采用预合金技术实现金刚石的钎焊连接

HEATS

　　从1954年人造金刚石诞生起始，金刚石工具的应用日益广泛，其中，石材加工行业的金刚石锯片是耗用金刚石的最大领域，其耗用量约占全国人造金刚石总产量的90%。据国内外统计资料估计，目前世界上工业金刚石70%左右用于制造石材加工工具，其中占绝大多数的是金刚石圆锯片。

5 {& X5 C: T* }( d " o: c/ x; H# t+ |- d

　　

/ c1 l" A3 X D5 S / n0 ^" N+ Z0 Y& ]! @$ ?

　　在金刚石圆锯片的使用过程中，金刚石的利用率比较低，这是因为刀头中的金刚石并非磨损失效，而是以脱落形式大量流失。传统的金刚石刀头制造是靠胎体对金刚石的把持作用固定金刚石，当胎体磨损到金刚石被过多暴露时，金刚石会自行脱落。

　　

G" G4 o- J( ^/ i: U, N1 ]

　　提高胎体与金刚石的结合力是避免金刚石早期脱落最有效的技术措施。遗憾的是金刚石与胎体是很难连接的，目前比较有效的技术措施是在金刚石表面镀上钛、镍等金属，以便实现金刚石与胎体的有效结合。

8 T7 Y j0 f# ?/ \/ `

　　

; V' k6 r0 |* x ^7 l " I0 C& R f- u: E+ A5 y0 a# w

　　传统的胎体粉是由纯金属或者简单合金构成，这些金属要么对金刚石不润湿、要么在烧结温度下对金刚石没有润湿性。研究中，在传统的铜合金中添加铬、钛、钒、锆、镍、锰等金属形成预合金，制成粉末的预合金含有对金刚石润湿的活性元素，在金刚石到头烧结过程中，活性元素与金刚石相互扩散，实现了胎体与金刚石的钎焊连接。

* i P/ J4 Y, v

　　

3 b: Z" P7 j5 |$ E

　　预合金粉末一方面可以提高合金对金刚石的浸润性，增加金刚石的出刃高度，提高金刚石的利用率；另一方面，粉状钎料比机械混合粉末的化学成分稳定，克服了机械混合粉末的比重偏析、低熔点金属先熔与富集、易氧化及易挥发，低熔点易挥发金属在烧结过程中被烧损等影响胎体性能的因素，保证了金刚石刀头的稳定性和一致性。

% G: ?4 R( ?3 W" s

　　

　　1骨架和粘结剂对金刚石的把持作用

4 f' j) O/ i: F1 R

　　

~6 g, j# k2 ?$ X9 G7 d

　　人造金刚石刀头的胎体一般由骨架成分和粘结剂两组分构成，一般选取高熔点、高耐磨、高强度的金属做骨架材料，选用一组低熔点金属用作粘结剂。

　　

! }4 _/ \$ q! p! K( l4 j: E ! _: p, Y& K1 Q5 A3 Y* Z

　　在结合剂的选用上，由于常用的低熔点金属(锡、锌等)强度低、易氧化、易富集，它的性能不够理想，银、铜等金属可以克服上述缺点，但是较高的熔点或价格限制了它们的使用。

; ^. s$ L$ H" t* Q- N4 m4 T4 g # I7 X4 H# p2 X* O

　　

& L. `# J2 u# {! k % C, {& V% B F

　　在机械混合粉末烧结的胎体中，存在于刀头中的金刚石是靠机械包镶和把持作用与胎体连接在一起的，金刚石与胎体的连接主要是机械连接。

　　

# R/ z" l( n2 `2 L; c ~

　　烧结后的金属结合剂胎体已具有一定的致密度和相当高的强度、硬度、韧性，对包裹在其中的金刚石也具有较牢固的机械镶嵌作用。

" [: F7 g, y4 T( G4 d3 h

　　

4 T1 w& H* } \2 N 8 ]7 B1 i: i; s$ p$ @1 O' E- y: B

　　结合剂应具备两个基本功能：一是将耐磨材料连接成网格骨架把持金刚石；二是能随着金刚石的磨耗而磨耗，使金刚石正常出刃。另外，结合剂除了具备一定的硬度、韧性和耐磨性之外，如果对金刚石有一定的浸润性将极大的提高金刚石的出刃高度，从而改善金刚石工具的使用性能。

8 F2 g4 ^9 y+ ], Q- E: _ 5 |; L( z, ^, v" h; _* `

　　

　　性能良好的结合剂，就是在金刚石、胎体材料、气孔率、制造、使用诸条件确定的情况下，能形成足够稳定的胎体；使用时胎体能与金刚石较好地保持同步磨损或略超前磨损，让金刚石充分发挥作用的同时合理地磨损、脱落。

) P# B3 d$ P' s; x$ A, o# n+ F

　　

# y! J4 B& \) C5 y

　　2活性元素对金刚石的扩散钎焊

/ `) R# T; ^! \& `1 Q: S9 z

　　

; w8 D$ N/ y$ f V

　　由于胎体的软化、弱化作用，单纯的机械把持作用不能避免金刚石的早期脱落，寻求金刚石与胎体材料的冶金结合途径一直是金刚石工具行业追求的目标。

- W) U7 M; \7 Q

　　

* p M$ a0 [) [ # Y5 ^4 W! N k S7 J. u( n

　　采用金刚石表面镀覆活性元素是一种可行的技术方案。活性元素指的是强碳化物形成元素和过渡族元素，这些元素能与金刚石发生界面反应生成化合物，使得金刚石表面覆盖一层易于与胎体金属结合的金属，这层金属可以很好的与胎体金属钎焊在一起。

" o: C( M2 o; }. O4 T6 o1 e

　　

! h3 }- l+ U+ a# F, F+ Q( f + T4 D( T4 L; C' L' s, s

　　常用的活性元素有钛(Ti)、铬(Cr)、钨(W)等元素；钼(Mo)、钒(V)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)等虽然也可以发生碳化作用，但因价格高而不被应用；另外一些元素钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、硅(Si)、铝(Al)在特定条件也可以形成碳化物，能形成的碳化物分别为：Co2C、Ni3C、Mn3C、SiC、Al4C3等。

& U( t$ s2 ~, {- N. C b0 z

　　

; n: H7 I! x5 ?. z5 D+ w

　　目前，行业应用中以镀钛、镀镍最为普遍。

( U7 t* }% Q- O/ ?- u# v6 k8 q, b ; }9 ?% Z+ ]& `# o9 C, F: B4 @+ m

　　

　　表面镀覆活性元素可以部分解决冶金结合问题，但不能解决胎体本身烧结中的低熔点金属挥发、富集，高熔点金属分离问题，根据钎焊原理提出的粉状形式的预合金粉末结合剂从两个方面解决这一难题。

5 g$ i4 F+ A4 v# v) ]8 U' f

　　

7 [" ^9 o- ~, {) ^0 D

　　3粉状钎料形式的预合金粉末

1 q2 R4 [5 N9 H, p3 a2 J0 q $ H, C" y1 I" \' M* v4 E( E

　　

& @+ ?* z8 @& t/ Y! r+ T4 w; E

　　对于不同基的结合剂，其添加成分也不相同。在胎体成分中常选用高熔点的金属如钨、碳化钨等以调节胎体的硬度和耐磨性，同时选用对金刚石有很好化学浸润性的金属如钴、镍、锰、钛、铬、钒等金属作为金刚石的粘结材料，但是对金刚石有润湿性的金属的润湿温度太高，不符合金刚石工具热压烧结的工艺条件，将这类金属与铜熔合形成低熔点铜基合金是理想的技术途径。预合金粉末技术就是基于这种原理。

6 ^# l: ^2 V# s, O, \ 5 Q0 O' ^1 _7 ?; }& d

　　

! V+ h( [! p0 T) p! h $ [3 m: Z/ [- o- w- L' P4 R# k

　　根据实验结果分析得到以下结论：Cr、Ti、V的二元铜合金对金刚石的润湿和扩散连接性与合金含量、扩散气氛、扩散时间和作用温度密切相关。

/ S; O; U2 S! r% { x. }

　　

! [% |8 I6 l, R" d / {# ?+ ?6 e% C: t9 Q# t

　　当铜铬合金中的铬含量大于0.01at.%时，开始对金刚石有浸润现象。当合金中Cr含量为0.5at.%时润湿角接近450。当Cu-Cr合金中的Cr含量在0.1at.%时，粘结强度最高。

: K2 ?6 p% j3 d B: a( P" _

　　

1 Z, j& e7 ^- K2 z, x

　　当铜钛合金中的钛含量在5at.%以下几乎对金刚石没有任何作用，只有当Ti含量大于5at.%时，润湿角才有明显下降，当Ti含量达10at.%时，接触角可降低到200以下。

u/ A2 X0 p3 [2 ^0 D, D+ W , r( m& N8 g) N' r# h

　　

0 C, B+ D/ D2 |3 I7 H

　　当铜钒合金中V含量达到0.01at.%时，合金对金刚石的粘结强度出现峰值高达65kg/mm2，再提高V含量，粘结强度下降，当V含量增加到10at.%时，粘结强度下降至15kg/mm2。

　　

* D: z3 P! S' o * M# }& `# U7 _2 ?, ?+ `* l% [* M

　　综上所述，Cr、Ti、V元素在铜合金中的浓度对粘结强度影响有共同之处，即在某一浓度，粘结强度出现峰值。

" \) y0 a( T# R+ n. O

　　

5 p+ D1 i; u7 ]6 H x : h8 ~+ n' _7 T9 V Z) J9 s# ~+ J

　　4预合金粉末的应用特点

　　

0 r) a' c( r/ ]! Z, r0 C

　　采用预合金粉末作为金刚石工具胎体的粘结剂主要有以下优点。

　　

& i6 Y/ j. B7 M4 F l

　　使用预合金粉末作为金刚石工具胎体的粘结剂，易于调整胎体性能，使之更适宜于加工对象，同时由于预合金是预先熔炼成合金，然后才制成粉末的，所以每颗粉末中都包含了组成合金的各种金属元素，这就比机械混合多种单一金属粉末要均匀得多。

　　

　　预合金粉的熔化温度可以调整到烧结需要的温度，在烧结成金刚石刀头过程中，只要温度升到预合金粉末的熔化温度，整个粘结成分的粉末就熔化，而不会出现无法兼顾粘结剂中不同组分熔化温度差距大难以制订合理烧结温度的难题。

. w5 H* s5 |- S

　　

; k7 P# P( k) G1 m8 K3 w/ f 5 l( x8 P1 B( P6 b1 d4 o

　　采用预合金粉末制造的金刚石工具，可以提高胎体对金刚石的包镶把持力，从而提高出刃高度；由于合金对金刚石的扩散作用使得金刚石的抗冲击性能增加。从以上两方面提高了金刚石的利用率。

/ E4 t3 l5 ]' p0 _+ y

　　

　　预合金粉末中不含易挥发易氧化单质元素，采用预合金粉末制造的金刚石工具，提高了胎体的致密性和均匀性，从而改善了胎体的磨损状态。

8 I* t. ^. \; p- Y* o+ V

　　

1 M2 S7 y, E# X2 ?- l& g

　　能根据工作对象性能的差异有针对性的选用不同性质的预合金粉末，简化了胎体配料工作。

( `2 U6 r9 [, } x% b / s5 ?6 \: i) U/ p J S( B( U+ {

　　

! G0 T" B" u ~' ]- h

　　刀头烧结温度的高低主要取决于粘结金属中高熔点金属(铜等)熔点的高低，预合金粉末的熔化温度较低，热压温度低，能避免烧结高温对金刚石造成的热损伤。

: R- W" z$ L; Q! A; D% c 9 Q2 Q. `8 a( x( f( r

　　

/ z' O# V3 T" Z

　　预合金粉末熔化区间窄，在一定烧结温度下既可以润湿金刚石，而在压力作用下又具有触变流动行为。

. {) }; a( Q0 c( N. x, @/ L

　　

　　在热压过程中，预合金粉末与骨架成分反应，能够扩散钎焊胎体，有利于增强胎体机械性能，并且不会形成低熔脆性相。

3 o" ?1 [- I% `

　　

1 \2 G0 D# F. C3 M f ( U* V6 Z# q* w! q9 p8 ?9 |2 a" Y

　　在金刚石工具正常的工作温度下，预合金粉末不会重熔或形变，保证了粘结层能承受胎体中硬质颗粒(骨架成分和金刚石)传给它的应力而不产生变形或松动。

: V4 e ]* v, b6 d( {

　　

$ [- F; @3 _" n( k' V" V5 p& f

　　5结论

　　

5 n3 M# {$ Q! Y

　　(1)在预合金粉末中添加少量强碳化物形成元素，如Cr、Ti、W、Mo等，金刚石与胎体在烧结过程中可以在金属界面上形成碳化物，实现对金刚石与胎体的扩散连接。

0 w0 T T5 \! j; u! n) Q% e7 ], y

　　

　　(2)在预合金的作用下，胎体骨架材料的机械性能得到提高，有利于胎体对金刚石把持力的加强与提高。

. T4 Y) x! Q9 x6 g1 p4 \

　　

; F; {! t S& S3 G

　　(3)用预合金化粉末，可防止低熔点金属过早流失与偏析，有利于提高烧结制品的弹性极限和屈服强度，增加对金刚石的把持力，还可降低烧结温度与保温时间。

　　

+ Q0 b n& E' b2 q; {* p# c5 e

　　(4)采用粉状钎料作为预合金粉末实现对金刚石的扩散钎焊连接是提高金刚石与胎体结合力的有效途径。【MechNet】

! h& R! \8 E4 [+ \. E% _' N