【淺析】釬焊金剛石工具的技術(shù)現(xiàn)狀

標(biāo)簽： 雜談

目前，用釬焊法制作金剛石工具已開(kāi)始成為熱點(diǎn)技術(shù)，但僅局限于單層工具，對(duì)于多層實(shí)現(xiàn)“孕鑲”尚不成熟。國(guó)外的釬焊技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代后期，但由于工作復(fù)雜至今仍停留在實(shí)驗(yàn)階段，其應(yīng)用也僅局限于單層工具；國(guó)內(nèi)的釬焊技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，研究的廣度和深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因而進(jìn)展十分緩慢，文中就金屬結(jié)合劑金剛石工具固結(jié)金剛石磨粒的技術(shù)特點(diǎn)以及在運(yùn)行過(guò)程中金剛石磨粒容屑空間的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，分析了釬焊法制作金剛石工具的現(xiàn)狀，指出了釬焊金剛石工具的技術(shù)問(wèn)題和解決出路。

1  金屬結(jié)合劑金剛石工具

按照制作方法不同，金屬結(jié)合劑金剛石工具可分為以下三類：粉末冶金熱壓燒結(jié)金剛石工具、電鍍金剛石工具和釬焊金剛石工具。

1．1  粉末冶金熱壓燒結(jié)金剛石工具

粉末冶金熱壓燒結(jié)金剛石工具是以金剛石為切磨材料，以金屬粉末為結(jié)合劑，利用粉末冶金的方法，經(jīng)過(guò)混料、造粒、壓制成型、燒結(jié)以及必要的后期修整加工而成的一類金剛石工具制品。

產(chǎn)品已形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，品種規(guī)格齊全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，部分產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。粉末冶金熱壓燒結(jié)金剛石工具是各類金剛石制品中出現(xiàn)最早的一類，也是目前品種最多、用量最大、用途最廣的一類，其產(chǎn)品銷量占據(jù)整個(gè)金屬結(jié)合劑金剛石工具的80％以上。

盡管利用該方法生產(chǎn)的金剛石工具在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但其固結(jié)金剛石磨粒技術(shù)本身始終存在著嚴(yán)重的不足，金剛石的有效使用率大約在10％左右，造成了金剛石磨粒資源的極大浪費(fèi)。主要表現(xiàn)在金剛石磨粒基本上是以機(jī)械包鑲的形式存在于金屬胎體中，金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持能力不強(qiáng)，金剛石工具在使用過(guò)程中非正常磨損、脫落、殘出的金剛石較多，金剛石實(shí)際利用率較低，金剛石原料浪費(fèi)較大。

多年來(lái)業(yè)內(nèi)專家為了提高金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持能力做了大量的工作，除了通過(guò)對(duì)金剛石進(jìn)行表面改性（表面金屬化、表面形貌改變等）來(lái)增強(qiáng)金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持力有一定的效果外，通過(guò)直接在金屬結(jié)合劑中加入適量的Ti（鈦）、Cr（鉻）、In（銦）、Zr（鋯）等活性元素來(lái)強(qiáng)化金屬結(jié)合劑均沒(méi)有大的技術(shù)突破。在學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為金屬結(jié)合劑的增強(qiáng)機(jī)理就是通過(guò)在金剛石表面與結(jié)合劑之間形成一層金屬碳化物，通過(guò)碳化物作為過(guò)渡層，提高結(jié)合劑對(duì)金剛石表面的潤(rùn)濕能力與毛細(xì)作用能力，達(dá)到化學(xué)冶金結(jié)合的效果。

而實(shí)際上在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，為了保護(hù)金剛石磨粒不被石墨化，影響金剛石的使用質(zhì)量，其燒結(jié)溫度達(dá)不到這些活性元素的熔化溫度，碳化物無(wú)法形成，導(dǎo)致活性元素起不到理論上的理想作用。金剛石磨粒只好被機(jī)械的夾持在金屬結(jié)合劑中，并沒(méi)有發(fā)生所謂的化學(xué)冶金反應(yīng)。所以，此類工具僅靠機(jī)械包鑲形式來(lái)固定金剛石磨料，在使用過(guò)程中對(duì)金剛石的把持力是有限的。

觀察大量的粉末冶金熱壓燒結(jié)金剛石工具使用情況發(fā)現(xiàn)，金剛石磨粒的容屑空間是在運(yùn)行過(guò)程中形成的，是靠加工材料廢屑的反磨削而得到的，金剛石磨粒的容屑空間是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，所以在金剛石磨粒有效使用時(shí)間內(nèi)，其容屑空間的平均值是非常小的，因而在使用過(guò)程中使得加工材料廢屑堵塞并燒傷劃傷工件的現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。

1．2  電鍍金剛石工具

電鍍金剛石工具是通過(guò)電鍍的方法，經(jīng)過(guò)金屬電沉積過(guò)程，將一層金剛石牢固地鑲在金屬基體上的一種制品。該類制品具有效率高、磨削精度高的特點(diǎn)，主要產(chǎn)品以成形研磨和精密加工工具為主，產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石材、機(jī)械、汽車及國(guó)防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

盡管該方法生產(chǎn)的各種金剛石工具在一定的行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，但固結(jié)金剛石磨粒技術(shù)本身也存在著嚴(yán)重的不足，金剛石的有效使用率大約在20％左右。主要表現(xiàn)在金屬結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持能力也不強(qiáng)，金剛石磨粒只是以機(jī)械的包埋鑲嵌在鍍層金屬中。

電鍍的方法是，Ni或Ni-Co或Ni-Co-Mn等金屬離子不斷在陰極金剛石及基體表面析出、進(jìn)入、埋入，下一電鍍層依次沉積，如此反復(fù)沉積到一定厚度后，半成品從電鍍液中取出進(jìn)行上砂、增厚等后續(xù)工藝處理，最終得到電鍍金剛石工具。在整個(gè)制作過(guò)程中，金剛石沒(méi)有發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)。所以，此類工具也是僅靠機(jī)械包鑲形式來(lái)固定金剛石磨料，在使用過(guò)程中對(duì)金剛石的把持力也是有限的，電鍍層一旦被磨損到磨粒一半高度時(shí)，金剛石磨粒就會(huì)自然脫落。

觀察大量的電鍍金剛石工具使用情況發(fā)現(xiàn)，未剝落的金剛石磨粒大約有2/3高度被沉積在電鍍金屬層中，所以金剛石磨粒的容屑空間基本上是固定的，并且也是比較小的，這樣在使用過(guò)程中也仍然會(huì)出現(xiàn)加工材料廢屑堵塞并燒傷劃傷工件現(xiàn)象。

1．3  釬焊金剛石工具

釬焊金剛石工具是通過(guò)釬焊的方法，經(jīng)過(guò)金屬焊料熔化過(guò)程，將一層金剛石牢固地焊接在金屬基體上的一種工具制品。該類制品具有效率更高、單顆粒金剛石使用壽命長(zhǎng)、磨削精度高的特點(diǎn)，主要產(chǎn)品涵蓋所有粗及中粗粒度電鍍金剛石工具和部分熱壓金剛石工具。

為了避免傳統(tǒng)制造方法帶來(lái)的把持力低、容屑空間小、出露高度低和易脫落等問(wèn)題，同時(shí)能更大的利用單層金剛石工具的優(yōu)點(diǎn)，2000年開(kāi)始至今，釬焊技術(shù)被應(yīng)用到金剛石工具的制造領(lǐng)域并且得到快速的發(fā)展。釬焊技術(shù)作為一種新型的金剛石工具制造方法，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。釬焊方法與其他熔焊方法不同，釬焊過(guò)程中釬料合金熔化溫度要比母材熔化溫度低，釬焊溫度要小于母材固相線而高于釬料液相線。針對(duì)金剛石而言，這就需要釬焊溫度小于金剛石的石墨化轉(zhuǎn)變溫度。釬焊時(shí)，釬料在金剛石表面潤(rùn)濕、毛細(xì)作用、填充、鋪展、緊密包裹金剛石磨粒，同時(shí)在金剛石與釬料合金之間以碳化物的形式形成化學(xué)冶金結(jié)合。以釬焊法制作的金剛石工具，其金剛石磨粒結(jié)合強(qiáng)度和出刃高度都較高，鋒銳性和切削性能得到了提高，容屑空間固定并且比較大，特別適合高速高效磨削加工、難加工材料的加工和精密加工。近年來(lái)，高溫釬焊單層金剛石工具成為國(guó)內(nèi)外高校研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。