度(200℃)最低，而釬焊接頭處的所能承受沖擊強(qiáng)度無法滿足金屬切削加工的要求，目前很少采用［1］。本文主要研究金剛石刀具釬焊中對銀釬料、釬焊劑、加熱設(shè)備的合理選擇、釬焊工藝過程控制，以及釬焊接頭處所承受應(yīng)力、強(qiáng)度的計(jì)算等，可以有效預(yù)防或避免釬焊接頭處缺陷的產(chǎn)生，有利于獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，延長金剛石刀具的使用壽命。

1 銀釬料的選擇

銀釬料是一種銀基固熔體的合金，主要組成元素有銀、銅、鋅、鎘。其中銀元素占40% ～50%，釬料的熔點(diǎn)為600～750℃，常用厚度為0.1～0.5 mm。表1為國內(nèi)、外常用幾種銀釬焊料。

表1 國內(nèi)、外銀釬焊料的主要參數(shù)

綜合考慮選用牌號為313銀釬料。

2 釬焊劑的選擇

釬焊劑主要用于清理和去除釬焊接頭處因氧化而產(chǎn)生的化合物，特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，液體密度小，溶化后很容易薄敷在熔合區(qū)，可有效隔離空氣，防止釬焊材料高溫氧化，同時(shí)要增強(qiáng)液態(tài)釬料的流動性，有利于滲入釬焊接頭處的間隙中，冷卻后形成釬焊接頭。選擇常用的102釬焊劑。

3 加熱設(shè)備的選用

采用高頻反應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，加熱速度快，熱量均勻而集中，便于釬焊溫度的控制，無噪音、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、便于觀察和釬焊操作等，是目前理想的金剛石刀具加熱設(shè)備。

4 釬焊工藝過程

4.1 金剛石基體材料和釬焊縫尺寸的選擇

1)金剛石基體材料直接影響釬焊接頭的強(qiáng)度，對釬料的潤濕性有決定性作用。目前國內(nèi)市場生產(chǎn)的有金剛石孕鑲塊和金剛石復(fù)合片作為金剛石膜，硬質(zhì)合金材料作為金剛石基層的底墊，圖1為金剛石孕鑲塊或金剛石刀頭的結(jié)構(gòu)［2］。

2)焊縫層尺寸決定了金剛石刀具釬焊強(qiáng)度的大小。以圓棒對接釬焊為例，分析金剛石刀具釬焊處應(yīng)力的大小。已知刀具基體是硬質(zhì)合金材料，直徑為D0;釬焊層由釬料組成，其厚度為H0，直徑D0，如圖2所示。

取垂直于圓柱體軸線的任意橫截面，應(yīng)用力學(xué)公式，求出圓柱體的軸向拉應(yīng)力［3］，公式為:

式中:σy—圓柱體的軸向拉應(yīng)力;σs—圓柱體橫截面的拉應(yīng)力;Sr—比例系數(shù)(釬焊層的相對強(qiáng)度)，—釬焊層釬料的強(qiáng)度—硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度;r—圓柱體的半徑。

通過公式(1)得出:圓柱體軸向拉應(yīng)力對稱分布，在圓柱體軸心處(r=0)，應(yīng)力值最大。

圓柱體的計(jì)算強(qiáng)度(σN)D=(σy)max，則

公式(4)得出，釬焊接頭處的承載強(qiáng)度隨釬焊層的厚度減小而增大，而隨釬焊接頭處的釬料強(qiáng)度增加而增大決定了釬焊接頭處的承載能力。

金剛石刀具釬焊后所能承載的最大沖擊能力與釬焊層厚度大小有關(guān)，釬焊層越薄，釬焊接頭處承載應(yīng)力越大，反之承載應(yīng)力越小，而釬焊層的薄厚是由裝配間隙的大小決定的。如果釬焊接頭處的裝配間隙過小，會影響液態(tài)釬料的滲入，阻礙液態(tài)釬料的潤濕和相互擴(kuò)散性能，造成焊層不完整等缺陷，降低了金剛石刀具的使用性能。

目前常采用切削試驗(yàn)法來選擇和確定裝配間隙的大小。在天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院對牌號為313的銀釬料，釬焊溫度為850℃條件下完成的釬焊接頭進(jìn)行了切削試驗(yàn)，試驗(yàn)件的組裝形式見圖3，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2［4］。

從表2可見，當(dāng)釬焊溫度為850℃時(shí)，釬焊縫尺寸為0.15 mm，焊層的抗剪強(qiáng)度最大，其平均值為221 MPa。

表2 釬焊縫尺寸與抗剪強(qiáng)度

4.2 加熱方式

高頻反應(yīng)設(shè)備在進(jìn)行加熱時(shí)，主要選用環(huán)形和矩形的感應(yīng)器，如圖4所示。

1)環(huán)形感應(yīng)器:它用于釬焊尺寸不大的孕鑲塊鉆頭、薄壁鉆頭和復(fù)合片切削具等。圖5a)為釬焊孕鑲塊鉆頭的方式;圖5b)為釬焊薄壁鉆頭的方式;圖5c)為釬焊復(fù)合片切削具的方式。

當(dāng)圓鋸片直徑為250～500 mm，厚度為1.6～2.5 mm時(shí)，釬焊方式如圖6所示。

2)矩形感應(yīng)器

當(dāng)鋸片直徑大于500 mm，厚度大于3 mm，其釬焊方式，如圖7。

當(dāng)釬焊大直徑鉆頭時(shí)，由于受感應(yīng)圈尺寸的限制，同時(shí)為了提高釬焊質(zhì)量，可以在35～50 kW的真空爐中加熱進(jìn)行銀釬焊。常采用真空碳管爐，真空度的要求為133.3×10－5Pa。設(shè)備的機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵常采用如圖8所示的串聯(lián)系統(tǒng)。

4.3 釬焊注意事項(xiàng)

1)金剛石刀具釬焊前，必須做好接觸面的清理工作，并露出金屬光澤;

2)嚴(yán)格對金剛石孕鑲塊和硬質(zhì)合金基體的裝配位置、間隙大小進(jìn)行校正;

3)將釬焊接頭處放置加熱感應(yīng)器中，盡量保證受熱均勻;

4)釬焊完成并冷卻到室溫后，對刀具進(jìn)行切應(yīng)力和沖擊力的試驗(yàn)，保證刀具最低的使用強(qiáng)度;

5)鋸片式的釬焊，端面公差為 ±0.2 mm，圓周公差為 ±1.0 ～1.4 mm，見圖9。

5 結(jié)束語

通過采用牌號為313銀釬料和102釬焊劑，利用高頻環(huán)形感應(yīng)器加熱對金剛石圓鋸片進(jìn)行銀釬焊，該圓鋸片直徑300 mm，厚度2 mm，釬焊溫度控制在850℃，釬焊縫尺寸為0.15 mm，釬焊后經(jīng)過切削強(qiáng)度試驗(yàn)，焊層的抗剪強(qiáng)度最大，其平均值為221 MPa，通過光學(xué)顯微鏡和UT(超聲檢測)，對釬焊接頭處的表面和內(nèi)部進(jìn)行觀察和無損檢測，沒有發(fā)現(xiàn)可見缺陷特征，有效預(yù)防或避免釬焊接頭處缺陷的產(chǎn)生，滿足了切削強(qiáng)度的要求，從而獲得了優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，延長金剛石刀具的使用壽命。

［1］周玉梅，呂智，章兼植，等.釬焊技術(shù)在金剛石工具中的應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2004(3):9－12.

［2］李飛.釬焊金剛石磨具加工石材的磨損和工藝參數(shù)優(yōu)化［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2009.

［3］孟金龍.金剛石刀具高頻感應(yīng)釬焊工藝的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［4］王立，李嫚，賈乾忠，等.金剛石刀具釬焊工藝的研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2008(3):66－69.