釬焊及擴散焊在金剛石工具制造中的發展

李勝男，龍偉民，2，賈連輝，張 雷，黃國欽，宋曉國，金李梅

1.鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001

2.中機智能裝備創新研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315700

3.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450001

4.華僑大學 制造工程研究院，福建 廈門 361021

5.哈爾濱工業大學（威海）山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海 2641209

6.杭州華光焊接新材料股份有公司，浙江 杭州 311113

0 前言

金剛石有極高的硬度、強耐磨性、高導熱性和低熱膨脹系數等優良性能，是制造切磨工具的最佳材料［1］。金剛石工具是硬脆材料切割、磨削等加工的最常用工具，主要包括鋸切刀具、鉆探鉆頭、修整工具、拉絲模具等，廣泛用于石材切割、3C加工、地質勘探、汽車零部件制造及國防工業等各個領域［2］。

目前常見的金剛石工具有［3-5］：單晶金剛石工具（SD）、聚晶金剛石工具（PCD）、金剛石涂層工具（CVD）。單晶金剛石工具所用金剛石分為天然單晶金剛石和人造單晶金剛石；聚晶金剛石工具通常為人造金剛石；金剛石涂層工具按涂層厚度分為金剛石厚膜工具（金剛石膜厚度>300μm）和金剛石薄膜工具（金剛石膜厚度<20μm）。金剛石工具分類如圖1所示，一些常見的金剛石工具如圖2所示。將金剛石轉變為金剛石工具，并到達所需性能是金剛石工具制備研究的關鍵技術。本文總結當前金剛石工具制備方法，概述了國內外有關金剛石工具釬焊、擴散焊的研究進展，并對未來金剛石焊接技術的發展進行展望。

圖1 金剛石工具的分類［5］Fig.1 Classification of diamond tools［5］

圖2 常用金剛石工具Fig.2 Commonly used diamond tools

1 金剛石工具的主要制備方法

單獨的金剛石難以作工具使用，須與高韌性材料連接。金剛石工具的制造一般采用燒結、電鍍、釬焊、擴散焊等方法。

燒結法是將胎體粉末和金剛石按一定比例均勻混合后，在燒結爐內加壓燒結制備金剛石工具的方法。熱壓燒結技術多用于制造多層金剛石工具，如金剛石刀頭、砂輪和繩鋸。燒結法制成的金剛石工具胎體與金剛石結合強度低、金剛石顆粒埋入胎體較多，常用于硬度大、脆性高的材料的切磨加工。

采用電鍍方法將金剛石顆粒固結在基體上沉積的鍍層金屬內，可制備電鍍金剛石工具。電鍍金剛石工具鍍層金屬對金剛石的把持力較小，金剛石出露高度較低，金剛石磨粒在磨削載荷較重時易脫落。

釬焊金剛石工具［6-7］是采用釬焊方法將金剛石與基體連接制備而成的金剛石工具，金剛石與基體結合強度高不易脫落，同時具有磨粒出露高度大（理論上達磨粒高度的70%以上）、容屑空間大、散熱性好等優點，使用過程中能夠承受較大的負荷，可用于高速高效磨削。金剛石工具的釬焊方法早在1975年就已獲得專利［8-9］，其研究和使用受到國內外研究者的重視，已被公認為是很有前景的能改善人造金剛石連接的技術［10］。

擴散焊接是一種固態連接方法，通過高溫加壓下接觸面表層原子相互擴散，產生原子間的結合，從而獲得牢固連接。真空擴散焊溫度一般選0.6～0.8Tm（Tm為被焊母材熔化溫度），適用于熱膨脹系數差異大的材料之間的連接，如PDC復合片的硬質合金與刀柱基體的焊接。幾種制備方法的優缺點見表1。

表1 幾種制備方法之間的比較Table 1 Comparison of several preparation methods

2 金剛石工具的釬焊工藝

目前可用于金剛石工具的釬焊工藝有：真空釬焊、爐中釬焊、鹽浴釬焊、火焰釬焊、激光釬焊、電阻釬焊、高頻和真空感應釬焊等。結合強度決定了金剛石工具的使用性能和使用壽命。為防止釬料氧化，目前常在高真空中或惰性氣體保護下對金剛石工具進行釬焊［11］。

真空和氣保焊環境需要特定的爐子來提供；爐中釬焊一般采用電阻輻射加熱，加熱均勻，可以焊接結構復雜、尺寸較大的金剛石工具。真空釬焊單層金剛石工具主要應用于修整工具、磨輪、石材工具、玻璃工具的制造，真空釬焊和爐中釬焊均適合批量化生產［12］。連續氣氛保護爐釬焊采用氨分解氣作還原氣體，加熱速度緩慢溫度均勻，釬焊接頭美觀、質量可靠，工件表面光亮，生產效率高，焊接成本低，常用于小鋸片和異型金剛石工具的生產。

鹽浴釬焊溫度較低、加熱速度快且均勻，金剛石的石墨化程度低，適合大批量生產。然而，鹽浴釬焊工藝繁瑣，焊后工件釬劑殘留嚴重，清洗時產生大量廢水污染環境。此外，鹽浴釬焊的設備昂貴、生產周期長，金剛石工具的鹽浴釬焊有悖于綠色制造的發展理念。

火焰釬焊是很早發展的一種釬焊方法，所需設備簡單輕便，燃氣來源廣泛，工藝成本低廉，但其加熱溫度不易控制，已逐漸被主流市場淘汰。

激光釬焊時激光加熱局部受熱快，金剛石在高溫環境下暴露的時間短，金剛石的石墨化程度低。激光釬焊加熱效率高，溫度易控制，熱影響區小，可以進行復雜曲面的加工，還可實現金剛石顆粒的有序排列，自動化程度高，作業環境好。采用激光釬焊法焊接大尺寸及異型復雜工件，還可避免高頻感應釬焊的鄰近效應和集膚效應。但是，由于加熱時間過短，無法保證連續的反應層或擴散層在金剛石磨粒和釬料、釬料和基體之間的形成，進而降低釬料對金剛石顆粒的把持力［13］。

電阻釬焊常用于珩磨條釬焊，其焊縫質量好；但由于刀頭整體在焊接過程中處于較高的溫度，影響金剛石的使用壽命，目前有少數企業采用這種工藝。

高頻感應釬焊加熱速度快、釬焊效率高、生產成本低，操作簡便、勞動強度低，可釬焊各種形狀復雜和多齒工件。采用自動送料、氣氛保護或真空感應釬焊時，接頭具有良好的外觀和釬焊質量。感應釬焊是一種具有良好發展前景的制造金剛石工具的釬焊方法。

3 金剛石工具的釬焊設備

3.1 真空釬焊爐設備

真空釬焊爐可實現批量生產，操作工藝穩定且可重復性強，是金剛石工具釬焊制造中最常用的設備。但傳統真空爐爐腔體積有限，國內爐體多為單室爐，每爐產能較低，只適合小批生產。隨著技術的發展，目前已生產出多功能真空爐，如連續式真空釬焊爐、真空感應釬焊爐、熱壁真空釬焊爐等。

3.2 可控氣氛連續釬焊成套設備

以網帶連續式隧道爐為代表，該類成套設備已在一些退火及光亮熱處理場合成熟應用。其由進料區、加熱區、冷卻區和出料區組成，工件在氨分解氣氛的保護下完成釬焊過程。該設備具有可連續加熱，工件受熱時間可調，生產效率高，便于實現大批量生產，工人勞動強度低，可實現自動化等優點?？煽貧夥者B續釬焊成套設備綜合了化工、機械、控制、電爐釬焊等多種專業技術，為高效率、高質量、低成本大批量的自動化連續釬焊生產提供了技術保障。

3.3 激光釬焊設備

激光釬焊是指以激光為熱源的釬焊技術，其核心部件為激光器。根據工作物質類型，激光器主要分為氣體激光器（CO2氣體激光器）、液體激光器、半導體激光器、固體激光器（Nd：YAG激光器）、光纖激光器自由電子激光器等。其中，光纖激光器發展較快，且在通信、傳感、激光材料處理等領域獲得了廣泛應用。高轉化率、優質、高穩定性、小體積等將是未來光纖激光器研究的重點。具有更小占空比的超短脈沖鎖模光纖激光器、高功率飛秒量級脈沖光纖激光器、寬帶輸出并可調諧的光纖激光器等都將成為研究熱點。

焊接用激光束由脈沖波形向連續波形發展，最早用于焊接的激光器多為脈沖輸出的固態激光器，近年來高功率連續CO2氣體激光器和固體Nd：YAG激光器普遍被用作焊接熱源。金剛石對激光束的吸收率較合金釬料對激光束的吸收率低，故釬焊金剛石工具應選擇高能量密度型激光器。脈沖型激光器作為焊接熱源時，工藝參數更加復雜，目前對于激光釬焊金剛石的研究主要采用CO2連續型激光器，而對采用脈沖型激光器釬焊金剛石的研究甚少［13］。

3.4 高頻感應釬焊設備

高頻感應釬焊設備的核心部件是感應加熱電源，現代感應加熱電源正朝著大功率、高頻化、智能化方向發展。小型化、適合野外作業、高效節能等控制性能的感應加熱電源系統正成為未來的發展目標。隨著金剛石工具制造人力成本的增加和對金剛石工具釬焊質量穩定性要求的提高，自動感應釬焊工藝逐漸成為焊接金剛石鋸切工具的主要方法，金剛石工具自動感應釬焊能夠實現自動分齒、自動識別拾取刀頭、自動送焊片，具有焊接精度高、釬焊接頭牢固、使用壽命長等優點，一人可操作多臺機器，極大地降低人工成本。

4 金剛石工具的釬焊機理

釬焊金剛石工具的原理是利用與C元素親和力高的元素（如Ti、Cr、Zr等），釬焊時發生化學反應生成碳化物，進而實現金剛石、釬料、基體三者之間的冶金結合。對金剛石工具的釬焊來講，釬焊工藝和釬焊材料是最主要的影響因素［13］。

由于常用的金屬釬料很難潤濕金剛石表面，金剛石的釬焊性極差。目前主要采用活性金屬釬焊法或金剛石表面金屬化法來提高金剛石與金屬之間的釬焊性［12］。

4.1 活性金屬釬焊法

對于金剛石的連接，活性金屬釬焊法是指在釬料中加入活性元素（通常為強碳化物形成元素）如Ti、Zr、Cr、V等，通過化學反應生成碳化物，實現金剛石與釬料的冶金連接，進而通過金屬釬料將金剛石連接在金屬基體上，釬焊金剛石接頭界面見圖3。

圖3 釬焊金剛石接頭界面Fig.3 Interface brazed diamond joint

活性釬料一般常用含Ti的Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti合金；含Cr的Ag-Cu-Cr、Ni-Cr合金，在惰性氣體或真空環境下釬焊。Ti、Cr與C的化學親和力較高，界面TiC、Cr-C等碳化物的生成是實現金剛石、釬料與基體間冶金連接的主要原因。

4.2 金剛石表面金屬化處理

對金剛石表面進行金屬活化處理，使表面具有類金屬的性能，更有利于金剛石與金屬釬料之間的結合［14］。表面金屬化主要有化學鍍加電鍍、真空蒸鍍、等離子濺射、磁控濺射、化學氣相沉積、物理氣相沉積、機械包覆等方式，應用較多的是化學鍍加電鍍和真空蒸鍍。金屬化通常選擇活性較強的金屬，如Ti、Cr、W、Mo等。金屬鍍層有利于金剛石和基體之間的冶金結合，可提高金剛石工具基體對金剛石顆粒的把持力［15-16］。

5 金剛石工具釬焊用釬料

釬焊接頭或界面的強度主要取決于兩方面因素：釬焊材料和釬焊工藝。常用金屬釬料在金剛石表面都難以潤濕鋪展，高溫下金屬Ni在金剛石表面的潤濕角較??；Cu在高溫下不潤濕金剛石表面，但在Cu中添加Ti元素后，Cu基合金在金剛石表面的潤濕性大幅提高。目前金剛石工具釬焊所用釬料基本可分為：以Ni基為主的高熔點合金釬料（Ni-Cr等）和以Ag基、Cu基為主的低熔點合金釬料（Cu-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti和Ag-Cu-Cr等）［17］。

5.1 鎳基釬料

鎳基釬料釬焊層硬度高、耐蝕性好、耐磨性好、高溫性能好，已被廣泛用于航空航天領域。鎳基釬料自誕生以來已有大量的基礎和應用研究，其商業化發展也備受重視，其中Ni-Cr合金是釬焊金剛石工具常用的釬料。采用鎳基釬料釬焊金剛石工具，二者優勢互補，工具可用于高強度切割、磨削與鉆進等場合。

1975年，美國的J.T.Lowder等［8］開啟了用Ni-Cr合金釬料釬焊金剛石工具研究的先河。Wiand等［18］通過真空釬焊鍍膜金剛石的方法，研究了Ni、Cr、B、Si、Fe、Mo等不同成分金屬粉末、釬焊工藝（溫度和保溫時間等）對強度的影響。瑞士A.K.Chatopadhyay等［19-20］先將Ni-Cr合金火焰噴涂到鋼基體上，然后利用感應釬焊在氬氣保護下連接金剛石與鋼基體，并研究釬料用量與潤濕性和強度之間的關系。

國內的林增棟等［21］采用Ni-Cr-P等釬料實現了金剛石工具的釬焊，介紹了金剛石工具的釬焊工藝。研究結果表明釬焊溫度選擇應高于釬料合金熔化溫度50～100℃，保溫時間要短，金剛石的出露高度反比于釬料用量。肖冰、馮伯江等［22-26］學者深入研究發現，Ni-Cr釬料釬焊金剛石時，界面呈現內層 Cr3C2、外層 Cr7C3的雙層結構。盧金斌等［27-28］研究表明，采用Ni-Cr釬料釬焊金剛石時，界面生成的Cr7C3呈筍狀形貌，Cr3C2呈片狀形貌。

5.2 銅基釬料

鎳基釬料熔化溫度高，所需釬焊溫度高，會造成金剛石石墨化，有損金剛石的熱穩定性。在工作環境較好、耐磨性要求不高的領域，可選擇銅基或銀基釬料，以降低金剛石的石墨化程度。

巴基斯坦的F.A.Khalid等［7，29］采用銅基活性釬料Cu-14.3Sn-10.2Ti-1.5Zr實現了金剛石的真空釬焊，研究發現金剛石與釬料界面產生了200 nm厚的雙層TiC結構：靠近金剛石為50～70 nm厚的TiC微粒，靠近釬料為100～200 nm厚的柱狀TiC。溫度升高或反應時間延長，釬料側柱狀TiC生長，金剛石側TiC微粒層保持不變。S.Buhl等［30］采用Cu-14.4Sn-10.2Ti-1.5Zr釬料實現了金剛石單晶的釬焊，探究了釬焊參數與界面殘余應力及接頭強度的關系，釬焊溫度由880℃升高到930℃時，金剛石接頭剪切強度由321 MPa降低到78 MPa。

W.C.Li等［31-32］采用Cu-10Sn-15Ti合金釬料在925℃/5 min、1 050℃/5 min規范下實現了金剛石的釬焊，在界面處形成約500 nm厚的連續TiC層。S.F.Huang等［33］采用Cu-10Sn-15Ti釬料，比較了真空釬焊和激光釬焊對金剛石界面微結構的影響，真空條件下TiC過渡層連續；激光條件下由于反應時間短，金剛石表明產生的反應產物較少。西安交通大學孟衛如等［34］分別采用BNi-2、BNi-7，CuSnNiTi等釬料實現了金剛石工具的真空釬焊。通過對比發現，CuSnNiTi釬料熔化溫度低，在金剛石表面的潤濕性好，對金剛石的熱損傷小，把持力高，且金剛石工具的使用性較好。

5.3 銀基釬料

金剛石工具釬焊用銀基釬料，通常為添加有Ti、Zr等活性元素的Ag-Cu共晶［35-37］。Ag基合金釬料熔點較低、對金剛石的浸潤性好。

哈爾濱理工大學、燕山大學、哈爾濱工業大學、南京航空航天大學的一些學者開展了使用Ag基釬料釬焊金剛石的研究［38-41］，得出相似的結論：即在釬焊條件下，Ti與C發生化學反應，TiC化合物的生成使釬料與金剛石之間實現了冶金連接。鄭州機械研究所有限公司釬焊國家重點實驗室團隊對常用的Ag基釬料進行分析，根據Ag、Cu、Zn、Cd、Ni、Co、Mn等元素在釬料中的作用和特點，配制了10余種釬料，并對其熔化溫度、強度、釬焊工藝進行了研究，研制了一系列適用于不同工作環境下釬焊PCD工具的釬料［42］。

但是由于Ag金屬價格較高，Ti元素對真空度要求較高，釬焊成本高；同時該釬料對金剛石的把持力較小，工作時易脫落，故其在金剛石工具釬焊中的應用并不十分廣泛。銀基釬料常用于耐磨性低的特殊情況［17］。幾種不同釬料優缺點的比較如表2所示。

表2 幾種不同釬料的優缺點［43］Table 2 Advantages and disadvantages of several different brazing filler metals［43］

6 金剛石工具的擴散焊連接

擴散焊的接頭性能可與母材相當，適合于焊接異種材料。真空擴散焊接頭強度較高、熱穩定好、抗震性好，在金剛石工具的制造中，多用于PDC地質鉆頭的連接，在保證鉆頭質量、提高焊接強度的同時，增大鉆頭的進尺深度。擴散焊連接是提高PDC鉆頭使用性能和使用壽命的一種有效方法。

Varnado等［48-49］在PDC表面鍍25～50 μm厚金屬鎳，然后在650℃、214 MPa下真空擴散焊4 h，獲得接頭剪切強度達413～551 MPa。

邱惠中［50］等采用單向加壓擴散焊和熱等靜壓擴散焊兩種方法實現了PDC與碳化鎢支柱的高強度連接，滿足了PDC鉆頭的使用要求。采用單向加壓擴散焊，在680℃下，PDC與碳化鎢連接強度達到500 MPa左右；采用熱等靜壓擴散焊，焊接的切削齒穩定可靠，成品鉆頭耐磨性沒有明顯降低，現場試驗也驗證了產品的優良質量。

劉潔等［51］通過分析PDC鉆頭使用過程中存在的問題及產生原因，進行了PDC鉆頭的真空擴散焊試驗，驗證了利用真空擴散焊進行聚晶金剛石復合體焊接來提高PDC鉆頭的使用性能和壽命的可行性。

孫鳳蓮等［52］采用擴散焊和釬焊相結合的方法，用Ti箔和Ag-Cu箔共同作中間層材料，在真空輻射加熱擴散焊機上實現了氣相沉積金剛石厚膜與硬質合金間的牢固連接。在金剛石與中間層界面近區有C、Ti元素的相互擴散，有化合物TiC生成。

喬培新［53］等采用真空熱壓燒結的方法，通過添加預合金粉末實現了金剛石與胎體合金之間的擴散釬焊連接，闡明了采用預合金粉末實現金剛石的擴散釬焊連接是改進金剛石使用工具的有效途徑。

擴散焊工藝過程復雜，焊接時間長，設備昂貴，焊接成本高。目前，真空擴散焊一般只用于高強度大振動要求的地質鉆頭的焊接，尚未用于通用金剛石工具的大批量制造。

釬焊、擴散焊以其工藝自身的優異特性，在異質材料連接，如碳材料和金屬等的連接中擁有得天獨厚的優勢，今后必將成為金剛石工具制備的研究熱點。金剛石工具的釬焊研究已百花齊放，目前正朝著自動化、綠色化、工藝復合化、優質化、經濟化的方向發展。金剛石工具的擴散焊還局限于特殊工具種類的連接，有待繼續深入。