釬焊單層金剛石磨具的研究進展

軒慶慶，龍偉民，張航海，鄭東興，張青科

（1.鄭州機械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，河南鄭州450001；2.北京國瑞升科技股份有限公司，北京100085；3.河南鄭州新鄭國際機場有限公司，河南 鄭州450001）

釬焊單層金剛石磨具的研究進展

軒慶慶1，龍偉民1，張航海2，鄭東興3，張青科1

（1.鄭州機械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，河南鄭州450001；2.北京國瑞升科技股份有限公司，北京100085；3.河南鄭州新鄭國際機場有限公司，河南 鄭州450001）

釬焊單層金剛石磨具的研究和應用在國內(nèi)外越來越受重視，與電鍍單層金剛石磨具相比，釬焊單層金剛石磨具具有金剛石出刃高、容屑空間大、金剛石與基體之間的結(jié)合強度高等無可比擬的優(yōu)點。從釬焊機理、釬料選擇和釬焊工藝流程三方面介紹國內(nèi)外釬焊單層金剛石磨具的研究現(xiàn)狀，并分析大批量制造單層金剛石磨具存在的問題，指出下一步的研究有四項關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：釬料厚度的實用化控制、優(yōu)質(zhì)釬料的開發(fā)、鋼基體受熱變形、金剛石磨粒有序排布技術(shù)，為釬焊單層金剛石磨具的產(chǎn)業(yè)化提供借鑒。

釬焊；單層金剛石；磨具

0 前言

單層金剛石磨具是指利用粘接劑把單層大顆粒金剛石磨料直接固定在金屬基體上而制成的以磨削、拋光、研磨為主要用途的金剛石工具。金剛石磨具的種類很多，主要包括砂輪、磨輥、磨輪、磨頭、滾筒、磨塊、珩磨條及各種柔性磨具。

隨著高速、超高速磨削的發(fā)展，單層金剛石磨具得到了廣泛應用。傳統(tǒng)的單層金剛石磨具的制造主要采用電鍍方法把金剛石顆粒固結(jié)在基體上，鍍層金屬與基體和金剛石的結(jié)合面上沒有牢固的冶金結(jié)合，把持力不大，金剛石只是被包埋鑲嵌在鍍層金屬中。在負荷較重的高效磨削作業(yè)中，磨輪容易因金剛石磨粒脫落或鍍層成片剝落而導致整體失效。為了保證鍍層金屬對金剛石有強的鑲嵌力，就必須增加鍍層厚度。電鍍法制備的單層金剛石磨具在使用過程中，隨著金剛石磨粒的磨損和脫落，磨削刃逐漸變鈍，使用壽命和加工效率都不理想。此外，電鍍磨具容屑空間較小，磨削過程中容易堵塞。

近年來，釬焊單層金剛石磨具的研究和應用越來越受重視[1-4]。與電鍍單層金剛石磨具相比，釬焊單層金剛石磨具具備金剛石出刃高、容屑空間大、金剛石與基體之間的結(jié)合強度高的特點，其原因是金剛石與基體間形成強力的冶金結(jié)合，工作時可使金剛石顆粒的出露高度達到其直徑的2/3而不脫落，而且金剛石在基體中的分布可以進行優(yōu)化設(shè)計。釬焊單層金剛石磨具克服了電鍍單層金剛石磨具把持力不強、出露高度低、電鍍生產(chǎn)造成水和環(huán)境污染的弊端，制成的金剛石磨具鋒利度高、容屑空間大，不易堵塞，能夠更加充分地發(fā)揮單層金剛石工具的優(yōu)勢[5]。研究和實際應用表明[6]：在相同條件下，與電鍍磨輪相比，釬焊磨輪磨削力、功率消耗、磨削溫度更低。因此，近年來釬焊法制造的單層金剛石磨具應用范圍迅速擴大，在一些應用領(lǐng)域正在取代傳統(tǒng)電鍍法制造的金剛石磨具[7]。

1 金剛石的釬焊性

由于金剛石與一般金屬（或合金）之間具有較高的界面能，導致大多數(shù)的單質(zhì)金屬或合金都難以有效地潤濕與粘接金剛石顆粒。雖然Al、Fe、Co和Ni在液態(tài)時能潤濕金剛石，但在潤濕溫度下對金剛石的侵蝕都很嚴重。金剛石使用含鐵的釬料釬焊后的微觀形貌如圖1a所示，可以看出金剛石表面侵蝕較為嚴重。Ti、Cr、Zr等強碳化物形成元素能較好地浸潤金剛石，但其中熔點最低的Ti元素的熔化溫度也超過了1 600℃，而金剛石在氧氣中于660℃開始氧化，在真空中1 500℃會發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。金剛石發(fā)生石墨化的微觀形貌如圖1b所示。因此，先使用活性元素在金剛石表面金屬化，以改善金剛石的焊接性，再采用適當熔點的釬料進行釬焊，或者直接采用含有活性元素的釬料，釬焊過程中活性元素先與金剛石反應生成碳化物，然后通過碳化物層的過渡作用使釬料和金剛石形成冶金結(jié)合[8]。

圖1 金剛石的微觀形貌[10]Fig.1 Microstructure of diamond[10]

釬焊金剛石的另一個難點是金剛石的線脹系數(shù)低于大多數(shù)金屬材料，為防止在釬焊熱應力作用下產(chǎn)生裂紋或斷裂，應盡量選擇與金剛石膨脹系數(shù)差異較小的釬料。

2 金剛石釬焊機理和活性釬料

從嚴格意義上講，單層金剛石工具的釬焊并不是純粹的釬焊，其原因是釬料對單晶金剛石的潤濕和擴散等界面反應非常微弱，單晶金剛石的釬焊實際上是釬焊連接與機械鑲包的雙重作用[11]，如圖2所示，焊后釬料在很大程度上實現(xiàn)了對金剛石單晶的包鑲。

圖2 釬焊后的金剛石磨粒微觀形貌及金剛石釬焊原理[9]Fig.2 Microtopography of diamond abrasive after brazing and schematic diagram of diamond brazing[9]

單層釬焊金剛石工具的制造主要是用釬料將金剛石焊接在金屬基體上的工藝過程。釬焊質(zhì)量很大程度上取決于釬料，釬料應具有合適的熔點并對金剛石有良好的潤濕性。實現(xiàn)單晶金剛石釬焊的關(guān)鍵是釬料中需含有一定比例的Ti、Cr、Zr等強碳化物形成元素，釬焊過程中這些元素與金剛石表面的碳原子形成碳化物，使釬料可以潤濕金剛石表面。由于強碳化物形成元素都是活性大的金屬元素，比如Cr、Zr極易氧化，而Ti對氫和氮有強烈作用，所以對單晶金剛石的釬焊一般應在高真空（10-4～10-3Pa）或惰性氣體的保護下進行。

目前用于釬焊金剛石顆粒的活性釬料主要有低熔點合金釬料和高熔點合金釬料兩種類型。低熔點合金釬料有銅基和銀基兩種系列，包括Ag-Cu-Ti、Ag-Cu-Cr和Cu-Sn-Ti等。高熔點合金釬料主要有Ni-Cr、Ni-Cr-Si-B、Ni-Cr-P、Ni-B-Cr和Ti-Zr-Cu-Ni等。低熔點合金釬料的主要優(yōu)勢是對金剛石的熱損傷小。金剛石在空氣中的石墨化溫度約為800℃，在真空中約為1 500℃，而Ag-Cu-Ti釬料的熔化溫度只有780℃～880℃，這樣既能使釬料很好地浸潤金剛石，又能有效控制金剛石的石墨化程度[12]。但是銅基和銀基合金釬料的耐磨削、耐高溫性能差，且釬料本身的強度較低，釬焊后的磨具難以實現(xiàn)重負荷磨削。Ni-B-Cr合金釬料用來釬焊金剛石顆粒已有20多年的歷史，Ni-B-Cr合金釬料的耐磨削、耐高溫性能好，本身強度高，缺點是熔點高（1 030℃），易造成金剛石的熱損傷[13-14]，所以釬焊一般在真空環(huán)境或者惰性保護氣體中進行。但在對金剛石顆粒預先進行表面金屬化后，可在空氣中使用感應焊機對其進行焊接[15]。常用的活性釬料系列如表1所示。

近年來在單層金剛石工具的釬焊方面已有較多的研究。盧金斌[16-17]等人在真空爐中采用Ag-Cu-Ti釬料對金剛石磨粒進行了真空釬焊試驗，觀察金剛石與釬料界面、金剛石表面碳化物形貌，分析金剛石與釬料界面的成分。結(jié)果表明，Ag-Cu-Ti釬料中的Ti元素在金剛石表面生成了尺寸小于1 μm的塊狀TiC，在界面上形成了金剛石/TiC/釬料/鋼基體的梯度結(jié)合層。此外，盧金斌[18-19]等人還深入研究了Ni-Cr合金真空釬焊金剛石的界面反應的熱力學與動力學、碳化物生長及位向關(guān)系等，在釬焊過程中金剛石表面碳化物生長機制方面取得了一定進展。Lee CH[20]等人使用Ni-Cr基釬料在不同溫度下對金剛石顆粒進行釬焊，發(fā)現(xiàn)金剛石/Ni釬料釬焊界面形成了多種Cr-C化合物，認為Cr-C化合物對于保持金剛石和釬料間的高連接強度非常重要。而Chen Y[9]等人通過對比Ag-Cu-Ti和Ni-Cr釬料釬焊金剛石的效果，發(fā)現(xiàn)使用較高熔點的Ni-Cr釬料會對金剛石造成表面石墨化、侵蝕、開裂等損傷，而使用較低熔點的Ag-Cu-Ti釬料基本不會對金剛石造成損傷。采用Ni-Cr-Me合金粉末做釬料，在1 050℃以上的釬焊溫度和10-3～10-2Pa的真空條件下燒結(jié)釬焊，也是目前單層金剛石磨具研究的熱點之一[21]，采用Ag-Cu-Ti-Me合金粉末做釬料，在900℃以下的釬焊溫度和10-4～10-3Pa真空條件下的浸漬釬焊是另一個研究方向[22-23]。

表1 單層金剛石工具釬焊用活性釬料

3 釬焊工藝流程

3.1 直接活性釬焊

高端的單層金剛石工具一般采用真空釬焊，真空度10-4～10-3Pa。具體方法是：先對基體進行除銹和拋光處理，再用酒精清洗，確?；w表面清潔；將金剛石顆粒酸洗后，再用去離子水漂洗后烘干。將焊片放在基體表面，再把金剛石撒在焊片上面，或者將釬料制成粉狀，直接與金剛石磨?；旌虾笕鲈诨w表面。一般需要采用專用的工裝固定工件，而后放入真空爐抽真空，待真空度達到一定程度后加熱。釬料熔化后活性元素與金剛石表面反應形成碳化物層，釬料潤濕并包覆金剛石顆粒。由于采用真空釬焊時升溫慢、金剛石磨粒在高溫下的停留時間長，易發(fā)生石墨化造成熱損傷，因此精確控制釬焊溫度也是保證釬焊質(zhì)量的重要因素。直接活性釬焊法如圖3所示。常用釬焊材料為Cu-Sn-Ti、Ni-Cr-B-Si、Ag-Cu-Ti粉狀釬料。

圖3 真空釬焊法示意[10]Fig.3 Schematic diagram of vacuum brazing[10]

3.2 表面金屬化釬焊

經(jīng)表面金屬化的金剛石顆?？稍诜嵌栊詺怏w中直接焊接，具體流程如下：先對基體表面和金剛石磨粒進行清潔處理；將膏狀釬劑分別涂在基體表面和焊片上，把焊片放在基體表面上，再把金剛石撒在焊片上面，感應加熱，至釬料熔化后保溫一定時間，冷卻后清除殘留釬劑和氧化物層。采用該方法排除了購買專用設(shè)備所需的大量啟動成本，而采用其他結(jié)合劑的金剛石工具通常都需購買專用設(shè)備。金剛石表面金屬化釬焊如圖4所示。

圖4 金剛石表面金屬化釬焊[9]Fig.4 Brazing of diamond surface metallization[9]

4 總結(jié)與展望

釬焊單層金剛石工具技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)解決了一些關(guān)鍵性的理論和技術(shù)問題，形成了部分適用的釬料體系和釬焊工藝規(guī)范，產(chǎn)品逐步得到推廣應用，下一步的研究工作將更多集中在研制優(yōu)質(zhì)釬焊材料和改進釬焊工藝上，以期獲得更高的釬焊質(zhì)量，應關(guān)注以下四項關(guān)鍵技術(shù)：

（1）釬料層厚度的實用化控制技術(shù)。目前用來釬焊金剛石顆粒的釬料主要有片狀和粉狀兩種形態(tài)。使用片狀釬料較易控制釬料層厚度的均勻性，但是釬料熔化后有一定的流動性，在重力作用下，熔化的釬料向基體較低的位置堆積并形成積瘤，給不規(guī)則基體形狀金剛石磨具的制造帶來困難；粉末狀釬料的均勻性控制難度更大，不僅要考慮釬料熔化后的流動性，還要考慮焊前如何將粉末狀釬料均勻一致地安置在基體上。另外，無論使用哪種釬料，都必須考慮加熱時間對釬料層的影響及釬料熔化后的流動。

（2）優(yōu)質(zhì)釬料的開發(fā)。目前使用的釬料雖能實現(xiàn)界面間的冶金結(jié)合，但是使用高熔點釬料釬焊時，金剛石會受到不同程度的熱損傷，而目前常用的低熔點釬料強度較低，易造成金剛石脫落，使用條件受到限制。因此，性能優(yōu)良釬料的研制還將是研究者努力的方向。

（3）鋼基體受熱變形。釬焊過程中，鋼基體因受到熱的作用會產(chǎn)生熱變形，影響工具的尺寸精度。因此，選擇合適的感應線圈或釬焊溫度，避免鋼基體的受熱變形。

（4）金剛石磨粒有序排布技術(shù)。單層金剛石磨具工作面上磨粒的合理有序排布已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。金剛石磨粒經(jīng)有序排布后，可顯著提高其使用壽命和對工件的加工質(zhì)量，有序排布的單層金剛石磨粒如圖5所示[10]。目前研究中的有序排布方案有電磁排布、靜電排布、機械篩網(wǎng)自動排布、吸氣篩網(wǎng)自動排布等[24]，但在工業(yè)生產(chǎn)中應用仍較少。因此，研制一種能自動實現(xiàn)金剛石磨粒有序排布的簡便而實用的機構(gòu)和裝置，是單層金剛石磨具釬焊中一個迫切需要解決的難題。

圖5 無序、半有序和有序排列的金剛石磨粒[10]Fig.5 Diamond abrasive of disorder，semi order and ord-erly arrangement

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Research progress of brazed monolayer diamond abrasive tools

XUAN Qingqing1，LONG Weimin1，ZHANG Hanghai2，ZHENG Dongxing3，ZHANG Qingke1
（1.State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals&Technology，Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering，Zhengzhou 450001，China；2.Beijing Grish Hitech Co.，Ltd.，Beijing 100085，China；3.Zhengzhou-Xinzheng Intel Airport，Zhengzhou 450001，China）

The research and application of monolayer diamond abrasive tools have been paid more and more attention at home and abroad.Compared with electroplating monolayer diamond abrasive tools，the brazed monolayer diamond tools have the unparalleled advantages of high diamond cutting edge，large chip space，high bonding strength between diamond and matrix.In this paper，the research status of brazing monolayer diamond abrasive tools at home and abroad is introduced from three aspects：the brazing mechanism，the selection of solder and the process flow，and the problems existing in the large scale manufacture of monolayer diamond abrasive tools are analyzed，which provide reference for the industrial production of monolayer diamond abrasive tools.

brazing；monolayer diamond；abrasive tools

TG454，TQ164

C

1001－2303（2017）03－0022-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.04

獻

軒慶慶，龍偉民，張航海，等.釬焊單層金剛石磨具的研究進展[J].電焊機，2017，47（03）：22-26.

2016-09-19；

2017-02-05

國家國際科技合作計劃項目（2015DFA50470）

軒慶慶（1990—），男，河南商丘人，碩士，主要從事新型釬料材料的開發(fā)及焊接工藝的研究。