單晶金剛石刀具釬焊過程研究

麻東升

（天津冶金職業技術學院，天津300000）

1 引言

金剛石表面金屬化問題在20世紀70年代就引起了國內、外金剛石工具制造界高度重視。很多人致力于在燒結過程中實現金剛石表面金屬化的研究,在胎體材料中添加或在金剛石表面預粘上強碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前,并未與鍍層發生化學反應,只能屬于金剛石包衣)，以期其在燒結過程中實現對金剛石的化學鍵結[1]。

2 單晶體金剛石的特點

單晶體金剛石體面結構常為平面狀，呈八面的晶棱和頂角，通過化學或物理方法，在金剛石表面形成一層很薄的金屬層，提高液態釬料對單晶金剛石和硬質合金基體的潤濕性能，改善單晶金剛石刀具的釬焊性能。單晶金剛石晶粒結構和形態見圖1、圖 2。

3 單晶金剛石基體材料的選擇

單晶金剛石基體采用硬質合金材料Y T 15，其化學成分和力學性能見表1。

圖1 金剛石晶粒結構

圖2 金剛石形態

表1 Y K 15硬質合金基體的化學成分和力學性能

WC、T i C、T a C、N b C和粘結劑C o等元素通過粉末冶金方法而制成了硬質合金體。有關實踐得知，T i C、T a C、N b C與 WC更難被 A g、C u等釬料潤濕，而T i、T a、N b的氧化物很穩定，更難以被釬焊劑清除，常選用WC含量較高的硬質合金材料作為單晶金剛石的基體。同時，含C o量的多少也影響釬焊接頭的強度和釬料的潤濕性能，所以優先選用C o含量多的硬質合金作為基體[2]。

4 釬料的選擇

表面激活能較高的金剛石基體硬質合金材料，促使釬料的潤濕性能變差，導致釬焊接頭處承載的最大切削力小于刀具切削過程中的沖擊力，經常出現金剛石脫落現象，嚴重影響刀具的使用壽命。當前解決問題的關鍵在于，在現有釬料不變的情況下，提高釬料對金剛石基體硬質合金材料的潤濕性能，而釬料和釬劑的搭配是影響釬料的潤濕性的重要因素，潤濕和擴散程度直接影響釬焊接頭的質量，決定了單晶金剛石刀具的使用壽命。單晶體金剛石體和硬質合金基體組裝結構如圖3所示。

圖3 單晶金剛石體和硬質合金基體組裝圖

刀具釬焊接頭處的強度主要由釬料與單晶金剛石和硬質合金基體相互結合的程度決定的，取決于釬料的潤濕性能和擴散性能。合理選擇釬料對刀具的使用壽命有直接影響。

實踐證明，單晶金剛石釬焊應選用硬釬料。銀基釬料是目前應用較為廣泛的釬料，對金剛石和硬質合金材料具有良好的潤濕性，具有一定的結合強度和承受一定沖擊載荷的能力。表2為銀基釬料，常呈片狀，厚度為0.1～0.5m m，可以根據實際需要對形狀和大小進行裁剪[3]。

表2 銀釬料的主要組成元素和熔點

5 釬焊劑的選擇

單晶金剛石與基體硬質合金材料釬焊過程中，隨著溫度的升高，釬焊處金屬氧化速度加快，同時產生氧化膜，嚴重地影響了釬料的潤濕性。目前主要采用釬焊劑去除氧化膜，改善液體釬料的潤濕性，并產生相互擴散作用，以保證釬焊處的結合強度。

單晶金剛石、基體硬質合金材料和釬料，常采用以氟硼酸鉀、硼酐、硼砂為主，碳酸鉀和氟化物為輔配制成的Q J 102釬焊劑，其化學成分和活性溫度如表3所示。

表3 釬焊劑化學成分和活性溫度

6 釬焊設備

高頻感應釬焊加熱設備如圖4所示。

圖4 GPl5A高頻感應釬焊加熱設備

設備的加熱頻率選擇是根據工件的大小和感應線圈形狀決定的，頻率過高或過低都會影響電熱能的轉換，嚴重時會燒損電器元件。GPl5A型設備工作頻率為35～105kHz，當工作頻率在60kHz時，設備工作效率很高[4]。加熱方法如圖5所示。

圖5 加熱方法

7 焊前處理工作

單晶金剛石經過特殊處理后，在其表面形成一層很薄的金屬層，由于長時間與空氣和水分接觸，金剛石表面金屬層被氧化，釬焊前要用粒度細小的砂紙進行研磨，并露出金屬光澤，以便液體釬料潤濕和相互擴散，形成釬焊接頭。

8 釬焊過程

（1）刀具在加熱前，將釬焊劑均勻的涂抹在單晶金剛石、硬質合金基體和釬料上，通過專用夾具固定好刀具的各部分，并預留0.5～1m m的裝配間隙，以便為液態釬料填充預留間隙，能形成良好的釬焊接頭。

（2）釬焊加熱溫度選擇。加熱溫度過高，會造成釬焊縫氧化，單晶金剛石表面和基層硬質合金材料熱燒損；而釬焊溫度過低，液態釬料因流動性能不足，使液態釬料潤濕和擴散性能下降，造成釬焊縫存留氣孔或夾渣等缺陷，都會使接頭處脫焊，影響單晶金剛石刀具的使用壽命。通常釬焊的加熱溫度高于釬料的熔點30～50℃，此時液態釬料的流動性、潤濕性、擴散性最好，最容易獲得優質的釬焊縫[5]。

9 結束語

合理選擇單晶金剛石刀具的釬焊方法，嚴格執行釬焊工藝內容，并控制好釬焊過程，可以有效預防或避免釬焊接頭處缺陷的產生，有利于獲得優質的釬焊接頭，延長金剛石刀具的使用壽命。

[1]孟金龍.金剛石刀具高頻感應釬焊工藝的研究[D].大連：大連理工大學，2009.

[2]王適.金剛石熱穩定性及其刀具受熱損傷的研究[D].大連：大連理工大學，2003.

[3]李智,馬勇.單晶金剛石刀具的加工 [J].煤礦機械，2003（5）：50-51.

[4]張競敏，黃松筠.單晶金剛石刀具的選料與定向[J].工具技術，1999（7）：11-13.

[5]王立，李嫚，賈乾忠，等.金剛石刀具釬焊工藝的研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2008（3）：66-69.