釬焊金剛石工具的研究綜述

王光祖,方占江

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001；2.河南七方超硬制品科技有限公司，禹州 461670)

1 概述

釬焊金剛石技術(shù)是由美國(guó)的專家20世紀(jì)70年代率先提出并研究出來的，后經(jīng)瑞士、美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等許多專家學(xué)者的研究發(fā)展，于21世紀(jì)初逐漸成熟起來的一項(xiàng)金剛石工具制造新技術(shù)。釬焊金剛石技術(shù)的基本原理是：采用含有活性元素(如Ti、Cr、W等)的釬料，其熔化溫度低于金剛石與基體的熔化溫度，在高溫的釬焊過程中，利用活性元素與金剛石表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成一層碳化物，借助于這層碳化物的過渡作用，使得液態(tài)釬料在金剛石和基體表面濕潤(rùn)、鋪展、毛細(xì)流動(dòng)、填縫、相互溶解和擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)金剛石、釬料、基體三者牢固的化學(xué)冶金結(jié)合。

利用釬焊金剛石技術(shù)制作的高溫釬焊金剛石工具在如下方面顯示出無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

(1)結(jié)合強(qiáng)度高，對(duì)金剛石磨料把持牢固，在使用過程中不脫落。

(2)對(duì)金剛石磨料潤(rùn)濕形態(tài)好，釬焊后呈“現(xiàn)金字”塔形狀，造成金剛石磨料出露高，同時(shí)金剛石磨料間的形狀呈現(xiàn)“凹”形，容屑空間大，在使用過程中不容易發(fā)生切屑堵塞而導(dǎo)致工具失效現(xiàn)象。

(3)金剛石磨料本身利用率高，特別是金剛石本身具有微破碎自銳性的情況下，工具的壽命會(huì)大大提高，有效地節(jié)省了資源。

(4)其牢固的化學(xué)冶金結(jié)合適合高負(fù)荷高效磨削。

(5)在釬焊金剛石工具制作過程中無(極少)廢氣、無(極少)廢水、無(極少)塵埃，完全屬于綠色制造，較其他制作方法有著明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

釬焊金剛石技術(shù)已引起世界各國(guó)金剛石工具制造業(yè)界的廣泛重視，從20世紀(jì)90年代開始，世界各國(guó)從事釬焊金剛石技術(shù)研究，生產(chǎn)開發(fā)的單位越來越多，在金剛石釬焊機(jī)理、釬料制作、燒成辦法、工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)越來越成熟，金剛石焊釬工具的應(yīng)用己從過去的玻璃、石材、陶瓷和混凝土加工業(yè)，擴(kuò)大到硅材料、藍(lán)寶石、碳纖維復(fù)合材料、塑料、耐火材料、鑄鐵等加工業(yè)，其用量正日益增多。值得一提的是在鈦合金、錳鋼合金和金屬陶瓷等難加工的材料中，金剛石釬焊金剛石工具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但到目前為止，釬焊金剛石技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化局面還沒有完全形成，釬焊金剛石工具的制作手段仍大部分停留在手工作業(yè)的環(huán)境中，生產(chǎn)效率非常(較)低，產(chǎn)品品級(jí)一致性差，質(zhì)量保證困難。

金剛石工具的釬焊已經(jīng)形成了一專門化的工種，行業(yè)發(fā)展百花齊放，能形成共識(shí)的發(fā)展趨勢(shì)有以下五點(diǎn)：自動(dòng)化、綠色化、工藝復(fù)合化、優(yōu)質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)化。

2 金剛石工具釬焊設(shè)備與工藝

由于金剛石工具種類繁多，形式各異，派生的工藝和設(shè)備更是不勝枚舉，但目前主流工藝以感應(yīng)釬焊和真空釬焊為主[1-2]。

高頻感應(yīng)釬焊加熱速度快、釬焊效率高;操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低;可釬焊各種形狀復(fù)雜和多齒工件;采用自動(dòng)送料，氣氛保護(hù)或真空感應(yīng)釬焊時(shí)，接頭具有很好的外觀和釬焊質(zhì)量。該方法不僅在一次焊接時(shí)生產(chǎn)成本低，而且基體可以復(fù)釬焊而重復(fù)利用。隨著金剛石工具制造人力成本的增加和對(duì)金剛石工具釬焊質(zhì)量穩(wěn)定性要求的提高，自動(dòng)感應(yīng)釬焊工藝逐漸成為焊接金剛石鋸切工具的主要方法，金剛石工具自動(dòng)感應(yīng)釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)分齒、自動(dòng)識(shí)別拾取刀頭、自動(dòng)送焊片,具有焊接精度高、接頭牢固、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一人可操作多臺(tái)機(jī)器，極大地降低了人工成本。

爐中釬焊(連續(xù)氣氛保護(hù)爐釬焊)主要用于小鋸片和異型金剛石工具的生產(chǎn)，一般采用分解氨生成的氫氣和氮?dú)庾鳛檫€原氣體，加熱速度緩慢而溫度均勻，釬焊接頭美觀、質(zhì)量可靠、工件表面光亮、生產(chǎn)效率高、焊接成本低、適合批量化生產(chǎn)。

真空釬焊一般采用電阻爐輻射加熱，生產(chǎn)效率高，可以焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的金剛石工具。目前，真空釬焊單層金剛石工具廣泛用在整體工具、磨輪、石材工具、玻璃工具的制造，真空多層金剛石工具具有較好的應(yīng)用前景。

激光釬焊方法逐漸應(yīng)用于制造單層金剛石工具[3]。激光釬焊時(shí)工件局部受熱快，釬焊過程中金剛石在高溫狀態(tài)下停留時(shí)間短，可有效避免金剛石發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，同時(shí)激光釬焊工藝還可以實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒的有序排列，加熱效率高、溫度控制精準(zhǔn)，可進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工，自動(dòng)化程度高，作業(yè)環(huán)境好。采用激光釬焊焊接法焊接大尺寸及異型復(fù)雜工件，還能避免高頻感應(yīng)釬焊的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)。

3 釬料

目前，用于焊接金剛石的釬料主要有Ni-Cr、Ag-Cu-Ti和Cu-Sn-Ti三類合金。其中最廣泛的是Ni-Cr釬料，Ni基釬料具有較高的強(qiáng)度及硬度，但釬焊時(shí)溫度極高，容易對(duì)金剛石造成熱損傷而導(dǎo)致金剛石性能下降，影響金剛石強(qiáng)度和工具壽命。Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti以低熔點(diǎn)合金作為釬料，對(duì)金剛石浸潤(rùn)性良好，金剛石熱損傷小。但低熔點(diǎn)合金釬料硬度不高，耐磨削、耐高溫性能差，應(yīng)用范圍受到限制[4-6]。

鐵基釬料的主要優(yōu)點(diǎn)是，較適宜的力學(xué)性能，如抗彎強(qiáng)度、硬度等;對(duì)金剛石有較好的潤(rùn)濕性和更高的附著力;對(duì)骨架材料的潤(rùn)濕性好;同時(shí)，鐵基釬料具有價(jià)格低廉的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，深受廣大研究者和廠商的重視，是近來國(guó)內(nèi)外重要的應(yīng)用和發(fā)展方向[7-8]。

采用高溫釬焊工藝以改善金剛石與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，該工藝主要通過在釬料中添加活性金屬元素(如Ti、Cr、Mo、W等)，利用活性元素在釬焊過程中向金剛石表面富集并在金剛石界面處生成相應(yīng)的碳化物而實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，大大提高了結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持強(qiáng)度，金剛石的出刃高度可達(dá)到磨粒自身高度的2/3，有效增大了金剛石的利用率和容屑空間。

作為PDC鉆頭的切削齒通過釬焊的方式被焊接在鉆頭體上，其釬焊縫需要承受各種力、侵蝕、磨損等苛刻條件下的復(fù)雜載荷[9]。因此，釬焊強(qiáng)度直接影響了鉆頭使用壽命，為解決復(fù)合片的脫落問題，工程技術(shù)人員致力于提高釬焊材料的性能研究，比如更換結(jié)合強(qiáng)度更高的釬料。

隨著制造業(yè)不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，研究PDC鉆頭的釬焊自動(dòng)化取代高強(qiáng)度、高污染的手工釬焊鉆頭生產(chǎn)是釬焊工藝中的重點(diǎn)研究方向之一[10]。

金剛石的可焊性差，似乎找不到一種既能充分潤(rùn)濕又不嚴(yán)重侵蝕金剛石的純金屬材料;金剛石的熱穩(wěn)定性差，高溫下容易受熱損傷。因此選擇釬料時(shí)既要考慮釬料能充分浸潤(rùn)金剛石，又要盡量降低釬焊的溫度，設(shè)想從低熔點(diǎn)連接元素Ag、Cu、Zn、Sn和碳化物形成元素Ti、Cr、W中，各取適當(dāng)元素制成釬料，來實(shí)現(xiàn)金剛石與鋼基體的連接。

釬焊材料對(duì)金剛石工具性能的影響，主要是通過釬料中的某些活性元素(例如Cr、Ti、Fe、V、W等)與金剛石表層碳原子發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了金剛石與基體、金屬性結(jié)合劑的化學(xué)冶金結(jié)合，從而提高金剛石的出刃高度和使用壽命。在鎳基釬料中，一般添加Cr元素，而在銅基和銀基釬料中，一般添加Ti元素。此外，活性元素的增加，還能對(duì)釬焊層起到固溶強(qiáng)化的作用，增強(qiáng)釬焊層的耐磨性。

釬焊在金剛石工具中的應(yīng)用研究越來越多，范圍也越來越廣，并取得了重大進(jìn)展，但總體看還存在許多不足。

(1)釬焊單層金剛石工具的鋒利度和壽命取決于金剛石本身的強(qiáng)度和耐磨性，一旦單層金剛石破碎或磨損，工具壽命就告終了。

(2)復(fù)雜條件下使用的釬料多為Ni-Cr(-Ti)合金或Cu-Sn-Ti釬料，這些釬料的熔點(diǎn)較高，且燒結(jié)的焊層脆性較大，不利于金剛石工具的使用。

(3)釬焊法能顯著提高胎體包裹金剛石的能力，但是并未有各種定量的衡量指標(biāo)，例如,釬焊層的物理性能，釬料熔融后的收縮性。

綜合上述問題，對(duì)今后的研究方向有以下4點(diǎn)建議：

(1)研究釬焊孕鑲金剛石工具，特別是耐磨性鎳基有序排列孕鑲金剛石工具，以適用于地質(zhì)勘探、石油開采、建筑材料加工、寶玉石加工等對(duì)工具壽命要求較高的領(lǐng)域。

(2)尋找開發(fā)能夠大幅度陣低釬焊溫度，滿足復(fù)雜應(yīng)力條件下使用，而且可以有氧氣氛或低真空環(huán)境下燒結(jié)的新型釬料，以降低高溫?zé)Y(jié)對(duì)金剛石產(chǎn)生的熱損傷和生產(chǎn)成本。例如鎳基釬料熔點(diǎn)高、耐磨性好，而添加銅粉、石墨等材料后可以降低于金剛石的石墨化程度，同時(shí)還可增強(qiáng)胎體的塑性，促進(jìn)金剛石出刃。因此，可以加強(qiáng)Ni-Cr-Cu-C合金釬料的研究。

(3)應(yīng)對(duì)釬焊層的物理力學(xué)性能進(jìn)行研究，例如硬度、耐磨性、抗沖擊性等，用定量的指標(biāo)來指導(dǎo)后續(xù)的研究。

(4)燒結(jié)后金剛石的反應(yīng)比例值多少為最佳，這個(gè)反應(yīng)值與釬料中活性元素的含量、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛等因素有關(guān)。此外，釬料熔融后的收縮性對(duì)金剛石的出刃高度也是重要的影響，應(yīng)加強(qiáng)這些基礎(chǔ)研究[11]。

4 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，利用紙層疊和光固化等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速成型。作為工業(yè)4.0中實(shí)現(xiàn)“智能生產(chǎn)”和“智能工廠”的重要方法，它完成了由信息流到物理實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。如今，隨著3D打印技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，其不斷與其他產(chǎn)業(yè)相結(jié)合促進(jìn)了制造業(yè)的迅猛發(fā)展。

傳統(tǒng)金剛石工具制造方法，如燒結(jié)、電鍍、釬焊等，難以制造異型、超薄、微型的金剛石工具。因此，引入3D打印技可以為金剛石工具制造提供了一種新的工藝方法[12]。

近年來，3D打印技術(shù)已成為一種新型熱門制造技術(shù)，它使用多種原材料成型制造具有不同力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征的零部件[13-15]。此外，該技術(shù)將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的二維加工，使成型精密和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件制造更加便捷。

3D打印技術(shù)(增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù))以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用高散材料(液體、粉末、絲、片、板)通過逐層累加方式來制造任意復(fù)雜形狀的零件[16]，3D打印最常用的材料是光固化樹脂，可以增強(qiáng)層間結(jié)合強(qiáng)度，利用這種工藝制造出了圓盤狀的平面磨削砂輪和超薄型切割砂輪[17-18]。

5 有序排布

有序排布超硬磨料磨具是近年來出現(xiàn)的一種新型的超硬磨料磨具，它與傳統(tǒng)的超硬磨料磨具不同，這類磨具中的磨料依照預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有序排布，使磨粒均勻分布，具有合理的磨粒間距。因此，各個(gè)磨粒均參與切削，有效減少了因磨粒重復(fù)切削而產(chǎn)生的相互干擾。進(jìn)而增加了砂輪工作表面的容屑空間，提高了容納冷卻液的能力，且磨削刃鋒利，能有效降低磨削力和磨削溫度，與傳統(tǒng)方法制造的超硬磨具相比在磨削性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在已有的釬焊金剛石磨盤只可應(yīng)用于打磨、切割石材，尚未出現(xiàn)針對(duì)鋼鐵材料的高效、耐磨的釬焊金剛石工具。為解決提高釬焊磨盤磨削效率與壽命這個(gè)問題，對(duì)磨盤表面進(jìn)行有序排布，設(shè)計(jì)出一種將較大顆粒金剛石緊密排布并形成一定規(guī)則幾何形狀的蔟狀，同時(shí)簇狀均勻合理分布在基體表面的新排布方式。該排布方式解決了傳統(tǒng)磨盤排布方法難以根據(jù)工況，使用參數(shù)進(jìn)行地貌優(yōu)化的難題，并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域磨料有序排布[19]。

6 金剛石釬焊質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[20]

從20世紀(jì)90年代初金剛石釬焊技術(shù)被提出以來，從事金剛石釬焊研究的學(xué)者們主要從金剛石釬焊微觀形貌特征、釬焊金剛石刀具摩擦磨損性能、金剛石釬焊強(qiáng)度、金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力等方面來評(píng)價(jià)釬焊金剛石工具質(zhì)量。

(1)釬焊金剛石微觀形貌特征

金剛石釬焊形貌特征主要包括：金剛石表面形貌和釬焊形貌，以及金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌等。其中金剛石表面形貌可以反映出其熱損傷及石墨化程度，釬料形貌可以反映出釬料對(duì)金剛石的潤(rùn)濕鋪展程度，金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌可以反應(yīng)出三者之間的化學(xué)冶金反應(yīng)狀態(tài)。

(2)釬焊金剛石磨粒摩擦磨損性

在磨粒磨削加工過程中，磨粒承受來自工件的沖擊作用和接觸產(chǎn)生的熱載荷。倘若釬焊接頭強(qiáng)度不足把持位住高負(fù)荷加工狀態(tài)的磨粒，磨粒將產(chǎn)生非正常脫離。根據(jù)此原理，開展金剛石磨粒摩擦磨損試驗(yàn)，其結(jié)果可以用來判評(píng)釬焊性能。

(3)金剛石釬焊強(qiáng)度

釬焊硬度是高性能釬焊接頭的重要直接評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)受力方向可分為抗拉伸強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度，抗拉伸強(qiáng)度雖然能直接反映材料界面上結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，但抗剪切強(qiáng)度更符合磨粒磨削加工過程中受力狀態(tài)。

(4)金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是影響金剛石釬焊接頭性能的重要因素，殘余應(yīng)力過大，將導(dǎo)致釬焊接頭萌生裂紋導(dǎo)致磨粒在加工過程中產(chǎn)生不正常脫落或磨損。

7 金剛石釬焊性能主要影響因素

在焊金剛石工具制備過程中，釬料粉末、鍍覆金剛石類型、釬焊工藝參數(shù)(包括釬焊溫度、保溫時(shí)間、釬焊氣氛等)等，都對(duì)金剛石釬焊性能有很大影響。

7.1 釬料成分

(1)釬料具有合適熔點(diǎn)。

(2)釬料對(duì)金剛石具有良好的浸潤(rùn)、擴(kuò)散作用。

(3)釬料應(yīng)具有穩(wěn)定、均勻的成分，以減少釬焊過程中的偏析現(xiàn)象和易揮發(fā)元素的損耗。

(4)具有一定的強(qiáng)度、硬度和熱膨脹系數(shù)。

(5)避免由于物理性能的不匹配導(dǎo)致金剛石與釬料截面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

7.2 金剛石鍍膜

金剛石鍍膜是指在金剛石表面鍍覆一層親和性金屬，并且使鍍層與金剛石之間發(fā)生牢固的化學(xué)鍵合，降低金剛石的表面能，易與金屬結(jié)合劑浸潤(rùn)，改善金剛石表面的可焊性，實(shí)現(xiàn)金剛石與金屬之間的冶金結(jié)合。

7.3 釬焊工藝參數(shù)鍍

(1)釬料的熔化填充，以及熔化的釬料與金剛石表面的的化學(xué)冶金反應(yīng)的過程都離不開溫度大小和保溫時(shí)間作用。

(2)釬焊氣氛

由于金剛石在高溫易于石墨化，金剛石的釬焊工藝，一般是在真空或保護(hù)氣氛中進(jìn)行的，但不同的釬焊氣氛對(duì)金剛石的釬焊形貌、中間碳化物生成情況、金剛石石墨化及磨粒破損形式等的影響不同。

8 金剛石工具釬焊的發(fā)展趨勢(shì)

金剛石工具的釬焊己經(jīng)形成一門專業(yè)化的工種，行業(yè)發(fā)展百花齊放，能形成共識(shí)的發(fā)展趨勢(shì)有以下五點(diǎn)：自動(dòng)化、綠色化、工藝復(fù)合化、優(yōu)質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)化。

自動(dòng)化和綠色化是中國(guó)制造2025年的基本理念和重要工程，金剛石工具行業(yè)的人力成本日趨高漲，甚至危及到行業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)化釬焊是行業(yè)共同需求，但凡是有較大批量的產(chǎn)品也無不向自動(dòng)化釬焊發(fā)展。

綠色化發(fā)展的內(nèi)涵包括了減少排放、節(jié)省材料、提高能效和降低能耗，金剛石工具釬焊在減材、節(jié)能方面發(fā)展迅速，但采用無鎘材釬料、藥芯釬料和減少釬劑用量方面發(fā)展緩慢。金剛石工具(如鉆頭、截齒、鋸片、刀具等)屬于耗散性產(chǎn)品，其中釬料會(huì)隨工具的正常工作而損耗，釬料中的鉛、鎘等元素會(huì)散落到空氣、土壤和水中，污染環(huán)境，部分被攝入人體，損害身體健康。

復(fù)合釬焊工藝包括：火焰釬爐、爐中釬焊、感應(yīng)釬焊等多種釬焊方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大尺寸工具快速全置釬焊，縮短釬焊時(shí)間，提高工具耐用度和可靠性、延長(zhǎng)工具使用壽命。

優(yōu)質(zhì)化要求釬焊接頭具有更長(zhǎng)的疲勞壽命，而釬縫中的缺欠是影響疲勞壽命的主要因素，因此隨著超硬工具壽命的延長(zhǎng)，要求不斷減少釬焊的缺欠，提升釬焊接頭的質(zhì)量。在釬焊材料與工藝適當(dāng)?shù)那闆r下，釬料潔凈度是影響缺欠的重要因素。

經(jīng)濟(jì)性是制造業(yè)的永遠(yuǎn)需求，銀基釬料、銅基釬料、復(fù)合和預(yù)制釬料是節(jié)省釬料成本的主要方向;高效釬焊工藝和高可靠釬焊技術(shù)是降低釬焊成本的另一條重途徑[21]。