釬焊金剛石工具的研究現(xiàn)狀及存在問題分析

目前，用釬焊法制作金剛石(或立方氮化硼)工具已開始成為熱點技術(shù)，但僅局限于單層工具，對于多層實現(xiàn)“孕鑲”尚未見有成果發(fā)表。國外的釬焊技術(shù)研究始于20世紀80年代后期，但由于工作復(fù)雜至今仍停留在實驗階段，其應(yīng)用也僅局限于單層工具；國內(nèi)的高溫釬焊技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達國家相比，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而目前進展十分緩慢，但隨著我國加入WTO，研究的步伐必然逐漸加速。
　　(1)國外高溫釬焊金剛石工具的研究狀況
　　瑞士A K Chattopadhyay等用火焰噴鍍法(氧—乙炔焊槍)把釬料合金(72%Ni，14.4%Cr，3.5%Fe，3.5%Si，3.35%B，0.5%O2)鍍于工具鋼基體上，并將金剛石(不包衣)布排于焊料層面上，然后在1080℃、氬氣保護下感應(yīng)釬焊30秒來實現(xiàn)金剛石與鋼基體結(jié)合。釬料合金中的Cr作為一種強碳化物元素，在釬焊過程中向金剛石表面富集而實現(xiàn)金剛石的表面金屬化。
　　Wiand等在美國專利上介紹的方法是：焊料(Ni-Cr)金屬粉加有機粘結(jié)劑制成釬焊漆，把包衣金剛石粘在工具鋼基體上，然后涂附釬焊漆，再加熱到一個適中的溫度并保溫一定時間以排除揮發(fā)物質(zhì)。在真空爐(真空度1.333×10-2Pa)或干式氫氣爐中加熱到1100℃左右，保溫1小時，釬焊的同時完成金剛石的表面金屬化。
　　一些專利中也同樣采用Ni-Cr合金釬料實現(xiàn)了釬焊，釬料中還包括Fe、B元素或Si、Mo等。例如，在文獻［14］中采用含Si或Si和Ti的Ni-Cr合金釬料在真空爐中實現(xiàn)釬焊，釬焊溫度為1126～1176℃；文獻［15］采用Cu基含W、Fe、Cr、B、Si等釬料釬焊金剛石砂輪；文獻［16］用Ag-Mn-Zr銀基釬料來釬焊金剛石工具，從而替代電鍍工具。
　　德國的A Trenker等在釬焊過程中分別采用了鎳基活性釬料和鎳基釬料來實現(xiàn)金剛石與基體的結(jié)合。由與電鍍工具的對比圖可以看出，高溫釬焊金剛石工具的性能比電鍍金剛石工具優(yōu)異得多，釬焊工具(使用活性釬料和PDA989、PDA665金剛石)起始磨削性能是電鍍工具(鎳基釬料和PDA665金剛石)的3.5倍以上，壽命是電鍍工具的3倍以上；由于釬焊工具有較大的容屑空間，金剛石磨粒有較大的自由切削面且磨粒間空間較多，使切屑很容易被排除，所以釬焊金剛石工具的磨削性能好。
　　(2)國內(nèi)高溫釬焊金剛石工具的研究狀況
　　第四軍醫(yī)大學(xué)和西安交通大學(xué)在國內(nèi)外釬焊金剛石研究的基礎(chǔ)上，采用真空爐(真空度為0.2Pa)內(nèi)高溫釬焊的方法，以NiCr13P9合金為釬料，配以少量Cr粉，在高溫(950℃)加壓(4.9MPa)的條件下進行釬焊，從而實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合。釬料均勻分布于砂輪表面，金剛石已被牢固釬焊，觸摸砂輪表面感覺相當銳利粗糙。釬料在金剛石磨粒間分布均勻，金剛石出刃高度高。其耐用度較電鍍砂輪有了明顯提高，工作后僅有少量金剛石脫落。
　　南京航空航天大學(xué)的肖冰等利用高頻感應(yīng)釬焊的方法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料，在空氣中感應(yīng)釬焊35秒，釬焊溫度780℃，實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合。姚正軍等利用在Ar氣保護爐中感應(yīng)釬焊的方法，用Ni-Cr合金粉末做釬料，真空感應(yīng)釬焊30秒，釬焊溫度1050℃，實現(xiàn)了金剛石與鋼基體的牢固連接。利用掃描電鏡和X射線能譜儀，結(jié)合X射線衍射結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在釬焊過程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應(yīng)生成Cr3C2和Cr7C3，這是實現(xiàn)合金層與金剛石有較高結(jié)合強度的主要因素。磨削實驗采用大切深、緩進給、重負荷進行，從砂輪磨削后的表面形貌來看，沒有金剛石整顆脫落，金剛石磨粒屬正常磨損，說明金剛石有較高的把持強度，適合于高效磨削加工。
　　臺灣中國砂輪公司(KNIK.Inc)推出單層均布金剛石高溫釬焊串珠，在不降低其壽命的條件下，金剛石用量減少50%，切割速度提高2倍。
　　作者所在課題組在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用Ni82CrBSi合金片狀釬料，金剛石均勻排布在釬料片上，在低真空熱壓燒結(jié)爐中實現(xiàn)釬焊，對釬焊金剛石工具進行了初步研究，并且探索如何將釬焊這一技術(shù)用于孕鑲工具中。從優(yōu)化金剛石在胎體中的排布方式、金剛石粒度、濃度等靜態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)及有效金剛石數(shù)量、金剛石間距等動態(tài)參數(shù)出發(fā)，實現(xiàn)單層金剛石在橫向平面的有序排布，再通過疊層法在縱向呈錯落排布，實現(xiàn)工作層中金剛石具備連續(xù)工作能力。為檢驗胎體對金剛石的包鑲能力，特制作一只表鑲金剛石鉆頭，進行5次開刃實驗，并測得其最大平均出刃值。通過對釬焊單層工具金剛石出刃高度的測試(金剛石為45/50目)，發(fā)現(xiàn)了其最大出刃值可達到70%以上，可以看出，釬焊技術(shù)可使金剛石與胎體的結(jié)合強度大大提高。對金剛石鉆頭(φ63mm)進行鋼筋混凝土鉆進模擬實驗的結(jié)果表明，鉆頭在鉆齒磨損近2mm時仍能繼續(xù)工作，從理論上講已經(jīng)有兩層金剛石參與了工作，這似乎說明了可以實現(xiàn)“孕鑲”，具體的應(yīng)用工藝仍在進一步研究之中。
　　釬焊技術(shù)在金剛石工具應(yīng)用中存在的問題
　　金剛石釬焊時存在著許多急需解決的難點：①要求釬料對金剛石和胎體有良好浸潤性和結(jié)合強度；②釬焊材料及釬焊工藝的選擇要保證金剛石的穩(wěn)定性，以減少或避免釬料對金剛石的侵蝕；③由于金剛石和金屬基體的熱膨脹系數(shù)差異較大，因而焊接殘余應(yīng)力也較大，降低接頭的強度；④釬料的熔點要高于金剛石工具的工作溫度，所以應(yīng)尋找熔點較低并與金剛石膨脹系數(shù)接近的金屬(合金)材料作為釬料，再考慮加入某些活性元素以改善對金剛石的浸潤性和親和性，達到既能粘結(jié)金剛石又能滿足胎體機械性能的目的。此外，金剛石表面金屬化的實現(xiàn)方式、表面金屬與釬料的匹配和選擇、釬劑和氣體介質(zhì)的選擇等關(guān)鍵技術(shù)還需進一步成熟和優(yōu)化。
　　金剛石工具的使用效率與壽命除取決于金剛石磨粒被鑲嵌的牢固程度外，還與胎體的耐磨性有關(guān)。胎體本身強度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態(tài)、金剛石的濃度等都會對胎體的耐磨性產(chǎn)生影響，所以，如何使胎體達到理想的狀態(tài)也是今后工作中值得注意的問題。