釬焊微粉金剛石磨頭的性能研究

關鍵詞 釬焊；微粉金剛石；磨粒損傷；界面分析中圖分類號 TG74;TQ164 文獻標志碼 A文章編號 1006-852X（2025）04-0479-07DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0025收稿日期 2024-01-30修回日期2024-05-02

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陶瓷材料具備高強度、高硬度、高韌性、低膨脹系數等特點，這使其在特定領域中能夠取代金屬成為首選制造材料[13]。金剛石顆粒擁有優異的力學性能，在陶瓷等硬脆材料加工領域有著廣泛應用4。在金剛石工具的制備方法中，釬焊技術可實現金剛石-合金釬料-基體金屬三者的高強度連接，因而相較于傳統燒結、電鍍金剛石工具，釬焊金剛石工具通常擁有較長的使用壽命[5]。

國內外對于釬焊金剛石工具的研究主要集中在粗粒度金剛石磨粒（20/100#），但粗粒度金剛石工具并不適用于陶瓷精加工領域[。相比于粗粒度金剛石，粒徑較小的微粉金剛石擁有更為鋒利的切削刃，在陶瓷零件加工過程中可獲得更高的磨削精度，且零件表面微裂紋及損傷較小[。因此為實現陶瓷材料的高精高效加工，采用釬焊微粉金剛石工具是很有必要的。

然而微粉金剛石粒徑小、釬料層薄，釬焊過程中容易出現磨粒損傷嚴重、釬料與基體金屬結合不牢的問題。為制備優良的釬焊微粉金剛石工具，學者們做了大量研究[8-10]。在微粉金剛石表面鍍鈦從而減少磨粒熱損傷是一種可行的方法，采用非晶釬料來提高釬焊工具的性能也被證實是可行的方案。然而，上述研究僅以制備工具的加工效果為依據，并未從微觀界面分析微粉金剛石工具的釬焊效果。為此，采用合適的方法在鋼基體上釬焊微粉金剛石，從微觀層面分析釬焊樣件結合界面，并制備磨頭進行加工性能試驗。

1試驗

使用200/300#BNi-2合金釬料（釬料成分見表1）在鋼基體上釬焊325/400#微粉金剛石，真空釬焊爐內的真空度高于 8.5×10^-4Pa 。考慮到微粉金剛石粒徑較小，將最高釬焊溫度適當降低 10～15^°C ，保溫一段時間后進行降溫處理。釬焊樣件的示意圖見圖1。

使用掃描電子顯微鏡（SEM，Regulus8220）觀察釬焊樣件的表面形貌；使用王水腐蝕釬焊樣件，得到金剛石磨粒及其表面生成物，并在SEM下觀察磨粒及生成物形貌；使用X射線衍射儀（XRD，Bruker，D8）對金剛石表面化合物的物相進行分析；采用SEM背散射電子（BSE）成像模式觀察釬焊樣件橫截面結構；利用能譜儀（EDS）測定釬焊樣件結合界面元素成分，研究釬料與鋼基體的界面結構及結合機理。

為驗證釬焊微粉金剛石工具加工陶瓷的可行性，制備釬焊微粉金剛石磨頭，并在JDHGT型雕刻機上對氧化鋁陶瓷板進行加工，與電鍍磨頭進行對比。該雕刻機具有穩定微米級加工能力，可達到 0.1μm 進給、 1μm

切削和納米級的表面效果。

2 結果與討論

2.1釬焊樣件形貌分析

圖2展示了釬焊樣件的形貌。從圖2a整體形貌可以看出，微粉金剛石磨粒分布均勻，沒有團聚、堆疊現象，磨粒整體出露高度較為合理，釬料熔化充分，在金剛石周邊出現了爬升現象，展現出了良好的潤濕性。從釬料層中出露的金剛石（圖2b）保持了原始形態，其棱角分明，表面未出現孔洞、裂紋等缺陷。圖2c為王水腐蝕后的單顆金剛石整體形貌，可以看出微粉金剛石釬焊后晶型完整，表面沒有明顯損傷。金剛石磨粒表面生成物形貌如圖2d所示，磨粒表面板條狀生成物尺寸、厚度合理，表明釬料與微粉金剛石反應程度適中，磨粒整體受到的損傷較小，釬焊過程中不會被過度消耗。

利用XRD對王水腐蝕后的金剛石磨粒進行物相分析，圖3為金剛石磨粒XRD圖譜。可以看出除了金剛石的特征峰外，衍射譜中僅有 Cr₃C₂ 衍射峰，表明沒有生成其他化合物。

對金剛石表面生成物進行EDS點掃描分析得到Cr、C元素的質量比（圖4），結合XRD圖譜及圖2d中金剛石表面生成物形貌，可以得出釬焊樣件中微粉金剛石表面僅生成了板條狀化合物 Cr₃C₂ 。 Cr₃C₂ 化合物層在金剛石與釬料層間起到結合橋的作用，提高了

圖2釬焊樣件形貌

Fig.2Morphologyofbrazingsample

釬焊樣件的結合強度。

2.2釬焊樣件界面分析

圖5為釬焊樣件橫截面形貌，可以看出釬料層平均厚度為 40μm 左右，遠小于粗粒度金剛石釬焊時的釬料層厚度。釬焊樣件內部沒有明顯的結構缺陷，釬料層致密均勻，說明釬料在鋼基體上具有良好的鋪展性和潤濕性。金剛石磨粒出露高度合理，釬焊過程中熔化的釬料在鋼基體表面鋪展并沿金剛石表面爬升，形成的山丘狀輪廓有利于提高釬料對金剛石的把持強度。

圖3釬焊金剛石磨粒XRD圖

Fig.3XRD patterns ofbrazed diamond grains

圖4表面生成物掃描結果

Fig.4Scanning results of surface generates

圖5釬焊樣件橫截面形貌

Fig.5Cross-sectional morphology ofbrazing sample

對釬焊樣件橫截面進行EDS面掃描分析，檢測結果見圖6。從圖6中可以觀察到，鋼基體、釬料中的各元素在釬焊過程中相互擴散。Ni元素作為釬料的主要組成元素，在除Cr元素富集區域外的整個釬料層均勻分布； c_r 元素在金剛石附近富集，結合Cr元素對金剛石偏析的傾向，可判斷金剛石周圍為釬料中的Cr元素偏析后與C元素通過界面反應而形成的 Cr₃C₂ 層；Ni、Si元素在靠近 Cr₃C₂ 層的釬縫區域聚集，該區域與連續的 Cr₃C₂ 界面層的分布位置無重疊，加之Fe元素在該區域均勻分布、無偏析行為，因而可判斷金剛石與釬料的結合區域由連續的界面 Cr₃C₂ 層和富 Ni_? Si元素的釬縫組織構成。

圖6釬焊樣件面掃描元素分布

Fig.6Plane-scanningelementdistributionofbrazingsample

釬料與鋼基體結合區域的微觀組織形貌見圖7。由圖7可以觀察到，鋼基體（左側）與釬料層（右側）形成了明顯的結合界面，且鋼基體、結合界面區域均存在片狀化合物。為探究結合區域化合物的成分、了解結合界面生成物的元素組成及結合區域的元素擴散傾向，利用EDS對結合區域進行點掃描分析。

EDS點掃描位置如圖7所示，結果見表2。從各點元素含量的變化趨勢可以看出，C元素分布均勻，不隨選取點位置變化而變化；Si元素含量在靠近釬料層的過程中逐漸提高，而Fe元素含量逐漸下降，這是由于鋼基體中Si元素質量分數 lt;1% ，而釬料中Si質量分數為 4%～5%;A，C，D 等3點均處于片狀化合物區域，對比 B 點的 Cr 元素含量可以發現，片狀化合物區域的 c_r 元素含量遠高于其他位置，因此可以推斷鋼基體本身的Cr元素是大量片狀化合物出現的原因；鋼基體中c_r 元素含量高于釬料，因此除片狀化合物所在區域外，越接近釬料層， Cr 元素含量越低，Ni元素含量越高。

圖7釬焊樣件點掃描位置示意圖Fig.7Point-scanningposition schematic ofbrazing sample

表2釬焊樣件點掃描結果Tab.2 Point-scanningresults of brazingsample

按照圖8所示垂直于結合界面的黃色箭頭方向進行線掃描分析，掃描結果見圖9?？梢钥闯?，釬料層與鋼基體結合界面寬度約為 8μm 。結合界面以Fe、 cr Ni元素為主，C、Si元素含量較少。各元素的整體變化趨勢與點掃描分析結果一致。

圖8釬焊樣件線掃描方向示意圖

Fig.8Line-scanning direction schematic of brazing sample

圖9釬焊樣件線掃描結果Fig.9Line-scanning resultsof brazing sample

根據相關文獻[11分析，當元素濃度達到一定的平衡狀態時，釬料與鋼基體可能形成如表3所示的化合物類型。在釬焊環境中，Ni、Fe元素都是面心立方（FCC）結構，2種元素在原子半徑、晶格常數等方面極為接近，因此Fe與Ni具有相似的原子特性，使得二者可以相互溶解從而形成固溶體。釬料與鋼基體在結合界面形成的 γ -Fe基Ni-Fe置換固溶體（非片狀化合物區域）具備較高的硬度、抗拉強度及較強的抗沖擊能力。

表3釬料與鋼基體形成的化合物[11]

Tab.3 Products between substrate and material1]

C、 D 等2點位于釬料層與鋼基體結合界面的片狀化合物區域，對比 C，D 點的元素含量可以發現，鋼基體中 Cr 元素在釬焊過程中向釬料層偏析，在結合界面富集并與Fe形成連續固溶體。 cr 與Fe在結構上具有相似性，在不同的溫度和濃度條件下可反應形成不同類型的固溶體。在溫度較低的環境中， Cr 可溶解于Fe的結構中，形成 α_a 相（鐵素體）固溶體；而當環境溫度升高至一定值時，Fe會由體心立方（BCC）結構轉變為面FCC結構，此時Cr溶解在Fe的FCC結構中形成γ 相固溶體（片狀化合物區域），該固溶體具有較好的塑性和韌性。

釬焊樣件中鋼基體與釬料層結合界面的生成物主要包括2種成分：Cr與Fe形成的 γ 相固溶體（片狀化合物區域）、Fe與Ni形成的Ni-Fe置換固溶體（其余區域）。固溶體的存在保證了釬料層與鋼基體兩者間的牢固結合[12]。

2.3 加工試驗

在所用釬料種類、粒度相同的情況下，使用同品級、同粒度的微粉金剛石（325/400#）制備釬焊磨頭及電鍍磨頭。2類磨頭各3支，磨頭外徑均為 0.9mm 在圖10a所示的雕刻機加工平臺上加工氧化鋁陶瓷板（圖10c）。

圖10試驗條件Fig.10 Test condition

試驗過程中雕刻機加工參數見表4，其中磨頭工作行程為 65mm ，設備轉速為 28000r/min 。加工時以每50個來回為一組，記錄各支磨頭失效時的總加工組數。

表4設備加工參數

Tab.4Equipment processing parameters

圖11為電鍍、釬焊磨頭的使用壽命對比圖?？梢钥闯?支電鍍微粉金剛石磨頭的使用壽命分別為10、16、12組，而3支釬焊微粉金剛石磨頭在加工50組后磨粒仍可正常使用，使用壽命是電鍍磨頭的3倍以上。

圖11磨頭使用壽命

Fig.11 Service life of grinding head

圖12展示了加工后電鍍、釬焊磨頭的表面形貌。對比2類磨頭的整體形貌（圖12a、圖12b）可以看出：電鍍磨頭前端金剛石幾乎全部脫落，已經無法繼續進行有效加工；而加工50組后的釬焊磨頭前端金剛石脫落較少，且沒有出現釬料層從鋼基體上剝落的現象，磨頭仍可繼續對工件進行加工。圖12c展示了加工后電鍍磨頭的端部形貌，可以看出磨頭端部金剛石全部脫落，端部基體（圓角處）已被磨平。相比之下，進行50組加工后的釬焊磨頭（圖12d）的端部金剛石完好，圓角處的金剛石磨粒較為完整，磨頭基體沒有發生明顯變形。

2類磨頭的使用壽命及端部形貌結果表明：釬焊工藝下制備的微粉金剛石磨頭在加工陶瓷板時具備更長的使用壽命，釬料與鋼基體結合牢固，磨粒損傷較小。

3結論

根據釬焊樣件分析和試驗結果，可以得出以下結論：

（1）釬焊樣件中，微粉金剛石磨粒出露高度合理，無堆積、團聚現象。釬焊過程中金剛石不會被過度消耗，磨粒表面生成了板條狀 Cr₃C₂ 層。

（2）界面微觀結構分析表明，釬料與基體金屬間發生了充分的元素擴散，鋼基體與釬料結合界面生成物為 cr， Fe形成的 γ 相固溶體及Fe、Ni形成的Ni-Fe置換固溶體，固溶體保證了釬料與基體金屬間的牢固結合。

（3）釬焊微粉金剛石磨頭的使用壽命是電鍍磨頭的3倍以上，且釬焊磨頭磨粒破碎、脫落的情況較少，沒有出現釬料層剝落的現象，證明了釬焊微粉金剛石效果較好，使用釬焊微粉金剛石工具加工陶瓷的方法可行。

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作者簡介

通信作者：肖冰，男，教授、博士生導師。主要研究方向：新型超硬工具制造技術，高效精密加工技術。

E-mail： meebxiao@nuaa.edu.cn

（編輯：趙興昊）

Study on performance of brazed micronized diamond grinding head

LI Wei1， XIAO Bing'， HE Xu'， ZHANG Zili1， ZHOU Lulu1， XIAO Haozhong2 （1. College ofMechanical amp; Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 21o016， China ） （2. School ofMechanical and Power Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 21oo16，China）

AbstractObjectives： The use of brazing micro-powder diamond tools can achieve high-precision and eficient procesing ofceramic materials. However，there are currently problems such as thin brazing layers，large abrasive damage during brazing，and poorbonding betweenthe brazing material andthebase metal. Currnt research has notben able to analyze the brazing effect from the micro-interface.Methods： Brazing samples are prepared，and the surface morphologyand the morphology of diamond abrasive particles and surface products are observed with a scanning electron microscope （SEM）.The phases of the compoundson diamond areanalyzed with an X-ray diffractometer.The cross-sectional structure of the brazing samples are observed with the backscatered electron imaging mode of SEM.The elemental composition of the bonding interface of the brazing samples is analyzed with an energy dispersive spectrometer （EDS）. A grinding head is prepared to machine an alumina ceramic plate on a JDHGT type engraving machine，and it is compared with an electroplated grinding head.Results：The exposure height of the micro-diamond abrasive is reasonable with no accumulation. The diamond is not over-consumed， and a plate-like Cr₃C₂ is generated on the diamond surface.There is sufficient elemental diffusion between thebrazing alloyand the base metal.Productsat the interface between the steel substrate and the brazing alloy are a γ -phase solid solution formed by Cr and Fe，and a Ni-Fe substitutional solid solution byFeandNi，which ensures afirmcombination between the brazing allyandthe base metal. Conclusions： The life of the brazed micro-diamond head is three times longer than that ofthe electroplated grinding head.The situationof abrasive particle breakage and shedding in the brazed grinding head isless，and there is no phenomenonof brazing alloylayer peling.This proves that the brazing effct of micro-diamond is beter，and the method of processing ceramics with brazed micro-diamond tools is feasible.

Key wordsbrazing;micronized diamond; abrasive grain damage; interfacial analysis