釬焊金剛石工具的研究綜述

王光祖,方占江

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，鄭州 450001；2.河南七方超硬制品科技有限公司，禹州 461670)

1 概述

釬焊金剛石技術是由美國的專家20世紀70年代率先提出并研究出來的，后經瑞士、美國、德國和中國等許多專家學者的研究發展，于21世紀初逐漸成熟起來的一項金剛石工具制造新技術。釬焊金剛石技術的基本原理是：采用含有活性元素(如Ti、Cr、W等)的釬料，其熔化溫度低于金剛石與基體的熔化溫度，在高溫的釬焊過程中，利用活性元素與金剛石表面發生化學反應并形成一層碳化物，借助于這層碳化物的過渡作用，使得液態釬料在金剛石和基體表面濕潤、鋪展、毛細流動、填縫、相互溶解和擴散，實現金剛石、釬料、基體三者牢固的化學冶金結合。

利用釬焊金剛石技術制作的高溫釬焊金剛石工具在如下方面顯示出無可比擬的優勢。

(1)結合強度高，對金剛石磨料把持牢固，在使用過程中不脫落。

(2)對金剛石磨料潤濕形態好，釬焊后呈“現金字”塔形狀，造成金剛石磨料出露高，同時金剛石磨料間的形狀呈現“凹”形，容屑空間大，在使用過程中不容易發生切屑堵塞而導致工具失效現象。

(3)金剛石磨料本身利用率高，特別是金剛石本身具有微破碎自銳性的情況下，工具的壽命會大大提高，有效地節省了資源。

(4)其牢固的化學冶金結合適合高負荷高效磨削。

(5)在釬焊金剛石工具制作過程中無(極少)廢氣、無(極少)廢水、無(極少)塵埃，完全屬于綠色制造，較其他制作方法有著明顯的環保優勢。

釬焊金剛石技術已引起世界各國金剛石工具制造業界的廣泛重視，從20世紀90年代開始，世界各國從事釬焊金剛石技術研究，生產開發的單位越來越多，在金剛石釬焊機理、釬料制作、燒成辦法、工具結構設計等方面的技術越來越成熟，金剛石焊釬工具的應用己從過去的玻璃、石材、陶瓷和混凝土加工業，擴大到硅材料、藍寶石、碳纖維復合材料、塑料、耐火材料、鑄鐵等加工業，其用量正日益增多。值得一提的是在鈦合金、錳鋼合金和金屬陶瓷等難加工的材料中，金剛石釬焊金剛石工具有其獨特的優勢。但到目前為止，釬焊金剛石技術的產業化局面還沒有完全形成，釬焊金剛石工具的制作手段仍大部分停留在手工作業的環境中，生產效率非常(較)低，產品品級一致性差，質量保證困難。

金剛石工具的釬焊已經形成了一專門化的工種，行業發展百花齊放，能形成共識的發展趨勢有以下五點：自動化、綠色化、工藝復合化、優質化、經濟化。

2 金剛石工具釬焊設備與工藝

由于金剛石工具種類繁多，形式各異，派生的工藝和設備更是不勝枚舉，但目前主流工藝以感應釬焊和真空釬焊為主[1-2]。

高頻感應釬焊加熱速度快、釬焊效率高;操作簡單、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，接頭具有很好的外觀和釬焊質量。該方法不僅在一次焊接時生產成本低，而且基體可以復釬焊而重復利用。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、接頭牢固、使用壽命長等優點，一人可操作多臺機器，極大地降低了人工成本。

爐中釬焊(連續氣氛保護爐釬焊)主要用于小鋸片和異型金剛石工具的生產，一般采用分解氨生成的氫氣和氮氣作為還原氣體，加熱速度緩慢而溫度均勻，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、適合批量化生產。

真空釬焊一般采用電阻爐輻射加熱，生產效率高，可以焊接結構復雜、尺寸較大的金剛石工具。目前，真空釬焊單層金剛石工具廣泛用在整體工具、磨輪、石材工具、玻璃工具的制造，真空多層金剛石工具具有較好的應用前景。

激光釬焊方法逐漸應用于制造單層金剛石工具[3]。激光釬焊時工件局部受熱快，釬焊過程中金剛石在高溫狀態下停留時間短，可有效避免金剛石發生石墨化轉變，同時激光釬焊工藝還可以實現金剛石顆粒的有序排列，加熱效率高、溫度控制精準，可進行復雜曲面的加工，自動化程度高，作業環境好。采用激光釬焊焊接法焊接大尺寸及異型復雜工件，還能避免高頻感應釬焊的鄰近效應和集膚效應。

3 釬料

目前，用于焊接金剛石的釬料主要有Ni-Cr、Ag-Cu-Ti和Cu-Sn-Ti三類合金。其中最廣泛的是Ni-Cr釬料，Ni基釬料具有較高的強度及硬度，但釬焊時溫度極高，容易對金剛石造成熱損傷而導致金剛石性能下降，影響金剛石強度和工具壽命。Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti以低熔點合金作為釬料，對金剛石浸潤性良好，金剛石熱損傷小。但低熔點合金釬料硬度不高，耐磨削、耐高溫性能差，應用范圍受到限制[4-6]。

鐵基釬料的主要優點是，較適宜的力學性能，如抗彎強度、硬度等;對金剛石有較好的潤濕性和更高的附著力;對骨架材料的潤濕性好;同時，鐵基釬料具有價格低廉的經濟優勢，深受廣大研究者和廠商的重視，是近來國內外重要的應用和發展方向[7-8]。

采用高溫釬焊工藝以改善金剛石與基體之間的結合強度，該工藝主要通過在釬料中添加活性金屬元素(如Ti、Cr、Mo、W等)，利用活性元素在釬焊過程中向金剛石表面富集并在金剛石界面處生成相應的碳化物而實現化學冶金結合，大大提高了結合劑對金剛石的把持強度，金剛石的出刃高度可達到磨粒自身高度的2/3，有效增大了金剛石的利用率和容屑空間。

作為PDC鉆頭的切削齒通過釬焊的方式被焊接在鉆頭體上，其釬焊縫需要承受各種力、侵蝕、磨損等苛刻條件下的復雜載荷[9]。因此，釬焊強度直接影響了鉆頭使用壽命，為解決復合片的脫落問題，工程技術人員致力于提高釬焊材料的性能研究，比如更換結合強度更高的釬料。

隨著制造業不斷向自動化、智能化方向發展，研究PDC鉆頭的釬焊自動化取代高強度、高污染的手工釬焊鉆頭生產是釬焊工藝中的重點研究方向之一[10]。

金剛石的可焊性差，似乎找不到一種既能充分潤濕又不嚴重侵蝕金剛石的純金屬材料;金剛石的熱穩定性差，高溫下容易受熱損傷。因此選擇釬料時既要考慮釬料能充分浸潤金剛石，又要盡量降低釬焊的溫度，設想從低熔點連接元素Ag、Cu、Zn、Sn和碳化物形成元素Ti、Cr、W中，各取適當元素制成釬料，來實現金剛石與鋼基體的連接。

釬焊材料對金剛石工具性能的影響，主要是通過釬料中的某些活性元素(例如Cr、Ti、Fe、V、W等)與金剛石表層碳原子發生化學冶金反應，實現了金剛石與基體、金屬性結合劑的化學冶金結合，從而提高金剛石的出刃高度和使用壽命。在鎳基釬料中，一般添加Cr元素，而在銅基和銀基釬料中，一般添加Ti元素。此外，活性元素的增加，還能對釬焊層起到固溶強化的作用，增強釬焊層的耐磨性。

釬焊在金剛石工具中的應用研究越來越多，范圍也越來越廣，并取得了重大進展，但總體看還存在許多不足。

(1)釬焊單層金剛石工具的鋒利度和壽命取決于金剛石本身的強度和耐磨性，一旦單層金剛石破碎或磨損，工具壽命就告終了。

(2)復雜條件下使用的釬料多為Ni-Cr(-Ti)合金或Cu-Sn-Ti釬料，這些釬料的熔點較高，且燒結的焊層脆性較大，不利于金剛石工具的使用。

(3)釬焊法能顯著提高胎體包裹金剛石的能力，但是并未有各種定量的衡量指標，例如,釬焊層的物理性能，釬料熔融后的收縮性。

綜合上述問題，對今后的研究方向有以下4點建議：

(1)研究釬焊孕鑲金剛石工具，特別是耐磨性鎳基有序排列孕鑲金剛石工具，以適用于地質勘探、石油開采、建筑材料加工、寶玉石加工等對工具壽命要求較高的領域。

(2)尋找開發能夠大幅度陣低釬焊溫度，滿足復雜應力條件下使用，而且可以有氧氣氛或低真空環境下燒結的新型釬料，以降低高溫燒結對金剛石產生的熱損傷和生產成本。例如鎳基釬料熔點高、耐磨性好，而添加銅粉、石墨等材料后可以降低于金剛石的石墨化程度，同時還可增強胎體的塑性，促進金剛石出刃。因此，可以加強Ni-Cr-Cu-C合金釬料的研究。

(3)應對釬焊層的物理力學性能進行研究，例如硬度、耐磨性、抗沖擊性等，用定量的指標來指導后續的研究。

(4)燒結后金剛石的反應比例值多少為最佳，這個反應值與釬料中活性元素的含量、燒結溫度、燒結氣氛等因素有關。此外，釬料熔融后的收縮性對金剛石的出刃高度也是重要的影響，應加強這些基礎研究[11]。

4 3D打印技術

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，利用紙層疊和光固化等技術來實現快速成型。作為工業4.0中實現“智能生產”和“智能工廠”的重要方法，它完成了由信息流到物理實驗的轉變。如今，隨著3D打印技術的不斷革新與發展，其不斷與其他產業相結合促進了制造業的迅猛發展。

傳統金剛石工具制造方法，如燒結、電鍍、釬焊等，難以制造異型、超薄、微型的金剛石工具。因此，引入3D打印技可以為金剛石工具制造提供了一種新的工藝方法[12]。

近年來，3D打印技術已成為一種新型熱門制造技術，它使用多種原材料成型制造具有不同力學性能和結構特征的零部件[13-15]。此外，該技術將復雜的三維加工轉變為簡單的二維加工，使成型精密和具有復雜結構的零部件制造更加便捷。

3D打印技術(增材制造技術或快速成型技術)以數字模型為基礎，采用高散材料(液體、粉末、絲、片、板)通過逐層累加方式來制造任意復雜形狀的零件[16]，3D打印最常用的材料是光固化樹脂，可以增強層間結合強度，利用這種工藝制造出了圓盤狀的平面磨削砂輪和超薄型切割砂輪[17-18]。

5 有序排布

有序排布超硬磨料磨具是近年來出現的一種新型的超硬磨料磨具，它與傳統的超硬磨料磨具不同，這類磨具中的磨料依照預先設計實現有序排布，使磨粒均勻分布，具有合理的磨粒間距。因此，各個磨粒均參與切削，有效減少了因磨粒重復切削而產生的相互干擾。進而增加了砂輪工作表面的容屑空間，提高了容納冷卻液的能力，且磨削刃鋒利，能有效降低磨削力和磨削溫度，與傳統方法制造的超硬磨具相比在磨削性能方面具有明顯的優勢。

現在已有的釬焊金剛石磨盤只可應用于打磨、切割石材，尚未出現針對鋼鐵材料的高效、耐磨的釬焊金剛石工具。為解決提高釬焊磨盤磨削效率與壽命這個問題，對磨盤表面進行有序排布，設計出一種將較大顆粒金剛石緊密排布并形成一定規則幾何形狀的蔟狀，同時簇狀均勻合理分布在基體表面的新排布方式。該排布方式解決了傳統磨盤排布方法難以根據工況，使用參數進行地貌優化的難題，并實現了區域磨料有序排布[19]。

6 金剛石釬焊質量評價方法[20]

從20世紀90年代初金剛石釬焊技術被提出以來，從事金剛石釬焊研究的學者們主要從金剛石釬焊微觀形貌特征、釬焊金剛石刀具摩擦磨損性能、金剛石釬焊強度、金剛石釬焊接頭殘余應力等方面來評價釬焊金剛石工具質量。

(1)釬焊金剛石微觀形貌特征

金剛石釬焊形貌特征主要包括：金剛石表面形貌和釬焊形貌，以及金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌等。其中金剛石表面形貌可以反映出其熱損傷及石墨化程度，釬料形貌可以反映出釬料對金剛石的潤濕鋪展程度，金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌可以反應出三者之間的化學冶金反應狀態。

(2)釬焊金剛石磨粒摩擦磨損性

在磨粒磨削加工過程中，磨粒承受來自工件的沖擊作用和接觸產生的熱載荷。倘若釬焊接頭強度不足把持位住高負荷加工狀態的磨粒，磨粒將產生非正常脫離。根據此原理，開展金剛石磨粒摩擦磨損試驗，其結果可以用來判評釬焊性能。

(3)金剛石釬焊強度

釬焊硬度是高性能釬焊接頭的重要直接評判標準，根據受力方向可分為抗拉伸強度和抗剪切強度，抗拉伸強度雖然能直接反映材料界面上結合鍵的強弱，但抗剪切強度更符合磨粒磨削加工過程中受力狀態。

(4)金剛石釬焊接頭殘余應力

殘余應力是影響金剛石釬焊接頭性能的重要因素，殘余應力過大，將導致釬焊接頭萌生裂紋導致磨粒在加工過程中產生不正常脫落或磨損。

7 金剛石釬焊性能主要影響因素

在焊金剛石工具制備過程中，釬料粉末、鍍覆金剛石類型、釬焊工藝參數(包括釬焊溫度、保溫時間、釬焊氣氛等)等，都對金剛石釬焊性能有很大影響。

7.1 釬料成分

(1)釬料具有合適熔點。

(2)釬料對金剛石具有良好的浸潤、擴散作用。

(3)釬料應具有穩定、均勻的成分，以減少釬焊過程中的偏析現象和易揮發元素的損耗。

(4)具有一定的強度、硬度和熱膨脹系數。

(5)避免由于物理性能的不匹配導致金剛石與釬料截面處產生較大的殘余應力。

7.2 金剛石鍍膜

金剛石鍍膜是指在金剛石表面鍍覆一層親和性金屬，并且使鍍層與金剛石之間發生牢固的化學鍵合，降低金剛石的表面能，易與金屬結合劑浸潤，改善金剛石表面的可焊性，實現金剛石與金屬之間的冶金結合。

7.3 釬焊工藝參數鍍

(1)釬料的熔化填充，以及熔化的釬料與金剛石表面的的化學冶金反應的過程都離不開溫度大小和保溫時間作用。

(2)釬焊氣氛

由于金剛石在高溫易于石墨化，金剛石的釬焊工藝，一般是在真空或保護氣氛中進行的，但不同的釬焊氣氛對金剛石的釬焊形貌、中間碳化物生成情況、金剛石石墨化及磨粒破損形式等的影響不同。

8 金剛石工具釬焊的發展趨勢

金剛石工具的釬焊己經形成一門專業化的工種，行業發展百花齊放，能形成共識的發展趨勢有以下五點：自動化、綠色化、工藝復合化、優質化、經濟化。

自動化和綠色化是中國制造2025年的基本理念和重要工程，金剛石工具行業的人力成本日趨高漲，甚至危及到行業的發展，自動化釬焊是行業共同需求，但凡是有較大批量的產品也無不向自動化釬焊發展。

綠色化發展的內涵包括了減少排放、節省材料、提高能效和降低能耗，金剛石工具釬焊在減材、節能方面發展迅速，但采用無鎘材釬料、藥芯釬料和減少釬劑用量方面發展緩慢。金剛石工具(如鉆頭、截齒、鋸片、刀具等)屬于耗散性產品，其中釬料會隨工具的正常工作而損耗，釬料中的鉛、鎘等元素會散落到空氣、土壤和水中，污染環境，部分被攝入人體，損害身體健康。

復合釬焊工藝包括：火焰釬爐、爐中釬焊、感應釬焊等多種釬焊方法，可實現復雜、大尺寸工具快速全置釬焊，縮短釬焊時間，提高工具耐用度和可靠性、延長工具使用壽命。

優質化要求釬焊接頭具有更長的疲勞壽命，而釬縫中的缺欠是影響疲勞壽命的主要因素，因此隨著超硬工具壽命的延長，要求不斷減少釬焊的缺欠，提升釬焊接頭的質量。在釬焊材料與工藝適當的情況下，釬料潔凈度是影響缺欠的重要因素。

經濟性是制造業的永遠需求，銀基釬料、銅基釬料、復合和預制釬料是節省釬料成本的主要方向;高效釬焊工藝和高可靠釬焊技術是降低釬焊成本的另一條重途徑[21]。