【淺析】釬焊金剛石工具的技術現狀

標簽： 雜談

目前，用釬焊法制作金剛石工具已開始成為熱點技術，但僅局限于單層工具，對于多層實現“孕鑲”尚不成熟。國外的釬焊技術研究始于20世紀80年代后期，但由于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；國內的釬焊技術研究起步較晚，與發達國家相比，研究的廣度和深度遠遠不夠，因而進展十分緩慢，文中就金屬結合劑金剛石工具固結金剛石磨粒的技術特點以及在運行過程中金剛石磨粒容屑空間的特點進行了闡述，分析了釬焊法制作金剛石工具的現狀，指出了釬焊金剛石工具的技術問題和解決出路。

1  金屬結合劑金剛石工具

按照制作方法不同，金屬結合劑金剛石工具可分為以下三類：粉末冶金熱壓燒結金剛石工具、電鍍金剛石工具和釬焊金剛石工具。

1．1  粉末冶金熱壓燒結金剛石工具

粉末冶金熱壓燒結金剛石工具是以金剛石為切磨材料，以金屬粉末為結合劑，利用粉末冶金的方法，經過混料、造粒、壓制成型、燒結以及必要的后期修整加工而成的一類金剛石工具制品。

產品已形成系列化、標準化，品種規格齊全，產品質量穩定，部分產品在國際市場上具有一定的競爭力。粉末冶金熱壓燒結金剛石工具是各類金剛石制品中出現最早的一類，也是目前品種最多、用量最大、用途最廣的一類，其產品銷量占據整個金屬結合劑金剛石工具的80％以上。

盡管利用該方法生產的金剛石工具在各行業得到了廣泛應用，并取得顯著的經濟效益，但其固結金剛石磨粒技術本身始終存在著嚴重的不足，金剛石的有效使用率大約在10％左右，造成了金剛石磨粒資源的極大浪費。主要表現在金剛石磨粒基本上是以機械包鑲的形式存在于金屬胎體中，金屬結合劑對金剛石磨粒的把持能力不強，金剛石工具在使用過程中非正常磨損、脫落、殘出的金剛石較多，金剛石實際利用率較低，金剛石原料浪費較大。

多年來業內專家為了提高金屬結合劑對金剛石的把持能力做了大量的工作，除了通過對金剛石進行表面改性（表面金屬化、表面形貌改變等）來增強金屬結合劑對金剛石磨粒的把持力有一定的效果外，通過直接在金屬結合劑中加入適量的Ti（鈦）、Cr（鉻）、In（銦）、Zr（鋯）等活性元素來強化金屬結合劑均沒有大的技術突破。在學術界普遍認為金屬結合劑的增強機理就是通過在金剛石表面與結合劑之間形成一層金屬碳化物，通過碳化物作為過渡層，提高結合劑對金剛石表面的潤濕能力與毛細作用能力，達到化學冶金結合的效果。

而實際上在熱壓燒結過程中，為了保護金剛石磨粒不被石墨化，影響金剛石的使用質量，其燒結溫度達不到這些活性元素的熔化溫度，碳化物無法形成，導致活性元素起不到理論上的理想作用。金剛石磨粒只好被機械的夾持在金屬結合劑中，并沒有發生所謂的化學冶金反應。所以，此類工具僅靠機械包鑲形式來固定金剛石磨料，在使用過程中對金剛石的把持力是有限的。

觀察大量的粉末冶金熱壓燒結金剛石工具使用情況發現，金剛石磨粒的容屑空間是在運行過程中形成的，是靠加工材料廢屑的反磨削而得到的，金剛石磨粒的容屑空間是一個從無到有的過程，所以在金剛石磨粒有效使用時間內，其容屑空間的平均值是非常小的，因而在使用過程中使得加工材料廢屑堵塞并燒傷劃傷工件的現象是經常發生的。

1．2  電鍍金剛石工具

電鍍金剛石工具是通過電鍍的方法，經過金屬電沉積過程，將一層金剛石牢固地鑲在金屬基體上的一種制品。該類制品具有效率高、磨削精度高的特點，主要產品以成形研磨和精密加工工具為主，產品也廣泛應用于地質勘探、石材、機械、汽車及國防工業等各個領域。

盡管該方法生產的各種金剛石工具在一定的行業中得到廣泛應用，并取得一定的經濟效益，但固結金剛石磨粒技術本身也存在著嚴重的不足，金剛石的有效使用率大約在20％左右。主要表現在金屬結合劑對金剛石磨粒的把持能力也不強，金剛石磨粒只是以機械的包埋鑲嵌在鍍層金屬中。

電鍍的方法是，Ni或Ni-Co或Ni-Co-Mn等金屬離子不斷在陰極金剛石及基體表面析出、進入、埋入，下一電鍍層依次沉積，如此反復沉積到一定厚度后，半成品從電鍍液中取出進行上砂、增厚等后續工藝處理，最終得到電鍍金剛石工具。在整個制作過程中，金剛石沒有發生化學冶金反應。所以，此類工具也是僅靠機械包鑲形式來固定金剛石磨料，在使用過程中對金剛石的把持力也是有限的，電鍍層一旦被磨損到磨粒一半高度時，金剛石磨粒就會自然脫落。

觀察大量的電鍍金剛石工具使用情況發現，未剝落的金剛石磨粒大約有2/3高度被沉積在電鍍金屬層中，所以金剛石磨粒的容屑空間基本上是固定的，并且也是比較小的，這樣在使用過程中也仍然會出現加工材料廢屑堵塞并燒傷劃傷工件現象。

1．3  釬焊金剛石工具

釬焊金剛石工具是通過釬焊的方法，經過金屬焊料熔化過程，將一層金剛石牢固地焊接在金屬基體上的一種工具制品。該類制品具有效率更高、單顆粒金剛石使用壽命長、磨削精度高的特點，主要產品涵蓋所有粗及中粗粒度電鍍金剛石工具和部分熱壓金剛石工具。

為了避免傳統制造方法帶來的把持力低、容屑空間小、出露高度低和易脫落等問題，同時能更大的利用單層金剛石工具的優點，2000年開始至今，釬焊技術被應用到金剛石工具的制造領域并且得到快速的發展。釬焊技術作為一種新型的金剛石工具制造方法，在國內外受到廣泛關注。釬焊方法與其他熔焊方法不同，釬焊過程中釬料合金熔化溫度要比母材熔化溫度低，釬焊溫度要小于母材固相線而高于釬料液相線。針對金剛石而言，這就需要釬焊溫度小于金剛石的石墨化轉變溫度。釬焊時，釬料在金剛石表面潤濕、毛細作用、填充、鋪展、緊密包裹金剛石磨粒，同時在金剛石與釬料合金之間以碳化物的形式形成化學冶金結合。以釬焊法制作的金剛石工具，其金剛石磨粒結合強度和出刃高度都較高，鋒銳性和切削性能得到了提高，容屑空間固定并且比較大，特別適合高速高效磨削加工、難加工材料的加工和精密加工。近年來，高溫釬焊單層金剛石工具成為國內外高校研究機構和生產廠商的研究開發熱點。