涂覆金剛石的釬焊工藝研究

曹慶忠

(河南長葛市黃河電氣有限公司，河南 長葛 461500)

目前，釬焊金剛石工具技術得到了迅猛的發展，特別是在重負荷干磨干切的環境下例如加工鑄鋼、鑄鐵、鋼材領域的應用，給釬焊金剛石工具提供了新的發展空間，同時也對釬焊金剛石技術提出了新的要求。本文從涂覆金剛石和選配適合的新型釬焊料合金角度出發，針對影響當前金剛石釬焊的問題進行分析研究，采用新工藝制作單層金剛石釬焊鋸片，并對厚皮鋼管進行切割試驗，以期新工藝釬焊金剛石工具適合在重負荷干磨干切的環境下加工鑄鋼、鑄鐵、鋼材之目的。

1 重負荷干磨干切的環境下釬焊金剛石工具存在的問題

釬焊金剛石鋸片在切割鑄鋼、鑄鐵、鋼材時不僅受到鐵元素對金剛石的腐蝕，并且因為加工材質韌性比較大，使得需要的切割力也非常大，金剛石刀頭體因此發熱比較快，鋸片工作溫度非常高，金剛石受損嚴重，直接影響了釬焊金剛石鋸片的使用壽命和功效。為了提高金剛石鋸片的使用壽命和功效，業內專家均想到了采用高品級的粗粒度金剛石來解決問題，但是從當前使用的釬焊料體系來看，只有鎳基釬焊料可以用來承擔金剛石的釬焊任務。鎳基釬焊料因為對金剛石的把持力度較高、釬焊料合金胎體軟化溫度高、胎體軟化速度慢和耐磨性較好等優勢，已經普遍使用在該類的釬焊工具中。而銅基釬焊料因對金剛石的把持力度不高、釬焊料合金胎體軟化溫度低、胎體軟化速度快和耐磨性差等劣勢在該類的釬焊工具中基本無法使用。但使用鎳基釬焊料仍然存在以下問題：

(1)鎳基釬焊料的熔點較高(一般在1020℃以上)，過高的溫度對金剛石的侵蝕比較大，金剛石自身強度下降較大。金剛石是碳的立方結構形式, 從而具有高強高硬性, 在一定溫度下,這種立方結構會轉變成呈片狀的石墨結構或無定形的碳, 從而失去超硬性[1]。從熱力學角度分析，金剛石轉變為石墨Gibbs生成自由能ΔGT0[2]為

ΔGT0≤-1100-4.64T

(1)

式中：T為溫度。說明金剛石具有較強的石墨化趨勢，溫度越高，反應趨勢越大。在金剛石的表面或者缺陷部分(位錯)由于能量比較高，更容易石墨化。所以，在1000℃以上釬焊金剛石，焊接后金剛石的自身強度必然下降。

(2)鎳基釬焊料對金剛石的碳化反應劇烈，燒制工藝不嚴謹或者燒制環境不好，經常會出現碳化物反應層過厚和過量的sp2狀態碳殘余在金剛石表面等現象，造成金剛石焊接不牢。圖1所示為金剛石焊后宏觀形貌，圖2所示為金剛石和釬料界面的形貌，圖3所示為Ni-Cr合金釬焊金剛石的碳化物形貌[3]。

圖1 金剛石釬焊后的形貌Fig.1 Morphology of diamond after brazing

圖2 金剛石和釬料界面的形貌Fig.2 morphology of interface between diamond and solder

圖3 Ni-Cr合金釬焊金剛石的碳化物形貌Fig.3 carbide morphology of brazed diamond in Ni-Cr alloy

Ni-Cr合金真空釬焊金剛石時，在金剛石與Ni-Cr合金固液界面上鎳的浸潤作用結果將導致金剛石表面C原子sp3結構被破壞、解體，解體后的sp2狀態C原子向Ni-Cr合金熔體溶解和擴散，隨后大部分溶解的C和Cr原子生成碳化物。從圖2可以看出，在緊靠金剛石的一側，釬料中形成針狀化合物，隨著與金剛石距離的增大，化合物的數量減少。圖3(a)中A處是金剛石的表面，B處是Cr3C2碳化物。在B處向外，在液態釬焊料中有Cr7C3碳化物，如圖3(b)所示。在金剛石周圍形成了金剛石、(殘余C、SiC、Cr3C2)、(Cr7C3、釬焊料)的三層復合結構。

一旦碳化物反應層過厚，或者由于鎳的催化作用，在釬焊時就會使得sp2狀態碳不斷發生，過量的sp2狀態碳殘余在金剛石表面區域，必然會影響金剛石的焊接強度。當碳化物層形成到一定厚度，金剛石將變成“核桃仁”狀態，金剛石焊接強度也不復存在。

(3)金剛石粒度越粗，需要釬焊料對金剛石的把持力度越大，當前使用的鎳基釬焊料(如BNi-2等)對金剛石的把持力度是有限的，不能對粗顆粒金剛石構成滿意的支撐力。經過大量試驗統計，在保持金剛石出刃高度不低于50%的情況下，BNi-2鎳基釬焊料基本上是不能滿足粒度大于30/35金剛石所需把持力度的要求。粒度大于30/35金剛石的釬焊工具在切割鑄鐵、鑄鋼、鋼管時，基本上是以金剛石脫落的形式使得釬焊金剛石工具提前失效。圖4所示為Ni-Cr合金釬焊18/20粒度金剛石使用前后的形貌。從圖4(a)中可以看出，金剛石焊體形狀非常好，合金溫度也非常合適，但鋸片在使用過程中脫落現象依然非常嚴重，見圖4(b)所示，這可以說明當前的鎳基釬焊料對粗粒度金剛石的把持力不夠。

圖4 Ni-Cr合金釬焊18/20粒度金剛石使用前后的形貌Fig.4 brazing 18/20 grain size of Ni-Cr alloy diamond before and after using

(4)當前使用的鎳基釬焊料(如BNi-2等)熱強性能(熱強性是指金屬材料在高溫下抵抗塑性形變和破壞的能力)還需要提高。工作溫度達到500℃后，其合金胎體將趨于軟化，工作溫度越高，如工作溫度達到700℃以上時，合金胎體軟化程度會越嚴重，合金胎體的軟化將引起在受力時發生蠕變而塑性變形，使得其對金剛石的把持力度大幅度下降。在干磨干切鑄鋼、鑄鐵、鋼管件時，合金胎體的溫升是必然的，當合金胎體溫度升到一定程度后，金剛石受力使其周圍的釬焊合金發生蠕變并產生塑性變形，從而失去對金剛石的把持力。

(5)使用含Cr活性元素的鎳基釬焊料，釬焊后在金剛石周圍產生比較大的Cr元素擴散區域，造成組織疏松，合金不致密，這也必然影響對金剛石的把持力。圖5所示為Ni-Cr合金釬焊金剛石后的組織形貌。眾所周知，在材料中有一個重要的技術指標——彈性模量，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等[4]。從圖5中可以看出，金剛石周圍合金組織比較疏松、不致密，這些合金的彈性模量比較低。在釬焊工具工作中，金剛石受力后必然引起金剛石周圍合金的變形，如果合金的彈性模量比較低的話，合金變形后將難以復位，這樣金剛石將在合金中松動，最后失去有力的支撐而脫落。

鑒于鎳基釬焊料在重負荷干磨干切環境下出現的問題，我們有必要另外開辟技術路線，尋找新的金剛石釬焊方法。

圖5 Ni-Cr合金釬焊金剛石后的組織形貌Fig.5 microstructure of brazed diamond after Ni-Cr alloy

2 涂覆金剛石的釬焊工藝

新的金剛石釬焊方法要達到如下目的：(1)保持或增強原有金剛石的性能；(2)提高金剛石與釬焊料的濕潤性；(3)增強釬焊料胎體的性能(硬度、耐磨性、彈性模量、軟化溫度、熱強性等)。

新的金剛石釬焊方法的技術路線是：(1)采用涂覆金剛石，這不僅保持或增強金剛石的性能，而且能提高金剛石與釬焊料的濕潤性，同時在釬焊或者使用時還能保護金剛石避免熱損傷，另外采用涂覆金剛石將大大降低鎳基釬焊料中Cr元素向金剛石周圍的擴散程度，有利于保持金剛石周圍釬焊合金組織的致密性；(2)采用新型釬焊料，保證合金致密的組織結構，提高合金本體的耐磨性、彈性模量、軟化溫度和熱強性。

2.1 涂覆金剛石

涂覆金剛石技術已經發展了二十多年，其技術已經非常成熟。圖6所示為涂覆金剛石的實物及涂層結構示意圖。從圖6中可以看出，在金剛石的界面上已經形成了碳化物的結合，同時在金剛石外層也有了一層與鎳基釬焊料接觸角θ接近于0的金屬層。

圖6 涂覆金剛石的實物及涂層結構示意圖Fig.6 schematic diagram of the physical coated diamond and its coating structure

表面鍍覆的金屬以碳化物形成元素為宜，W、Mo、Cr、Ti等都是可以選擇的對象, 它們在含碳合金中都有與碳結合的傾向，液相狀態下對金剛石浸潤，冷卻到室溫后可以轉化成類似釬焊的結合[5]。涂覆過程中鍍層即在金剛石上形成了碳化物，從金剛石表面外延生長的碳化物在成分和結構上是逐步過渡的，與鍍層金屬和合金沒有明顯的界限，這是實現鍍層和金剛石牢固結合的關鍵因素[6]。同時，涂覆金剛石過程中，對有缺陷的金剛石也是一個補強的過程。由于鍍層的保護，制成的金剛石工具中鍍膜金剛石強度可保持原始強度，而未鍍膜金剛石則會在燒結過程中受結合劑腐蝕或石墨化作用，會比原始金剛石強度下降30%[7]。

此次實驗，新的金剛石釬焊方法中的金剛石顆粒采用涂覆了鉬鈷的金剛石。

涂覆金剛石的中間層是碳化鉬，碳化鉬為灰色六方晶體，具有較高熔點和硬度、良好熱穩定性和機械穩定性和很好的抗腐蝕性等特點。中間層碳化鉬起了彌補金剛石的缺陷、提高金剛石的抗氧化性、防止金剛石在高溫下的石墨化的作用。最外層是鉬鈷，增強了金剛石與釬焊料的潤濕性和連接強度。

2.2 高性能釬焊料選擇

釬焊料的種類較多，其選用主要遵循以下原則：

(1)釬焊料主成分盡量與涂覆金剛石的外層金屬以及鋸片基體主成分相同，或者釬焊料中的某一重要組元應能與涂覆金剛石的外層金屬以及鋸片基體產生液態互溶，從而能形成牢固的結合。

(2)釬焊料與涂覆金剛石的外層金屬以及鋸片基體間的熱膨脹系數要匹配，如果二者熱膨脹系數相差較大，則焊料/涂覆金剛石的外層金屬以及鋸片基體的界面處易形成殘余應力集中，將嚴重弱化焊點的熱疲勞性能。

(3)釬焊料與真空釬焊方法相匹配。在釬焊溫度下，焊料的主要成分應具有較高的化學穩定性，即具有較低的蒸汽壓和低的氧化性，釬焊料中應不含有蒸汽壓高的金屬元素，以免釬焊過程中釬焊料成分發生改變。

(4)釬焊料熔點合適，釬焊料的液相線溫度不高于1050℃，不對金剛石構成嚴重的熱腐蝕。

(5)熔化后的釬焊料要具有較高的強度、耐磨性和彈性模量。

依據金剛石顆粒是鍍鎢、鍍鉬、鍍鈦和30CrMo鋸片基體的主成分，此次實驗，新的金剛石釬焊方法中的釬焊料采用在鎳鉻硼硅合金的基礎上添加鉬、鎢、鈦、鈷等金屬成分制作而成。

鎳鉻硼硅合金具有優良的自熔性, 用途最為廣泛[8]。添加鉬、鎢、鈦、鈷等金屬后的新釬焊料具有高的合金熱強性、紅硬性和彈性模量，在高溫下耐磨性很好。

為了提高合金的高溫強度, 總的趨勢是提高加入合金元素的總量, 強化效果首先應計算W+Mo和γ′(強化相)形成元素的總量, 而Co和Cr居于次要地位, 合金的強度隨著合金元素總量的增加而提高[9]。在鎳基合金中，鉬、鎢是碳化物形成元素，進入合金固溶體后, 可減慢Ti和Cr的高溫擴散速度, 加強固溶體中原子結合力, 起到固溶強化，減慢軟化速度，提高合金的熱強性的作用。鈦是鎳合金中γ′相(強化相)主要形成元素，可明顯提高γ′固溶溫度和γ′體積分量。鈷在Ni-Cr合金中對高溫強度有良好作用，能降低Ti在基體中的溶解度, 因而增加強化相的數量，提高γ′相的固溶溫度，改善鎳基合金的熱強性，提高沖擊韌性。

2.3 新工藝金剛石鋸片

2.3.1 釬焊方法

制作選用HHD90金剛石，粒度為30/35，鍍鉬，鋸片基體直徑為Φ400。釬焊前對鋸片基體、金剛石表面去油去污處理。金剛石直接排布在鋸片基體上，新釬焊料均勻置于金剛石與鋸片基體表面，釬焊在ZKR-4FH型真空熱處理爐中進行，控制爐內真空度小于5×10-2Pa，保持在980℃釬焊溫度釬焊20分鐘。

新工藝制作的金剛石鋸片刀頭部位金剛石焊接情況如圖7所示。從圖7中可以看處，金剛石周圍不再出現疏松合金組織，合金化程度高，焊接牢固，說明采用涂覆金剛石進行釬焊方法可行。

圖7 金剛石鋸片刀頭部位金剛石焊接情況Fig.7 Diamond Welding on diamond saw blade

2.3.2 金剛石鋸片切割試驗

用金剛石鋸片進行切割試驗。圖8所示的是切割試驗現場。切割試驗方法為：切割機，切割Φ100/Φ80鋼管，與非涂覆金剛石鋸片相比較。

圖8 切割試驗現場Fig.8 cutting test site

非涂覆金剛石鋸片釬焊制作方法是：制作選用HHD90金剛石，粒度為30/35，釬料為Ni-Cr合金(BNi-2)，鋸片基體材質為30CrMo，鋸片基體直徑為Φ400。釬焊前對鋸片基體、金剛石表面去油去污處理。金剛石直接排布在鋸片基體上，Ni-Cr合金均勻置于金剛石與鋸片基體表面，釬焊在ZKR-4FH型真空熱處理爐中進行，控制爐內真空度在5×10-2Pa以好，保持在1020℃釬焊溫度釬焊20分鐘。

2.3.3 試驗結果

試驗結果見表1所示。

表1 切割Φ80/Φ60鋼管試驗

從表1中可以看出，涂覆金剛石釬焊鋸片的使用壽命是未涂覆金剛石鋸片的1.54倍，同時涂覆金剛石釬焊鋸片的切斷速度比非涂覆金剛石釬焊鋸片提高了3.10%。說明采用涂覆金剛石制作的釬焊鋸片不僅使用壽命長，而且鋒利性也有所提高。

3 結論

(1)采用涂覆金剛石和與涂覆金剛石相適應的釬焊料進行釬焊，發現新型釬焊料在金剛石周圍組織致密，耐磨性好，彈性模量高，對金剛石的把持力更高。

(2)使用涂覆金剛石，在釬焊溫度比較高的情況下，對金剛石的熱損壞比較小。

(3)制作的釬焊工具使用壽命長，同時工具的鋒利性也有所提高。

(4)雖說此次因時間的關系，沒有來得及在更粗粒度的金剛石上做試驗，試驗結果是在粒度為30/35金剛石上做出的，但并不影響涂覆金剛石釬焊工藝的可行性。今后繼續調整粗粒度金剛石和新的釬焊料，預計涂覆金剛石釬焊工具的壽命可以提高到未涂覆金剛石釬焊工具的2倍以上。