金剛石厚膜焊接刀具制造及釬料選擇

本文針對(duì)金剛石膜(CVD)在切削刀具中的應(yīng)用，討論了金剛石膜焊接復(fù)合刀具對(duì)刀體材料要求和制造方法。根據(jù)金剛石良合刀具制造工藝及使用要求，對(duì)真空自活性釬焊所用釬料的化學(xué)成分的選擇進(jìn)行了分析，提出了確定活性針料化學(xué)成分的原則及常用針料的化學(xué)成分。

　　0.前言

　　金剛石膜具有硬度高、耐磨損，摩擦系數(shù)小，導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想材料。人造金剛石膜的刀具分為兩種類型：金剛石膜涂層刀具，金剛石膜焊接刀具。粘結(jié)力較弱是金剛石涂層刀具最突出的問(wèn)題。粘結(jié)力較弱的原因有兩個(gè)：一是化學(xué)氣相沉積(CVD)附口過(guò)程中，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力；二是基體材料存在著許多降低接頭強(qiáng)度的因素。近年來(lái)，利用生長(zhǎng)基體金屬同金剛石膜的熱膨脹系數(shù)相差較大粘附強(qiáng)度低，在基體上沉積金剛石膜，隨著基體的冷卻，金剛石膜自動(dòng)脫落，得到獨(dú)立的金剛石厚膜。文獻(xiàn)采用等離子體時(shí)流CVD法在Mo基體上沉積金剛石膜，獲得獨(dú)立的金剛石厚膜(0.3-1.3mm)。利用這種膜與刀體材料焊接簾(備切削刀具兼有單晶金剛石刀具和金剛石薄膜涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景極為廣闊的新型刀具。

　　1.金剛石厚膜焊接刀具的制造方法

　　1-1金剛石厚膜的成型

　　由于金剛石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不導(dǎo)電。所以常見(jiàn)的機(jī)械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法均不適用于金剛石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金剛石車刀的前角以0°為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需要可在+5°的范圍內(nèi)選取。在強(qiáng)調(diào)車刀的耐磨性和尖刀強(qiáng)度的情況下。也可以采用負(fù)前角(-20°左右)。負(fù)后角一般以5°為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)使用條件可在2.5~10°范圍內(nèi)選取。由前刀面和后刀面構(gòu)成的鍥角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

　　1-2刀體材料的性能和焊接

　　作為刀體材料盡管在切削加工中不與被切削體直接接觸，但由于基體要對(duì)金剛石膜起支撐作用，因此要求其具有較高的剛性，熱膨脹系數(shù)與金剛石膜相近以及良好的焊接性等。目前常用刀具材料有硬質(zhì)合金(YG3、YG6、YG8等)、陶瓷(Si3N4、A12O3等)、CBN、高速鋼等，硬質(zhì)合金是最有發(fā)展前途且目前研究最多的刀體材料。硬質(zhì)合金是理想的基本材料，它的硬度高，又因其為燒結(jié)體，紅硬性更好，室溫下硬度一般在HRA83~93之間；500℃以下硬度保持不變�？箟簭�(qiáng)度最高可達(dá)到6000MPa，一般為3400~5600MPa；室溫抗彎強(qiáng)度在750~2500MPa之間，彈性模量高，通常為(4~7)×105MPa；室溫下剛性較好，無(wú)明顯塑變，對(duì)金剛石膜可起很好的剛性支撐作用。

　　金剛石厚膜與刀體材料的連接主要有方法兩種：金剛石表面金屬化釬焊法和活性釬料焊法。前者是利用表面處理技術(shù)(如離子束濺射等)，在金剛石表面鍍覆金屬(如Ti、Cr等)，使其表面具有金屬或類金屬的性能。金屬化的金剛石膜表面對(duì)Ag-Cu基針料具有良好的可焊性，可采用金屬間針焊工藝焊接。這種方法需進(jìn)行金剛石膜表面金屬化處理，增加了制備難度�；钚遭F料焊接法則是在針料中加入適量的能與金剛石膜表面碳原子反應(yīng)生成碳化物的元素，利用針焊過(guò)程中碳化物形成元素對(duì)金剛石膜待焊表面的活化作用，使針料潤(rùn)濕金剛石膜實(shí)現(xiàn)其釬焊過(guò)程。

　　1-3刀體與基體金屬的連接

　　將得到的金剛石厚膜硬質(zhì)合金復(fù)合刀片連接到基體金屬上，其連接方法大致有以下幾種：⑴釬焊⑵機(jī)械加固⑶樹(shù)脂粘接劑連接⑷熱裝壓入。其中，釬焊的辦法使用最多。釬焊金剛石厚膜/硬質(zhì)合金復(fù)合刀片使用的釬料就強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，一般使用銅基針料、銀基針料等。但考慮到防止氧化的焊接裂紋以減少金剛石向石墨轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，盡可能的使用低熔點(diǎn)的釬料為好，主要是使用硬質(zhì)合金針焊專用的銀基針料。為了更好地保護(hù)金剛石不向石墨轉(zhuǎn)化，最好也是在真空或惰性氣氛條件下針焊。

　　1-4金剛石厚膜刀具的刃磨

　　金剛石厚膜刀具的刃磨方法主要有機(jī)械磨削(包括金剛石砂輪磨削和金剛石粉研磨)。熱金屬盤研膳，激光束、離子束加工和等離子體刻蝕等。用金剛石粉研磨效率低，金剛石砂輪磨削效率高，并可采用不同粒度的砂輪進(jìn)行粗加工，是金剛石厚膜刀具獲得較好的表面光潔度。熱金屬盤研磨是在高溫條件下，利用鐵族元素與金剛石反應(yīng)使金剛石石墨化的原理除去金剛石。用此種方法研磨表面粗糙度可達(dá)鏡面水平。用激光對(duì)厚膜表面進(jìn)行光整加工，加工效率很高但加工表面質(zhì)量不高，只適合于粗加工和半精加工。

　　2、活性釬料成分選擇

　　活性釬料釬焊法釬焊金剛石與硬質(zhì)合金所用的活性釬料，除要考慮釬料對(duì)金剛石膜與硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕條件，還必須考慮接頭應(yīng)力和真空加熱條件下釬料成分的狀態(tài)對(duì)釬焊過(guò)程的影響。

　　2-1釬料中的基本成分

　　金剛石膜和硬質(zhì)合金都是高硬度高鋼性的材料，兩種材料的線膨脹系數(shù)也有一定的差別，兩者釬焊界面會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，可能造成金剛石膜開(kāi)裂和連接界面分離。因此釬料的成分必須在保證強(qiáng)度的條件下，應(yīng)具有一定的變形能力。Ag-Cu合金不但有較好的強(qiáng)度及對(duì)硬質(zhì)合金能很好的濕潤(rùn)，同時(shí)Ag-Cu面心立方的晶格結(jié)構(gòu)使其固浴體合金具有很好的塑性。所以，Ag-Cu合金是金剛石膜與硬質(zhì)合金釬焊首選的基體成分。

　　2-2釬料中的活性成分

　　金剛石膜與一般金屬及其合金之間有很高的界面能，致使金剛石膜不能被一般低溶點(diǎn)合金所浸潤(rùn)，潤(rùn)濕性較差。因此必須在釬料中加入一些強(qiáng)碳化物形成元素作為活性金屬，以改善金剛石膜與硬質(zhì)合金之間的潤(rùn)濕性。但添加強(qiáng)碳化物形成元素也存在一定的局限性，一方面加入過(guò)多的碳化物形成元素就有可能使金剛石膜與釬料間形成過(guò)厚的脆性化合物層，影響結(jié)合性能。另一方面為了控制釬料的熔點(diǎn)必須對(duì)釬料中的強(qiáng)碳化物形成元素友誼頂?shù)囊�求，如Ti、Cr、Zr、V、B、Mo、W等，這些元素的溶點(diǎn)分別為：1672℃、1863℃、1865℃、1929℃、2300℃、2623℃、3387℃。相比較而言，Ti、Cr、Zr、V更適合一些。這些元素少量的加入Ag-Cu基釬料中，一般釬焊溫度可控制在850℃左右，工藝性能較好。.

　　另外，在釬料中胸口少量的IN、SN等低熔點(diǎn)金屬能有效地降低釬料的熔點(diǎn)，但過(guò)多則會(huì)產(chǎn)生脆化性化合物。同時(shí)金剛石膜與刀體材料的焊接是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，釬料中應(yīng)避免含有MN、ZN等蒸汽壓較高的易發(fā)揮元素。

　　上面分別從釬料的熔點(diǎn)、潤(rùn)濕性、蒸汽壓、熱膨脹，焊后是否生成脆性化合物等方面考慮了釬料中元素的選擇。對(duì)活性釬料成分的選擇需要綜合考慮，釬焊金剛石厚膜所添加的強(qiáng)碳化物形成元素多種多樣。目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到商品金剛石焊料，一般由應(yīng)用單位自行配制。有下列一些，Cu-10%Ti，Cu-15%Sn-3%Ti，Ag-15%Ti，Cu-30%Ag-5%Ti，Cu-15%Sn-2%Cr，Cu-1%V，Cu-Au，Ag-30%Cu-4%Ti，Ag-26.5%Cu-3%Ti等釬料成分可供選擇。

　　3.結(jié)論

　　1.金剛石厚膜與硬質(zhì)合金片之間采用釬焊的方法能有效地解決粘結(jié)力較弱的問(wèn)題。2.金剛石厚膜與硬質(zhì)合金片的釬焊中，采用自反應(yīng)活性針料進(jìn)行針焊，工藝方法簡(jiǎn)單成本低。3.金剛石厚膜自反應(yīng)活性釬焊釬料，可在Ag-Cu合金針料中添加適量的Ti，Zr和Cr等碳化物形成元素進(jìn)行制備