超硬磨料釬焊技術的研究進展

張貝++朱文武++劉數

摘 要：超硬磨料釬焊工具已經成為現代磨削技術發展的需要，甚至成為解決某些重要零件加工難題的關鍵技術。該文從釬焊機理、釬焊的優勢以及釬焊技術應用等方面進行了深入地分析。

關鍵詞：釬焊工具 超硬磨料 釬焊工藝 金剛石 CBN

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0030-01

目前超硬磨料工具包括金剛石工具和立方氮化硼（CBN）工具，可以加工陶瓷、高溫合金等難加工材料，但是超硬磨料工具的損耗十分嚴重，主要是因為在加工過程中超硬磨料容易從工具表面早期脫落。為了解決磨粒早期脫落，就需要提高磨粒的有效固結強度或把持能力，超硬磨料釬焊技術正是解決這一問題的關鍵技術。

1 釬焊機理的研究

磨粒的脫落主要是與結合劑對磨粒的把持能力有關，傳統金剛石砂輪是由鎳基電鍍層或燒結金屬結合劑把持磨粒，對磨粒的把持基本依靠機械式的包埋，力量非常弱，磨削過程中磨粒受到較強的沖擊力時很容易被剝離出結合劑。而且傳統金剛石砂輪，磨粒的排布隨機性很強，磨粒的聚集會造成磨粒間距疏密不均，這樣會造成聚集區域磨粒冗余性大，非聚集區域磨粒常常因過載而形成碎裂和脫落。

傳統金屬結合劑金剛石砂輪之所以沒有形成牢固而有效的磨粒把持，就是因為金剛石具有良好的化學惰性，其可焊性非常差，對大多數金屬基本上不浸潤，金剛石真正的表面金屬化就非常困難。然而可以找到某些對金剛石浸潤的液態金屬[1]，并在這種浸潤金屬液體中加入少量的活性合金元素，使其在一定的溫度條件下可以和金剛石產生化學反應，生成新的梯度材料，這樣就牢固地將金剛石牢固固結在砂輪表面上，因此，磨粒就不會在磨削過程中出現脫落。

目前使用最多的金剛石釬料有3種，一種是Ni-Cr；一種是Ag-Cu-Ti；一種是Cu-Sn-Ti。Ni-Cr釬料釬焊技術的研究最早，因為其熔融溫度超過1000oC，在高溫下釬料與金剛石的反應強烈[2]，磨削實驗證明釬焊牢固可靠。但是它釬焊的溫度太高了，在這么高的溫度環境下還有Ni等觸媒元素的作用，金剛石容易形成表面的石墨化[3]，石墨的剪切強度非常低，這樣會造成釬焊效果的不穩定。Ag-Cu-Ti釬料的研究較多[4]，因為Ag-Cu-Ti合金能夠在金剛石表面良好鋪展，其釬焊溫度一般在800℃～900℃，所以金剛石的石墨化相對較低，而且隨著溫度的升高，其界面反應更加強烈，釬焊的可靠性會大大增加。Cu-Sn-Ti釬料因為其成本的低廉而備受研究者的注目，而且Cu-Sn-Ti釬料有較高的強度和較好的抗腐蝕性能，但是Cu-Sn-Ti釬料的釬焊機理非常復雜，Cu-Sn-Ti對于生成的外延TiC層厚度非常敏感，這可能是由于界面應力環境的變化造成的。

金剛石砂輪只能用于有色金屬和脆性材料的加工，而對于那些需要大去除率的黑色金屬則需要選用CBN砂輪，CBN砂輪釬焊技術的研究也變得越來越多[5]。CBN超硬材料也具有典型的化學惰性，其可焊性比金剛石更差。但運用適當的釬料和釬焊工藝還是可以實現CBN與釬料的化學冶金結合。CBN的釬焊多用Ag-Cu-Ti釬料和Cu-Sn-Ti釬料，釬料中的活躍元素Ti與CBN中首先容易擴散遷移的N元素形成間隙化合物，隨著反應的進行Ti元素逐漸向CBN表面富集，形成了CBN界面的梯度復合材料，實現了CBN的牢固固結。

綜上所述，釬焊超硬磨料砂輪解決了磨粒可靠固結的問題，釬焊超硬磨料砂輪的實驗表明磨粒在磨削過程中不出現脫落。釬焊超硬磨料砂輪可以應用于強力磨削，高效深切磨削，高速磨削等先進的磨削技術領域，完全適應了現代磨削技術的發展。

2 釬焊工具的優勢

（1）釬焊工具具有磨粒的大出露，形成了較大的容屑空間，提高磨削液的冷卻效率，實現了冷態磨削。磨粒大出露可以進行無修整磨削，這種砂輪具有更高的防堵塞性。

（2）釬焊砂輪可以使用模板對磨粒進行有序排布，磨粒的排布使得釬料在磨粒間的分布更加均勻，磨粒也不會由于釬料的表面張力而聚集在一起，形成了良好的砂輪磨削性能。

（3）釬焊砂輪從制作、使用到報廢相對其他砂輪來說是非常綠色的[6]，首先釬焊砂輪制作過程中不產生像電鍍液那樣的廢料；其次釬焊砂輪在使用過程中磨削液的使用量少；釬焊砂輪無修整損耗；磨粒大出露減小了砂輪表面與工件之間的摩擦，降低了加工能耗；所以釬焊砂輪的使用具有環境友好性。最后砂輪經使用報廢后僅去掉表層磨耗的磨粒剩余部分即可回收利用，這樣釬焊砂輪提高了砂輪整體的利用水平。

3 釬焊工藝的發展

近年來，出現了各種釬焊工藝如真空釬焊、Ar氣保護釬焊[7]、高頻感應釬焊[8]、激光釬焊[9]、玻璃釬焊等。釬焊工藝方法靈活多樣，拓寬了各種釬焊工具的開發手段。

4 結語

通過以上分析，可以認為釬焊工具是最有發展潛力的現代磨削工具之一，釬焊工具的研究仍然是以后研究的熱點。

參考文獻

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[3] Sheng-Fang Huang， Hsien-Lung Tsai， Shun-Tian Lin. Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix[Z]. Materials Chemistry and Physics，2004.

[4] 盧金斌，徐九華.Ag-Cu-Ti釬料釬焊金剛石的界面微觀組織分析[J].焊接學報，2007，28（8）.

[5] 丁文鋒，徐九華，盧金斌，等.高溫釬焊立方氮化硼界面微結構.焊接學報，2004，25（5）：29-32.

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[8] 馬伯江，徐鴻鈞，傅玉燦，等.高頻感應釬焊金剛石界面特征[J].焊接學報， 2005，26（3）：50-54.

[9] 楊志波.金剛石磨粒激光釬焊工藝與機理研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.endprint