钎焊技术在金刚石工具中的应用

钎焊技术在金刚石工具中的应用

? 钎焊技术在金刚石工具中的应用钎焊技术在金刚石工具中的应用摘要：简要介绍了金刚石工具、工具分类及其制造过程中用到的钎焊技术，分析了金刚石颗粒与基体的连接原理与形式，就金刚石工具行业国内外发展状况评述了钎焊技术的相应发展，阐述了预合金粉末的扩散钎焊现象及有益作用，探讨了钎焊材料、钎焊工艺和钎焊设备的协同规律，提出了金刚石工具行业钎焊技术的发展方向，为国内金刚石工具和焊接行业发展研究提供参考。关键词：金刚石金刚石工具钎焊材料钎焊技术 1 金刚石工具及其分类金

刚石是集多种优异性能于一身的功能材料，它是迄今为止所发现的硬度最高的天然材料，它独特的光学、热学、力学特性又强化了它在功能材料中的地位。金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两大类，其中人造金刚石又有单晶和聚晶之分，这三类金刚石均可用于制造金刚石工具。近几年，全球人造金刚石产量已达到150亿克拉，中国的人造金刚石产量稳居世界第一。中国的金刚石工具后发先至，近二十年得到了飞速发展，不仅产量居世界第一，而且发展了品种齐全的新型工具。金刚石工具的应用领域非常广泛，主要用于石材加工、陶瓷改型、地质钻探、石油钻井和矿业开采行业，在建筑、建材、机械加工、光学玻璃和珠宝加工及电子电器

行业也有重要地位[1]。现代制造业对金刚石工具的需求越来越多，高端装备制造更是越来越依赖金刚石刀具的发展，高速、超速、高精、超精切磨，尤其是硬脆和高硬材料的加工已经离不开金刚石工具[2]。根据用途，可将金刚石工具分为锯切工具、磨抛工具、刀具、钻探工具、拉丝模等。金刚石锯切工具按照形状分为金刚石圆锯片、金刚石排锯、金刚石绳锯、金刚石线锯、金刚石内孔锯等[3]。金刚石圆锯片是目前石材、建筑行业使用最普遍的锯切工具，广泛应用于花岗岩、大理石、陶瓷、混凝土等制品的切割。在绿色制造大潮中，金刚石圆锯片向多片组合锯方向发展，组合锯与排锯是典型；排锯是将几十根金刚石锯条并排安装在锯机的框架上，切割效率比通常使用的加砂大锯高数倍，切出的板料截面光滑平整，可显著减少磨抛工作量。金刚石绳锯一般应用于花岗岩、大理石矿山的荒料开采、钢筋混凝土或金属结构件的切割，并逐步过渡到异形石材和板材的加工。金刚石线锯能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割，广泛应用于半导体和光伏电池切片加工，并在陶瓷、石英、木材等加工中显示出独特优势。金刚石磨抛工具是指用结合剂将金刚石粘结成具有一定几何形状的磨具的总称，金刚石磨具磨削光洁度高、工作效率高、加工成本低、产品的使用寿命长。常见的金刚石磨具有磨盘、磨块、磨头、磨碗、滚筒、滚轮、磨边轮、铣磨轮、正切轮、珩磨轮、珩磨条、珩磨块等等。金

刚石刀具的特点是硬度和耐磨性极高、弹性模量高、摩擦系数低、热膨胀系数低、传热好，以及与有色金属粘结性小等优点。既可用于非金属硬脆材料(如陶瓷、石墨、复合材料等)的加工，亦可用于韧性有色金属材料(如铜合金、铝合金等)的精密加工。金刚石刀具类型繁多，各种刀具的使用性能差别较大，其结构、制备方法和应用领域有较大区别。常见的金刚石刀具有金刚石车刀、金刚石铣刀、金刚石镗刀、金刚石拉刀、金刚石钻头以及金刚石成形刀具。金刚石钻头是先进的钻探工具，金刚石钻头的钻进效率高、钻孔质量好、施工劳动强度比较轻、钻探成本低。金刚石钻头按用途主要分为石油钻头、煤炭钻头、地质勘探钻头、工程勘探钻头、工程薄壁钻头、玻璃钻头、复合材料钻头等。 2 金刚石连接的形式由于金刚石制造技术所限，单颗粒金刚石的尺度较小，金刚石常以细微颗粒甚至是微粉形态供应，这为金刚石的使用带来难题。由于金刚石只有依附于基体材料才能充分发挥其优异性能，其与基体材料的连接成为应用的关键。金刚石与大多数金属材料存在天然的“格格不入”之特性，物理性质方面金刚石与其它材料物性不匹配，化学性质方面冶金不相容，金刚石连接受到限制。金刚石的工业应用初期，机械镶嵌是主要形式，比如金刚笔、玻璃刀等，这类工具要求使用大颗粒金刚石。对于粒度不大的金刚石，机械镶嵌几乎不可能，电镀镀层固定镶嵌应运而生。电镀金刚石

工具的一般流程如下：工具胎体加工尺寸检查机械处理除油酸洗绝缘处理除锈冷热水洗阳极腐蚀冷热水洗电镀上金刚石加厚镀层出槽清洗除氢检验成品工具。电镀金刚石的把持强度不高、金刚石出露高度较低，影响金刚石的切削力和锋利度，钎焊金刚石工具弥补了这类缺陷[4]。钎焊金刚石工具又分为表镶和孕镶两类，表镶工具是将金刚石直接钎焊于基体表面，孕镶工具是将金刚石与其他材料烧结成复合体。金刚石复合体的烧结过程实质是金刚石与基体材料之间的扩散钎焊过程。将金刚石与硬质合金热压成为复合片(PDC)，金刚石连接即转为硬质合金的连接。3 钎焊技术在金刚石工具中的呈现形式金刚石胎体(俗称刀头)烧结过程中也是一个扩散钎焊过程[5]。金刚石工具的钎焊分为单层金刚石工具钎焊、金刚石刀头钎焊和PDC复合片钎焊三大类。金刚石刀头热压或冷压烧结过程是典型的扩散钎焊过程。在金刚石刀头制作的初期，一般是采用低温金属粉的熔化扩散钎焊高温金属粉，进一步镶嵌把持金刚石；随着技术发展，出现了含碳化物形成元素(铬、钛、钒、钼等)的活性预合金粉末，通过活性预合金粉末与金刚石反应形成碳化物实现扩散钎焊或钎焊连接，碳化物的形成缓慢，是预合金粉中的活性元素与金刚石中的碳元素相互扩散迁移的过程，需要在一定温度下保温较长时间以实现原子扩散和反应，因此热压烧结工艺更易实现这种扩散[6]。单层金刚石

工具的钎焊一般采用活性钎料或镍基钎料，通过强碳化物形成元素或合金，实现胎体材料与金刚石之间的化学冶金结合，提高了钎料层对金刚石的把持力[7]。单层钎焊法的工具中金刚石出露比例大又不易脱落，因此单层钎焊金刚石工具切割锋利、排屑好。通过金刚石有序排列，不仅实现了工具表面金刚石层的合理排布，充分发挥金刚石的切割作用，而且使金刚石用量大大减少，降低工具成本，提高切削效率。金刚石刀头的钎焊有其独特性，首先刀头是粉末冶金制品，刀头存在无数的毛细孔；其次刀头是烧结制品，刀头表面和内部都存在氧化物；再次刀头成分不尽相同，对钎焊材料和钎焊工艺的要求千差万别。由于PCD允许的加热温度受限制(一般耐热温度不高于720～780℃)，钎焊材料主要选用银基钎料，而通用的银基钎料耐热温度较低、对金刚石和碳化物的润湿性差。目前已经有专用的PDC工具钎焊材料，通过提高钎料高温强度和疲劳性能并调控合理的钎焊工艺，可以满足PDC钎焊的要求[8]。4 金刚石胎体烧结过程中的扩散钎焊1930年后，开始利用粉末冶金原理制作金刚石圆锯片，初期的工具主要由金刚石、高熔点骨架金属粉、低熔点单质金属粉和填充材料烧结形成，其中低熔点金属粉作为钎料使用。1960年后，金刚石工具迅速发展，越来越多的单位开始系统研究胎体粉末，尤其是预合金形式的粉状钎料在金刚石工具中的扩散钎焊作用得到越来越广泛的关注。在金刚石