钎焊金刚石工具的研究综述

钎焊金刚石工具的研究综述王光祖,方占江

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

1概述

钎焊金刚石技术是由美国的专家20世纪70年代率先提出并研究出来的，后经瑞士、美国、德国和中国等许多专家学者的研究发展，于21世纪初逐渐成熟起来的一项金刚石工具制造新技术。钎焊金刚石技术的基本原理是：采用含有活性元素(如Ti、Cr、W等)的钎料，其熔化温度低于金刚石与基体的熔化温度，在高温的钎焊过程中，利用活性元素与金刚石表面发生化学反应并形成一层碳化物，借助于这层碳化物的过渡作用，使得液态钎料在金刚石和基体表面湿润、铺展、毛细流动、填缝、相互溶解和扩散，实现金刚石、钎料、基体三者牢固的化学冶金结合。

利用钎焊金刚石技术制作的高温钎焊金刚石工具在如下方面显示出无可比拟的优势。

(1)结合强度高，对金刚石磨料把持牢固，在使用过程中不脱落。

(2)对金刚石磨料润湿形态好，钎焊后呈“现金字”塔形状，造成金刚石磨料出露高，同时金刚石磨料间的形状呈现“凹”形，容屑空间大，在使用过程中不容易发生切屑堵塞而导致工具失效现象。

(3)金刚石磨料本身利用率高，特别是金刚石本身具有微破碎自锐性的情况下，工具的寿命会大大提高，有效地节省了资源。

(4)其牢固的化学冶金结合适合高负荷高效磨削。

(5)在钎焊金刚石工具制作过程中无(极少)废气、无(极少)废水、无(极少)尘埃，完全属于绿色制造，较其他制作方法有着明显的环保优势。

钎焊金刚石技术已引起世界各国金刚石工具制造业界的广泛重视，从20世纪90年代开始，世界各国从事钎焊金刚石技术研究，生产开发的单位越来越多，在金刚石钎焊机理、钎料制作、烧成办法、工具结构设计等方面的技术越来越成熟，金刚石焊钎工具的应用己从过去的玻璃、石材、陶瓷和混凝土加工业，扩大到硅材料、蓝宝石、碳纤维复合材料、塑料、耐火材料、铸铁等加工业，其用量正日益增多。值得一提的是在钛合金、锰钢合金和金属陶瓷等难加工的材料中，金刚石钎焊金刚石工具有其独特的优势。但到目前为止，钎焊金刚石技术的产业化局面还没有完全形成，钎焊金刚石工具的制作手段仍大部分停留在手工作业的环境中，生产效率非常(较)低，产品品级一致性差，质量保证困难。

金刚石工具的钎焊已经形成了一专门化的工种，行业发展百花齐放，能形成共识的发展趋势有以下五点：自动化、绿色化、工艺复合化、优质化、经济化。

2金刚石工具钎焊设备与工艺

由于金刚石工具种类繁多，形式各异，派生的工艺和设备更是不胜枚举，但目前主流工艺以感应钎焊和真空钎焊为主[1-2]。

高频感应钎焊加热速度快、钎焊效率高;操作简单、劳动强度低;可钎焊各种形状复杂和多齿工件;采用自动送料，气氛保护或真空感应钎焊时，接头具有很好的外观和钎焊质量。该方法不仅在一次焊接时生产成本低，而且基体可以复钎焊而重复利用。随着金刚石工具制造人力成本的增加和对金刚石工具钎焊质量稳定性要求的提高，自动感应钎焊工艺逐渐成为焊接金刚石锯切工具的主要方法，金刚石工具自动感应钎焊能够实现自动分齿、自动识别拾取刀头、自动送焊片,具有焊接精度高、接头牢固、使用寿命长等优点，一人可操作多台机器，极大地降低了人工成本。

炉中钎焊(连续气氛保护炉钎焊)主要用于小锯片和异型金刚石工具的生产，一般采用分解氨生成的氢气和氮气作为还原气体，加热速度缓慢而温度均匀，钎焊接头美观、质量可靠、工件表面光亮、生产效率高、焊接成本低、适合批量化生产。

真空钎焊一般采用电阻炉辐射加热，生产效率高，可以焊接结构复杂、尺寸较大的金刚石工具。目前，真空钎焊单层金刚石工具广泛用在整体工具、磨轮、石材工具、玻璃工具的制造，真空多层金刚石工具具有较好的应用前景。

激光钎焊方法逐渐应用于制造单层金刚石工具[3]。激光钎焊时工件局部受热快，钎焊过程中金刚石在高温状态下停留时间短，可有效避免金刚石发生石墨化转变，同时激光钎焊工艺还可以实现金刚石颗粒的有序排列，加热效率高、温度控制精准，可进行复杂曲面的加工，自动化程度高，作业环境好。采用激光钎焊焊接法焊接大尺寸及异型复杂工件，还能避免高频感应钎焊的邻近效应和集肤效应。

3钎料

目前，用于焊接金刚石的钎料主要有Ni-Cr、Ag-Cu-Ti和Cu-Sn-Ti三类合金。其中最广泛的是Ni-Cr钎料，Ni基钎料具有较高的强度及硬度，但钎焊时温度极高，容易对金刚石造成热损伤而导致金刚石性能下降，影响金刚石强度和工具寿命。Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti以低熔点合金作为钎料，对金刚石浸润性良好，金刚石热损伤小。但低熔点合金钎料硬度不高，耐磨削、耐高温性能差，应用范围受到限制[4-6]。

铁基钎料的主要优点是，较适宜的力学性能，如抗弯强度、硬度等;对金刚石有较好的润湿性和更高的附着力;对骨架材料的润湿性好;同时，铁基钎料具有价格低廉的经济优势，深受广大研究者和厂商的重视，是近来国内外重要的应用和发展方向[7-8]。

采用高温钎焊工艺以改善金刚石与基体之间的结合强度，该工艺主要通过在钎料中添加活性金属元素(如Ti、Cr、Mo、W等)，利用活性元素在钎焊过程中向金刚石表面富集并在金刚石界面处生成相应的碳化物而实现化学冶金结合，大大提高了结合剂对金刚石的把持强度，金刚石的出刃高度可达到磨粒自身高度的2/3，有效增大了金刚石的利用率和容屑空间。

作为PDC钻头的切削齿通过钎焊的方式被焊接在钻头体上，其钎焊缝需要承受各种力、侵蚀、磨损等苛刻条件下的复杂载荷[9]。因此，钎焊强度直接影响了钻头使用寿命，为解决复合片的脱落问题，工程技术人员致力于提高钎焊材料的性能研究，比如更换结合强度更高的钎料。

随着制造业不断向自动化、智能化方向发展，研究PDC钻头的钎焊自动化取代高强度、高污染的手工钎焊钻头生产是钎焊工艺中的重点研究方向之一[10]。

金刚石的可焊性差，似乎找不到一种既能充分润湿又不严重侵蚀金刚石的纯金属材料;金刚石的热稳定性差，高温下容易受热损伤。因此选择钎料时既要考虑钎料能充分浸润金刚石，又要尽量降低钎焊的温度，设想从低熔点连接元素Ag、Cu、Zn、Sn和碳化物形成元素Ti、Cr、W中，各取适当元素制成钎料，来实现金刚石与钢基体的连接。

钎焊材料对金刚石工具性能的影响，主要是通过钎料中的某些活性元素(例如Cr、Ti、Fe、V、W等)与金刚石表层碳原子发生化学冶金反应，实现了金刚石与基体、金属性结合剂的化学冶金结合，从而提高金刚石的出刃高度和使用寿命。在镍基钎料中，一般添加Cr元素，而在铜基和银基钎料中，一般添加Ti元素。此外，活性元素的增加，还能对钎焊层起到固溶强化的作用，增强钎焊层的耐磨性。

钎焊在金刚石工具中的应用研究越来越多，范围也越来越广，并取得了重大进展，但总体看还存在许多不足。

(1)钎焊单层金刚石工具的锋利度和寿命取决于金刚石本身的强度和耐磨性，一旦单层金刚石破碎或磨损，工具寿命就告终了。

(2)复杂条件下使用的钎料多为Ni-Cr(-Ti)合金或Cu-Sn-Ti钎料，这些钎料的熔点较高，且烧结的焊层脆性较大，不利于金刚石工具的使用。

(3)钎焊法能显著提高胎体包裹金刚石的能力，但是并未有各种定量的衡量指标，例如,钎焊层的物理性能，钎料熔融后的收缩性。

综合上述问题，对今后的研究方向有以下4点建议：

(1)研究钎焊孕镶金刚石工具，特别是耐磨性镍基有序排列孕镶金刚石工具，以适用于地质勘探、石油开采、建筑材料加工、宝玉石加工等对工具寿命要求较高的领域。

(2)寻找开发能够大幅度阵低钎焊温度，滿足复杂应力条件下使用，而且可以有氧气氛或低真空环境下烧结的新型钎料，以降低高温烧结对金刚石产生的热损伤和生产成本。例如镍基钎料熔点高、耐磨性好，而添加铜粉、石墨等材料后可以降低于金刚石的石墨化程度，同时还可增强胎体的塑性，促进金刚石出刃。因此，可以加强Ni-Cr-Cu-C合金钎料的研究。

(3)应对钎焊层的物理力学性能进行研究，例如硬度、耐磨性、抗冲击性等，用定量的指标来指导后续的研究。

(4)烧结后金刚石的反应比例值多少为最佳，这个反应值与钎料中活性元素的含量、烧结温度、烧结气氛等因素有关。此外，钎料熔融后的收缩性对金刚石的出刃高度也是重要的影响，应加强这些基础研究[11]。

43D打印技术

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，利用纸层叠和光固化等技术来实现快速成型。作为工业4.0中实现“智能生产”和“智能工厂”的重要方法，它完成了由信息流到物理实验的转变。如今，随着3D打印技术的不断革新与发展，其不断与其他产业相结合促进了制造业的迅猛发展。

传统金刚石工具制造方法，如烧结、电镀、钎焊等，难以制造异型、超薄、微型的金刚石工具。因此，引入3D打印技可以为金刚石工具制造提供了一种新的工艺方法[12]。

近年来，3D打印技术已成为一种新型热门制造技术，它使用多种原材料成型制造具有不同力学性能和结构特征的零部件[13-15]。此外，该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，使成型精密和具有复杂结构的零部件制造更加便捷。

3D打印技术(增材制造技术或快速成型技术)以数字模型为基础，采用高散材料(液体、粉末、丝、片、板)通过逐层累加方式来制造任意复杂形状的零件[16]，3D打印最常用的材料是光固化树脂，可以增强层间结合强度，利用这种工艺制造出了圆盘状的平面磨削砂轮和超薄型切割砂轮[17-18]。

5有序排布

有序排布超硬磨料磨具是近年来出现的一种新型的超硬磨料磨具，它与传统的超硬磨料磨具不同，这类磨具中的磨料依照预先设计实现有序排布，使磨粒均匀分布，具有合理的磨粒间距。因此，各个磨粒均参与切削，有效减少了因磨粒重复切削而产生的相互干扰。进而增加了砂轮工作表面的容屑空间，提高了容纳冷却液的能力，且磨削刃锋利，能有效降低磨削力和磨削温度，与传统方法制造的超硬磨具相比在磨削性能方面具有明显的优势。

现在已有的钎焊金刚石磨盘只可应用于打磨、切割石材，尚未出现针对钢铁材料的高效、耐磨的钎焊金刚石工具。为解决提高钎焊磨盘磨削效率与寿命这个问题，对磨盘表面进行有序排布，设计出一种将较大颗粒金刚石紧密排布并形成一定规则几何形状的蔟状，同时簇状均匀合理分布在基体表面的新排布方式。该排布方式解决了传统磨盘排布方法难以根据工况，使用参数进行地貌优化的难题，并实现了区域磨料有序排布[19]。

6金刚石钎焊质量评价方法[20]

从20世纪90年代初金刚石钎焊技术被提出以来，从事金刚石钎焊研究的学者们主要从金刚石钎焊微观形貌特征、钎焊金刚石刀具摩擦磨损性能、金刚石钎焊强度、金刚石钎焊接头残余应力等方面来评价钎焊金刚石工具质量。

(1)钎焊金刚石微观形貌特征

金刚石钎焊形貌特征主要包括：金刚石表面形貌和钎焊形貌，以及金刚石、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌等。其中金刚石表面形貌可以反映出其热损伤及石墨化程度，钎料形貌可以反映出钎料对金刚石的润湿铺展程度，金刚石、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌可以反应出三者之间的化学冶金反应状态。

(2)钎焊金刚石磨粒摩擦磨损性

在磨粒磨削加工过程中，磨粒承受来自工件的冲击作用和接触产生的热载荷。倘若钎焊接头强度不足把持位住高负荷加工状态的磨粒，磨粒将产生非正常脱离。根据此原理，开展金刚石磨粒摩擦磨损试验，其结果可以用来判评钎焊性能。

(3)金刚石钎焊强度

钎焊硬度是高性能钎焊接头的重要直接评判标准，根据受力方向可分为抗拉伸强度和抗剪切强度，抗拉伸强度虽然能直接反映材料界面上结合键的强弱，但抗剪切强度更符合磨粒磨削加工过程中受力状态。

(4)金刚石钎焊接头残余应力

残余应力是影响金刚石钎焊接头性能的重要因素，残余应力过大，将导致钎焊接头萌生裂纹导致磨粒在加工过程中产生不正常脱落或磨损。

7金刚石钎焊性能主要影响因素

在焊金刚石工具制备过程中，钎料粉末、镀覆金刚石类型、钎焊工艺参数(包括钎焊温度、保温时间、钎焊气氛等)等，都对金刚石钎焊性能有很大影响。

7.1钎料成分

(1)钎料具有合适熔点。

(2)钎料对金刚石具有良好的浸润、扩散作用。

(3)钎料应具有稳定、均匀的成分，以减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的损耗。

(4)具有一定的强度、硬度和热膨胀系数。

(5)避免由于物理性能的不匹配导致金刚石与钎料截面处产生较大的残余应力。

7.2金刚石镀膜

金刚石镀膜是指在金刚石表面镀覆一层亲和性金属，并且使镀层与金刚石之间发生牢固的化学键合，降低金刚石的表面能，易与金属结合剂浸润，改善金刚石表面的可焊性，实现金刚石与金属之间的冶金结合。

7.3钎焊工艺参数镀

(1)钎料的熔化填充，以及熔化的钎料与金刚石表面的的化学冶金反应的过程都离不开温度大小和保温时间作用。

(2)钎焊气氛

由于金刚石在高温易于石墨化，金刚石的钎焊工艺，一般是在真空或保护气氛中进行的，但不同的钎焊气氛对金刚石的钎焊形貌、中间碳化物生成情况、金刚石石墨化及磨粒破损形式等的影响不同。

8金刚石工具钎焊的发展趋势

金刚石工具的钎焊己经形成一门专业化的工种，行业发展百花齐放，能形成共识的发展趋势有以下五点：自动化、绿色化、工艺复合化、优质化、经济化。

自动化和绿色化是中国制造2025年的基本理念和重要工程，金刚石工具行业的人力成本日趋高涨，甚至危及到行业的发展，自动化钎焊是行业共同需求，但凡是有较大批量的产品也无不向自动化钎焊发展。

绿色化发展的内涵包括了减少排放、节省材料、提高能效和降低能耗，金刚石工具钎焊在减材、节能方面发展迅速，但采用无镉材钎料、药芯钎料和减少钎剂用量方面发展缓慢。金刚石工具(如钻头、截齿、锯片、刀具等)属于耗散性产品，其中钎料会随工具的正常工作而损耗，钎料中的铅、镉等元