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釬焊金剛石工具的研究現狀及存在問題分析

來源：成都新德南光機械設備有限公司 | 發布時間：2015-02-10 |

目前，用釬焊法制作金剛石（或立方氮化硼）工具已開始成為熱門技術，但僅局限于單層工具，對于多層實現“孕鑲”尚未見有成果發表。國外的釬焊技術研究始于20世紀80年代后期，但因為工作復雜至今仍停留在實驗階段，其應用也僅局限于單層工具；海內的高溫釬焊技術研究起步較晚，與發達國家比擬，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而目前進展十分緩慢，但跟著我國加入WTO，研究的步伐必定逐漸加速。 ；
　?。?）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℃、氬氣保護下感應釬焊30秒來實現金剛石與鋼基體結合。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金剛石的表面金屬化。 ；
　　Wiand等在美國專利上先容的方法是：焊料（Ni-Cr）金屬粉加有機粘結劑制成釬焊漆，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物質。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，從而替換電鍍工具。 ；
　　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金剛石與基體的結合。由與電鍍工具的對比圖可以看出，高溫釬焊金剛石工具的機能比電鍍金剛石工具優異得多，釬焊工具（使用活性釬料和PDA989、PDA665金剛石）起始磨削機能是電鍍工具（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；因為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，使切屑很輕易被排除，所以釬焊金剛石工具的磨削機能好。 ；
　　（2）海內高溫釬焊金剛石工具的研究狀況 ；
　　第四軍醫大學和西安交通大學在海內外釬焊金剛石研究的基礎上，采用真空爐（真空度為0.2Pa）內高溫釬焊的方法，以NiCr13P9合金為釬料，配以少量Cr粉，在高溫（950℃）加壓（4.9MPa）的前提下進行釬焊，從而實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。釬料平均分布于砂輪表面，金剛石已被牢固釬焊，觸摸砂輪表面感覺相稱銳利粗拙。釬料在金剛石磨粒間分布平均，金剛石出刃高度高。其耐費用較電鍍砂輪有了顯著進步，工作后僅有少量金剛石脫落。 ；
　　南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釬焊的方法，用Ag-Cu合金和Cr粉共同作中間層材料，在空氣中感應釬焊35秒，釬焊溫度780℃，實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。姚正軍等利用在Ar氣保護爐中感應釬焊的方法，用Ni-Cr合金粉末做釬料，真空感應釬焊30秒，釬焊溫度1050℃，實現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，結合X射線衍射結構分析，發現在釬焊過程中Cr元素金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應天生Cr3C2和Cr7C3，這是實現合金層與金剛石有較高結合強度的主要因素。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，在不降低其壽命的前提下，金剛石用量減少50%，切割速度進步2倍。 ；
　　作者所在課題組在海內外研究的基礎上，采用Ni82CrBSi合金片狀釬料，金剛石平均排布在釬料片上，在低真空熱壓燒結爐中實現釬焊，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用于孕鑲工具中。從優化金剛石在胎體中的排布方式、金剛石粒度、濃度等靜態結構參數及有效金剛石數目、金剛石間距等動態參數出發，實現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，實現工作層中金剛石具備連續工作能力。為檢修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，并測得其最大均勻出刃值。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），發現了其最大出刃值可達到70%以上，可以看出，釬焊技術可使金剛石與胎體的結合強度大大進步。對金剛石鉆頭（φ63mm）進行鋼筋混凝土鉆進模擬實驗的結果表明，鉆頭在鉆齒磨損近2mm時仍能繼承工作，從理論上講已經有兩層金剛石介入了工作，這好像說明了可以實現“孕鑲”，詳細的應用工藝仍在進一步研究之中。 ；
　　釬焊技術在金剛石工具應用中存在的題目 ；
　　金剛石釬焊時存在著很多急需解決的難點：①要求釬料對金剛石和胎體有良好浸潤性和結合強度；②釬焊材料及釬焊工藝的選擇要保證金剛石的不亂性，以減少或避免釬料對金剛石的腐蝕；③因為金剛石和金屬基體的熱膨脹系數差異較大，因而焊接殘余應力也較大，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，所以應尋找熔點較低并與金剛石膨脹系數接近的金屬（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，達到既能粘結金剛石又能知足胎體機械機能的目的。此外，金剛石表面金屬化的實現方式、表面金屬與釬料的匹配和選擇、釬劑和氣體介質的選擇等樞紐技術還需進一步成熟和優化。 ；
　　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。胎體本身強度的高低、金剛石在胎體中的分布狀態、金剛石的濃度等都會對胎體的耐磨性產生影響，所以，如何使胎體達到理想的狀態也是今后工作中值得留意的題目。