钎焊金刚石的现状

目前,钎焊制作金刚石(或立方氮化硼)工具已成为热门技术,但仅限于单层工具,实现多层“浸渍”尚无成果。国外对钎焊技术的研究始于20世纪80年代末,但由于工作复杂,其应用仅限于单层工具。国内对高温钎焊技术的研究起步较晚,与发达国家相比,研究的广度和深度还远远不够,所以目前进展很慢,但随着中国加入WTO,研究的步伐必将逐步加快。

国外(1)高温钎焊金刚石工具的研究现状

瑞士的AKChattopadhyay等人用火焰喷涂法(氧-乙炔炬)在工具钢基体上镀上焊料合金(72%Ni,14.4%Cr,3.5%Fe,3.5%Si,3.35%B,0.5%O2),并在焊料表面布置金刚石(未涂覆)布。钎料合金中的Cr作为一种强碳化物元素,在钎焊过程中富集到金刚石表面,实现金刚石表面金属化。

Wiand等人在美国专利中介绍的方法是:加入钎料(Ni-Cr)金属粉末和有机粘结剂制成钎料涂料,将涂覆的金刚石粘附在工具钢基体上,然后涂覆钎料涂料,再加热到适中的温度并保持一定时间,以消除挥发性物质。在真空炉(真空度1.333×10-2Pa)或干氢炉中加热至约1100℃,保温1小时,钎焊的同时完成金刚石表面金属化。

在一些专利中,镍铬合金钎料也用于钎焊,钎料还包括Fe、B或Si、Mo等。如文献[14]中采用含Si或Si和Ti的镍铬合金钎料在真空炉中实现钎焊,钎焊温度为1126 ~ 1176℃;文件[15]采用含W、Fe、Cr、B、Si的铜基钎料钎焊金刚石砂轮;文献[16]使用Ag-Mn-Zr银基钎料钎焊金刚石工具,从而替代电镀工具。

德国ATrenker等人在钎焊过程中分别使用镍基活性钎料和镍基钎料实现金刚石与胎体的结合。对比电镀工具可以看出,高温钎焊金刚石工具的性能要比电镀金刚石工具好得多。钎焊工具(使用活性钎料和PDA989、PDA665金刚石)的初始磨削性能是电镀工具(镍基钎料和PDA665金刚石)的3.5倍以上,使用寿命是电镀工具的3倍以上。由于钎焊工具容屑空间大,金刚石磨粒的自由切削面大,磨粒之间的空间大,切屑容易被去除,因此钎焊金刚石工具的磨削性能好。

(2)国内高温钎焊金刚石工具的研究现状。

在国内外钎焊金刚石研究的基础上,第四军医大学和Xi交通大学采用真空炉(真空度为0.2Pa)高温钎焊的方法,以NiCr13P9合金为钎料,添加少量Cr粉,在高温(950℃)、压力(4.9MPa)下钎焊,实现了金刚石与钢基体的牢固结合。钎料均匀分布在砂轮表面,金刚石已经钎焊牢固,摸砂轮表面感觉又尖又粗糙。钎料均匀分布在金刚石磨粒之间,金刚石切削刃高度高。其耐用度较电镀砂轮明显提高,工作后只有少量金刚石脱落。

南京航空航天大学的萧冰采用了高频感应钎焊的方法。采用Ag-Cu合金和Cr粉末作为中间层材料,在780℃空气中感应钎焊35s,实现了金刚石与钢基体的牢固结合。姚正军等人采用Ar气保护炉感应钎焊的方法,以镍铬合金粉为钎料,真空感应钎焊30秒,钎焊温度为1050℃,实现了金刚石与钢基体的牢固连接。利用扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射结构分析发现,钎焊过程中铬元素金刚石界面形成富铬层,富铬层与金刚石表面的碳元素反应生成Cr3C2和Cr7C3,这是合金层与金刚石结合强度高的主要因素。进行了大切削深度、慢进给、大载荷的磨削试验。从砂轮磨削后的表面形貌来看,金刚石没有整体脱落,金刚石磨粒正常磨损,说明金刚石具有较高的握持强度,适合高效磨削。

台湾省中国砂轮公司(KNIK。Inc)推出单层均匀金刚石高温钎焊珠,在不降低其使用寿命的情况下,降低了50%的金刚石用量,切削速度提高了2倍。

在国内外研究的基础上,作者课题组采用Ni82CrBSi合金片状钎料,在钎料片上均匀分布金刚石,从而在低真空热压烧结炉中实现钎焊,并对钎焊金刚石工具进行了初步研究,探索了如何将钎焊技术应用于孕镶工具。从优化金刚石在胎体中的排列方式、金刚石粒度和浓度等静态结构参数和有效金刚石数量、金刚石间距等动态参数入手,实现单层金刚石在横向平面上的有序排列,再通过堆垛法使工作层中的金刚石在纵向方向上交错排列,从而实现金刚石的连续工作能力。为了测试胎体的金刚石镶嵌能力,特制了表面镶嵌金刚石钻头,进行了五次切削实验,测得了其最大平均切削值。通过测试钎焊单层刀具的金刚石刃口高度(金刚石为45/50目),发现最大刃口值可达70%以上。可见钎焊技术可以大大提高金刚石与胎体的结合强度。用金刚石钻头(φ63mm)进行的钢筋混凝土钻孔模拟实验表明,钻头在牙齿磨损近2 mm时仍能工作,理论上有两层金刚石参与了工作,这似乎表明可以实现“浸渍”,具体应用技术仍在进一步研究中。