金刚石厚膜焊接刀具制造及钎料选择

魔神

    

　　本文针对金刚石膜(CVD)在切削刀具中的应用，讨论了金刚石膜焊接复合刀具对刀体材料要求和制造方法。根据金刚石良合刀具制造工艺及使用要求，对真空自活性钎焊所用钎料的化学成分的选择进行了分析，提出了确定活性针料化学成分的原则及常用针料的化学成分。

　　0.前言

　　金刚石膜具有硬度高、耐磨损，摩擦系数小，导热性好等特点，是制造切削有色金属和非金属材料刀具的理想材料。人造金刚石膜的刀具分为两种类型：金刚石膜涂层刀具，金刚石膜焊接刀具。粘结力较弱是金刚石涂层刀具最突出的问题。粘结力较弱的原因有两个：一是化学气相沉积(CVD)附口过程中，产生很大的热应力；二是基体材料存在着许多降低接头强度的因素。近年来，利用生长基体金属同金刚石膜的热膨胀系数相差较大粘附强度低，在基体上沉积金刚石膜，随着基体的冷却，金刚石膜自动脱落，得到独立的金刚石厚膜。文献采用等离子体时流CVD法在Mo基体上沉积金刚石膜，获得独立的金刚石厚膜(0.3-1.3mm)。利用这种膜与刀体材料焊接帘(备切削刀具兼有单晶金刚石刀具和金刚石薄膜涂层刀具的优点，是一种应用前景极为广阔的新型刀具。

　　1.金刚石厚膜焊接刀具的制造方法

　　1-1金刚石厚膜的成型

　　由于金刚石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不导电。所以常见的机械切削、线切割、超声波加工等工艺方法均不适用于金刚石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸，还能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般金刚石车刀的前角以0°为标准，根据需要可在+5°的范围内选取。在强调车刀的耐磨性和尖刀强度的情况下。也可以采用负前角(-20°左右)。负后角一般以5°为标准，根据使用条件可在2.5~10°范围内选取。由前刀面和后刀面构成的锲角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

　　1-2刀体材料的性能和焊接

　　作为刀体材料尽管在切削加工中不与被切削体直接接触，但由于基体要对金刚石膜起支撑作用，因此要求其具有较高的刚性，热膨胀系数与金刚石膜相近以及良好的焊接性等。目前常用刀具材料有硬质合金(YG3、YG6、YG8等)、陶瓷(Si3N4、A12O3等)、CBN、高速钢等，硬质合金是最有发展前途且目前研究最多的刀体材料。硬质合金是理想的基本材料，它的硬度高，又因其为烧结体，红硬性更好，室温下硬度一般在HRA83~93之间；500℃以下硬度保持不变。抗压强度最高可达到6000MPa，一般为3400~5600MPa；室温抗弯强度在750~2500MPa之间，弹性模量高，通常为(4~7)×105MPa；室温下刚性较好，无明显塑变，对金刚石膜可起很好的刚性支撑作用。

　　金刚石厚膜与刀体材料的连接主要有方法两种：金刚石表面金属化钎焊法和活性钎料焊法。前者是利用表面处理技术(如离子束溅射等)，在金刚石表面镀覆金属(如Ti、Cr等)，使其表面具有金属或类金属的性能。金属化的金刚石膜表面对Ag-Cu基针料具有良好的可焊性，可采用金属间针焊工艺焊接。这种方法需进行金刚石膜表面金属化处理，增加了制备难度。活性钎料焊接法则是在针料中加入适量的能与金刚石膜表面碳原子反应生成碳化物的元素，利用针焊过程中碳化物形成元素对金刚石膜待焊表面的活化作用，使针料润湿金刚石膜实现其钎焊过程。

　　1-3刀体与基体金属的连接

　　将得到的金刚石厚膜硬质合金复合刀片连接到基体金属上，其连接方法大致有以下几种：⑴钎焊⑵机械加固⑶树脂粘接剂连接⑷热装压入。其中，钎焊的办法使用最多。钎焊金刚石厚膜/硬质合金复合刀片使用的钎料就强度来说，一般使用铜基针料、银基针料等。但考虑到防止氧化的焊接裂纹以减少金刚石向石墨转化的趋势，尽可能的使用低熔点的钎料为好，主要是使用硬质合金针焊专用的银基针料。为了更好地保护金刚石不向石墨转化，最好也是在真空或惰性气氛条件下针焊。

　　1-4金刚石厚膜刀具的刃磨

　　金刚石厚膜刀具的刃磨方法主要有机械磨削(包括金刚石砂轮磨削和金刚石粉研磨)。热金属盘研膳，激光束、离子束加工和等离子体刻蚀等。用金刚石粉研磨效率低，金刚石砂轮磨削效率高，并可采用不同粒度的砂轮进行粗加工，是金刚石厚膜刀具获得较好的表面光洁度。热金属盘研磨是在高温条件下，利用铁族元素与金刚石反应使金刚石石墨化的原理除去金刚石。用此种方法研磨表面粗糙度可达镜面水平。用激光对厚膜表面进行光整加工，加工效率很高但加工表面质量不高，只适合于粗加工和半精加工。

　　2、活性钎料成分选择

　　活性钎料钎焊法钎焊金刚石与硬质合金所用的活性钎料，除要考虑钎料对金刚石膜与硬质合金的润湿条件，还必须考虑接头应力和真空加热条件下钎料成分的状态对钎焊过程的影响。

　　2-1钎料中的基本成分

　　金刚石膜和硬质合金都是高硬度高钢性的材料，两种材料的线膨胀系数也有一定的差别，两者钎焊界面会产生很大的内应力，可能造成金刚石膜开裂和连接界面分离。因此钎料的成分必须在保证强度的条件下，应具有一定的变形能力。Ag-Cu合金不但有较好的强度及对硬质合金能很好的湿润，同时Ag-Cu面心立方的晶格结构使其固浴体合金具有很好的塑性。所以，Ag-Cu合金是金刚石膜与硬质合金钎焊首选的基体成分。

　　2-2钎料中的活性成分

　　金刚石膜与一般金属及其合金之间有很高的界面能，致使金刚石膜不能被一般低溶点合金所浸润，润湿性较差。因此必须在钎料中加入一些强碳化物形成元素作为活性金属，以改善金刚石膜与硬质合金之间的润湿性。但添加强碳化物形成元素也存在一定的局限性，一方面加入过多的碳化物形成元素就有可能使金刚石膜与钎料间形成过厚的脆性化合物层，影响结合性能。另一方面为了控制钎料的熔点必须对钎料中的强碳化物形成元素友谊顶的要求，如Ti、Cr、Zr、V、B、Mo、W等，这些元素的溶点分别为：1672℃、1863℃、1865℃、1929℃、2300℃、2623℃、3387℃。相比较而言，Ti、Cr、Zr、V更适合一些。这些元素少量的加入Ag-Cu基钎料中，一般钎焊温度可控制在850℃左右，工艺性能较好。.

　　另外，在钎料中胸口少量的IN、SN等低熔点金属能有效地降低钎料的熔点，但过多则会产生脆化性化合物。同时金刚石膜与刀体材料的焊接是在真空状态下进行的，钎料中应避免含有MN、ZN等蒸汽压较高的易发挥元素。

　　上面分别从钎料的熔点、润湿性、蒸汽压、热膨胀，焊后是否生成脆性化合物等方面考虑了钎料中元素的选择。对活性钎料成分的选择需要综合考虑，钎焊金刚石厚膜所添加的强碳化物形成元素多种多样。目前国内外尚未见到商品金刚石焊料，一般由应用单位自行配制。有下列一些，Cu-10%Ti，Cu-15%Sn-3%Ti，Ag-15%Ti，Cu-30%Ag-5%Ti，Cu-15%Sn-2%Cr，Cu-1%V，Cu-Au，Ag-30%Cu-4%Ti，Ag-26.5%Cu-3%Ti等钎料成分可供选择。

　　3.结论

　　1.金刚石厚膜与硬质合金片之间采用钎焊的方法能有效地解决粘结力较弱的问题。2.金刚石厚膜与硬质合金片的钎焊中，采用自反应活性针料进行针焊，工艺方法简单成本低。3.金刚石厚膜自反应活性钎焊钎料，可在Ag-Cu合金针料中添加适量的Ti，Zr和Cr等碳化物形成元素进行制备。【MechNet】