单晶金刚石与单层金刚石工具的钎焊技术

单晶金刚石的直接钎焊主要应用于砂轮修整笔、测量量具、石材工具、宝石或玻璃雕刻工具的制造。目前，国内使用的单层金刚石工具大部分都是电镀制成的。由于镀层金属与基体和金刚石的结合面上并不存在牢固的冶金结合，金刚石只是被机械包埋镶嵌在镀层金属中，因而把持力不大。在载荷较重的高效磨削作业中，砂轮容易因金刚石脱落或镀层成片剥落而导致整体失效。为增加把持力，就必须增加镀层厚度，其结果是金刚石裸露高度和容屑空间减小，砂轮容易堵塞。钎焊工艺可实现金刚石、钎料和金属基体的冶金结合，具有较高的连接把持强度，金刚石的裸露高度可达50%～80%，因而钎焊砂轮锋利、容屑空间大，不易堵塞，金刚石的利用更加充分。

由于金刚石和多数金属及其合金之间具有很高的界面能，因此大多数钎料合金对金刚石均难以润湿，且金刚石在高温下容易被石墨化和氧化，钎焊温度受金刚石石墨化转变温度的限制，用普通的钎料和钎焊工艺难以实现金刚石与其他材料的连接，所以金刚石钎焊时钎料的选择非常关键。所选的钎料既要保证与金刚石有良好的润湿，能与金刚石发生有效的冶金结合，同时又不能对金刚石有过度浸蚀；此外钎料的耐磨性还要与金刚石、加工材料相匹配，以保证最佳的锋利度与足够的使用寿命。

根据研究发现，Al、Fe和Co在液态时能浸润金刚石，但在能浸润的温度下，它们对金刚石的浸蚀都很严重。至于像Ti、Zr、Cr、V等碳化物形成元素，虽然都能很好地浸润金刚石，但是它们的熔化温度一般大于1600℃，在这个温度下金刚石将会严重石墨化。为了实现钎料对金刚石良好的浸润和减少金刚石的热损伤，目前采用的工艺方法有两种：一种是在低熔点的合金钎料中加入某些活化元素以改善对金刚石的浸润性和亲和力；另一种方法是在金刚石表面镀覆金属，这样在采用高熔点的钎料时能有效地保护金刚石，减少其热损伤。

目前用来钎焊金刚石颗粒的钎料基本上有两种类型：低熔点合金钎料和高熔点合金钎料。低熔点合金钎料有铜基和银基两种，系列有Ag-Cu合金钎料和Cu-Sn合金钎料等；高熔点合金钎料主要有Ni-Cr合金钎料。采用低熔点合金钎料，主要是考虑减少金刚石的热损伤，但是钎料本身的强度低，工具的耐高温磨削性能差，钎焊后的工具难以实现重载荷磨削。用Ni-Cr合金钎料钎焊金刚石，其耐磨削性能和耐高温性能好，其性能优于烧结和电镀产品。Ni-Cr合金对金刚石良好的钎焊性能是由于金刚石与合金之间能形成化学冶金结合。Cu-Sn合金钎料熔点低，可以减少金刚石的热损伤，但是它们的耐高温磨削性能差，钎料本身的强度低，钎焊后的工具难以实现重载荷加工。Cu-Sn合金钎料在高温钎焊条件下，合金内的强碳化物形成元素也可与金刚石形成化学冶金结合。Ag-Cu合金钎料由于其熔点较低，钎焊时对金刚石的热损伤也较小，加入活性元素后对金刚石的浸润性能好，并具有良好的强度、塑性、热导率、电导率和耐各种介质腐蚀性能。

目前，钎焊单晶金刚石工具加热方法有真空炉中钎焊、激光钎焊和气保护高频感应钎焊。

真空炉中钎焊一般采用电阻炉辐射加热，生产效率高，而且加热均匀，可以焊接结构复杂、尺寸较大的基体。但是，电阻辐射加热属于整体钎焊加热，升温速度慢，焊接时间长，金刚石和基体在高温环境下长时间暴露，对金刚石和基体都存在一定的影响。

激光钎焊是利用激光束作为焊接时的热源，激光加热局部受热快，金刚石在高温环境下暴露的时间很短，这就有效地控制了金刚石的石墨化。但是，由于加热时间太短，金刚石-钎料、钎料-基体之间来不及形成连续的过渡层，降低了钎料对金刚石的把持力。(www.xing528.com)

气氛保护高频感应钎焊利用高频感应同时对基体和钎料合金进行加热，加热温度高，加热速度快，温度容易控制，可以局部加热，容易实现自动控制。高频感应加热所需的时间介于激光加热和电阻炉中加热之间，减小了金刚石的热损伤程度。

钎焊单层金刚石工具技术发展至今，已经解决了一些关键性的技术问题，人们对这种工具的优越性有了更充分的认识，产品也开始逐步得到推广应用。接下来的研究工作将更多地集中在技术的应用实施上，而为了实现这一目标，以下两项关键技术应该得到更多的关注：

1）钎料层厚度的实用化控制技术。目前用来钎焊金刚石颗粒的钎料基本上有两种形态，一种是片状，一种是粉末状。对于片状钎料，似乎比较容易控制其厚度的均匀性，但是钎料在熔化时有一定的流动性，在重力的作用下，熔化的钎料向基体较低的地方堆积，形成积瘤，这就给不规则基体形状的工具制造带来困难；粉末状钎料的均匀性控制难度更大，不仅要考虑钎料熔化后的流动性，同时还要考虑焊前如何将粉末状钎料均匀一致地安置在基体上。无论哪种钎料，还有一个必须考虑的因素，就是加热时间对钎料层的影响。

2）实用化的磨料有序排布技术。常规的单层金刚石工具中，金刚石在工具基体上是随机分布的。加工时，金刚石富集的地方由于金刚石浓度高，重复磨损严重，且由于容屑空间减小，工具易于堵塞，降低了切削效率；而金刚石稀少的地方，单颗金刚石承受到工作载荷过大，易于破碎和脱落，也不能有效利用金刚石，降低了磨削效率。研究显示，金刚石颗粒的排布的位置是影响金刚石出刃率和磨损率的一个重要因素。有序排列的金刚石与随机排布的金刚石工具相比，虽然有序排布的金刚石间距大，但是出现团聚的可能性小，浪费的金刚石少，成本低，金刚石工具磨削效率高、寿命长。

目前为止，利用钎焊法制作有序排列的金刚石工具，基本上发展在单层有序排列工具上，多层有序排列钎焊工具在国内外中很少有报道，已报道的多层钎焊金刚石工具都是无序排列的。钎焊单层金刚石工具的锋利度和寿命主要取决于金刚石本身的强度与耐磨性，一旦单层金刚石破碎或磨损，工具寿命也就告终了。因此研究者除了要完善钎焊工艺外，更需要设计和加工合理的基体尺寸，研发多层有序排列钎焊金刚石工具。