鄭州磨料磨具磨削研究所 河南工業大學 機電學院
王光祖 崔仲鳴/文
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引言
釺料合金在釺焊過程中有著非常重要的作用，釺焊金剛石工具的性能很大程度取決於釺料合金自身的性能，作為金剛石與基體之間的連接材料，釺料合金必須能夠與兩者發生相互作用。因此，釺焊的質量主要取決於釺料合金。對於釺焊金剛石磨粒所用釺料合金需要具備如下特性：
1.1能夠良好的潤溼金剛石磨粒和基體，並與金剛石和基體發生化學冶金結合作用，形成牢固的結合。由於金剛石不具有較高的界面能，不容易被其他材料潤溼，因此釺料合金中必須含有可以與金剛石反應形成碳化物的活性元素。
1.2釺料熔點適宜。低熔點釺料對金剛石磨粒的把持力不足，金剛石磨粒在重載負荷的加工條件下容易脫落，使用壽命較低；熔點較高的釺料，在釺焊過程中釺料充分熔化需要更高的能量，反應容易導致金剛石磨粒的熱損傷。
1.3碳化物形成元素釺料中所含碳化物生成元素是釺料與金剛石界面形成化學冶金結合的基礎。這些元素能與碳元素形成碳化物層並且促進釺料對碳化物層浸潤，從而保證整個釺焊過程的實現。因此，釺料中必須添加能夠與碳元素發生反應生成相應碳化物的活性元素，如Ti、Cr等第4-6周期、IVB--VIB族的過渡族副族元素。
1.4合適的線膨脹係數金剛石的線膨脹係數低於大多數金屬材料的線膨脹係數，這將導致高溫釺焊後在殘餘拉應力的作用下，金剛石表面會存在裂紋導致強度降低。因此。釺料的線性膨脹係數與金剛石線膨脹係數越接近越好。這就要求配置合金釺料時要考慮各元素線膨脹係數的平衡。
1.5對於金剛石工具來說，釺料合金要具備較好的機械和物理化學性能，如較高的強度和硬度、耐磨性以及耐高溫性，即便磨削過程中產生的高溫條件下仍然具有良好的加工性能。
1.6經濟性最終的目的是超硬磨料工具的產業化生產，在滿足使用要求的同時必須嚴格控釺料的成本，才能獲得最優的加工與經濟效益。這就要求釺料組分中應儘量避免含有Ag、B、Zr等貴重材料。
釺焊之所以能夠實現金剛石焊接的主要原因是由於釺料的存在，釺料中的某些元素活性很高，既能潤溼基體又能與金剛石發生反應。釺料包含元素不同，所製得磨料工具的磨削性能和使用壽命也不同。研究發現，元素Ti、Cr、V、W易與C元素發生浸潤反應，生成化合物，從而增強釺料對磨料的固結能力。但是，這些物質的熔點大都在1500°C以上，此溫度下金剛石已經嚴重石墨化。因此，為了降低釺料的固溶線，釺料中一般會加入一些低熔點合金，如Ag、Cu、Sn、Zn等。同時為了增強連接強度，也會增加一些高強度元素，如Ni、Si、B、Mn等，將不同元素進行組合，可以制出焊接能力較強的釺料。
目前由於金剛石釺料的活性元素可大致分為Cr系和Ti系兩大類，分別包含高熔點的鐐基釺料(NiCrBSi、NiCrP)和低熔點的銀基釺料(AgCuTi、AgCuCr)、銅基釺料(CuSnTi、CuSnCr),其中鎳基釺料本身強度較高，流動性和延展性也最好，因此關於這方面的研究和使用比較多。
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釺料組分的選擇
2.1Cr系釺料
上個世紀，八十年代，有學者用NiCR合金釺料最先進行金剛石的釺焊試驗。通過研究認為：當合金成分為17-92%,6-26Cr,10%B,Si、P時，能獲得優異的結合性能並大大延長刀具使用壽命。開創了釺焊研究的先河，奠定了後續研究的基礎，改進了金剛石磨具的生產方法並申請了專利。
瑞士AKChattopadhyay等先用O2-C2H2焊槍把釺料合金(72Ni-14.4Cr3.5Fe-3.5Si-3.5B-0.5O2)噴鍍於工具鋼基體上，然後在感應釺焊反應30秒，所有過程都在氫氣中進行，實現了金剛石與鋼基體結合。深度研究發現，Cr是一種親碳成分,易與金剛石發生化學反應。
ATrenker等人釆用真空釺焊的方式，用鐐基釺料製備出焊接工具，用製備出的工具和普通的電靈工具一起在試驗機上進行磨削實驗。結果表明，焊接工具的使用性能遠遠高於普通電鍍工具，其磨削性能和壽命都較電鍍工具延長3倍以上，從實驗方面證實了焊接工具的優異特性。
姚正軍在高頻感應釺焊機上焊接Ni-Cr-b-Si粉末，加熱溫度1050°C,加熱時間30秒，實驗保護氣氛為Ar氣。磨拋出焊接後試樣的釺料/金剛石反應層，利用SEM和XRD分析發現，釺料中活性元素Cr向金剛石積聚，生成的化合物為C&G和CR7C3,從微觀層面上解釋了釺焊能實現高強焊接的原因。
黃輝等人以76Ni」6Cr-4B-4Si為釺料，進行高頻感應釺焊實驗，結果發現，此種釺料的抗氧化性較強，當溫度為950°C時，即使沒有保護氣氛的存在，合金粉末依舊熔化，並與磨粒發生潤溼反應，用製備的焊接工具，在磨削工具機上加工普通花崗石，觀察磨粒加工前後的宏觀形態，發現磨粒的磨損過程是：磨粒尖角處微觀磨損-磨粒尖角處微觀破碎-平穩磨損期，沒有發現磨粒脫落的情況。
馬楚凡等人在前人的基礎上，製備出了一種用於醫療領域的單層砂輪，所採用的釺料為Ni—13Cr-9P,溫度950°C,用砂輪加工牙陶瓷塊實驗表明，釺料對磨粒有很強固結作用，加工中磨粒正常磨損，很少有脫落狀況，觀察磨削砂輪形貌發現，磨粒仍被釺料很好包裹著。
肖冰等用Ag—Cu材料做母材，高頻感應釺焊下分析加或不加Cr元素對焊接結果的影響，加熱溫度780°C,加熱時間35秒。結果發現，不加Cr時金剛石焊不上。加入Cr後，磨料表面生成了化合物，形成了高強度的結合鍵，在磨床上幹磨鑄鐵，有很少一部分出現脫落現象。
尹芳以Ag-27Cu-7Cr為釺料，在溫度840°C,高純Ar保護氣氛下加熱15秒，焊接出釺焊金剛石線鋸，掃描電鏡下觀察到釺料爬升穩定，釺焊質量理想；金相組織觀察，基體的金相組織晶間腐蝕情況出現了很大好轉；拉伸試驗表明，相比於光絲及加熱光絲，釺焊線鋸的最大拉伸負荷沒有明顯變化。
盧金斌用76Cu=19Sn-5Cr作釺料，960°C下爐中釺焊5min,實現了磨輕粒的固結。用王水分離出焊後的磨粒，掃描電鏡下測定磨粒表面所剩化合物的種類和形態。研究發現，在磨粒表面有薄片狀化合物erf,生成，這是造成釺料/磨粒焊接強度高的主要原因。
總結文獻可知，NICrBSi料中Cr含量是7-15%,溫度範圍1030°C-1080°C:NiCrP釺料中Cr含量是13-15%,溫度範圍是930°C-960°C:AgCuCr釺料中Cr含量是6-10%,溫度範圍是840°C-880°C:CuSnCr釺料中Cr含量是5—8%,溫度範圍是930°C-970°C。雖然釺料的種類不同，但主要的生成物均是Cr3C2和Cr7C3。
2.2Ti系釺料
Ni-Cr釺料、AgCuTi釺料、CuSnTi釺料是三種常見的釺料合金，它們都能對金剛石浸潤、鋪展、牢固把持金剛石並與金剛石形成有效的化學冶金結合。NiCr釺料由Ni、Cr元素組成本，顯微硬度為HV492.5,其硬度和耐磨性較高，適合惡劣的磨削工況。釺料與金剛石反應生成Cr2C3等化合物，形成牢固把持力。
AgCuTi合金釺料顯微硬度為HV79.55硬度低，塑性強。斜釺焊溫度為900°C,降低因金剛石與釺料的熱膨脹係數差異造成的熱應力，使金剛石熱損傷和殘餘應力大大減小，由於不含觸媒元素，釺焊溫度低不會造成金剛石石墨化。
孫風蓮等在反應爐中，用Ag28Cu8Ti金箔做實驗，真空度5x10-3Pa,焊接溫度920接，保溫時間20min,升、降溫速度30-C/min。藉助X射線分析證明，磨料釺焊連接處有TiC生成，使二者高強度結合。另外，分別測定出850°C、880°C、910°C、940°C、970°C磨粒的焊接強度分別為10.5MPa,36.4MPa、121.1MPa、133MPa、99.8MPa,對比可知前，在940°C時，工具剪切強度最大。在850°C時釺料和磨粒不發生粘結現象；在910°C時，剪切在界面處發生斷裂，剪切後磨粒上粘有白色釺料；在940°C時，剪切時的斷裂位置切穿界面和磨粒。
關硯聰釆用感應釺悍焊方法，用72Ag8Cu10釺料焊接磨粒，分別設定890°C、910°C、940°C三種溫度方案。結果發現，在940°C焊接溫度下，釺料與磨粒連接強度最大，為101MPA。
另外兩種溫度的焊接強度分別為35MPa和78MPaoT=890°C和T=910°C時，斷裂位置大都在磨粒/焊料的界面上，T=940°C時，斷裂位置相當複雜，既有界面處，又有磨粒處。另外，在940°C溫度條件下，分別用AgCuTi金箔和AgCu金箔加鈦粉進行實驗，結果表前者的焊接強度為lOIMPa,後者為58MPa。
李丹用72Ag-28Cu-10Ti作釺料，在950°C下真空釺焊，用電鏡觀察、能譜分析等方法分析表明，Ti的含量將影響釺焊的潤溼狀況，Ti元素多時，其擴散程度更高，更易生成TiC化合物，使纖釺料的潤溼作用明顯提高。
選擇Cu—Sn—Ti釺料的主要原因有以下幾點：
(1)相對較低的價格。Ag基釺料含有貴金屬元素Ag,價格昂貴，並且釺料的流動性太大，不適規模生產的使用。雖然Ni基釺料的價格比Cu基略低，但Ni基釺料熔點高不利於添加高熔點物質進行改性。
(2) Cu-Sn-Ti釺料不含有金剛石觸媒元素，方便後續添加元素進行改性實驗。
(3) Cu-Sn-Ti釺料具有較高的導熱性和耐磨性，強度和韌性較高，本身的物理和力學性能較好。
CuSnTi釺料主要成分為Cu、Sn等元素，顯微硬度範圍246-378.9HV,塑性和延展性好，釺焊溫度為900°C—950°C,能有效降低釺料對金剛石釺焊殘餘應力，釺料中不含觸媒元素，高溫環.境下對金剛石侵蝕程度低，且成本比NiCr、AgCuTi釺料低。
關硯聰選取Cu-8Sn-llTi為焊料，在45#鋼上焊接金剛石磨粒，分析880°C-930°C不同焊接溫度下的界面結構，並作了金剛石試件磨削巴西黑花崗石實驗，結果表明，合金元素與磨粒在反應過程中生成化合物為TiC、CuTi和CuSn,且焊接溫度900°C時，界面形成的化合物層均勻連續且界面緻密，耐磨程度最高，磨粒的破碎形式是不同尺寸的塊狀破碎。
HuangSF等人以Cu—10Sn-15Ti為釺料，釆取爐中和雷射兩種焊接法，分析不同方式下得到的結合界面結構。工藝參數：真空釺絆焊溫度925°C、保溫5min,雷射釺焊時間10秒。結果表明，爐中和雷射得到的界面結構有沂所不同，前者產生的TiC是連續的，後者產生的TiC是不連續的。
總結文獻可知，當釺料中的Ti<8%時，其潤溼性較差，界面冶金結合也較弱；當Ti=12%時，接觸角掖接近於零度，能實現合金和金剛石的完全潤溼當Ti>16%時，冷卻時應力較集中，結合面易產生微小裂紋。常規釺料中Ti的含量在10%左右，AgCuTi釺焊溫度範圍是880°C-960°C,CuSnTi釺焊溫度是880°C-940°Co雖然釺料的種類不同，但主要的生成物是TiC。
以上三種釺料均能牢固結合金剛石，滿足對硬脆材料、超硬材料等高速重載度磨削加工的要求。為了使金剛石能夠不斷出露，形成多層釺焊效果，所選釺料使用性能必須符合以下要：
⑴ 降低釺料、釺焊工藝對金剛石的損傷。在觸媒元素Ni、Fe作用下，金剛石空氣和真空下溫度為750°C、1500°C時幵始在石墨化，表面形成凹坑；金剛石中殘留的觸媒元素Fe、Co、Ni等與金剛石熱膨脹係數存在差異，使金剛石形成熱應力，造成金剛石斷裂。
(2) 釺料具有足夠的強度。為了增強磨盤節塊中金剛石出刃能力，在節塊中填充固體磨粒後，導致釺料對金剛石包埋程度減小，降低對金剛石機械結合力。為了使釺料對金剛石有足夠的把持力，應提高釺料對金剛石化學冶金結合力的同時提高釺料自身強度。
(3) 釺料與金剛石同步磨損。金剛石在磨損失效後，有部分釺料參與磨削，此時摩擦力會迅速増大並產生大量的磨削熱，嚴重時會燒傷工件表面。為此應適當降低釺料的耐磨性和硬度，使釺料能同步磨耗磨損;相反，在磨削過程中釺料會受到釺料金屬切屑的摩擦和衝擊，造成釺料磨損，釺料對金剛石的把選持力下降，金剛石過早脫落，因此應適當提高釺料的強度和耐磨性。NiCr合金雖能夠牢固的結合金剛石，提高足夠的把持強度，但是釺料硬度大，耐磨損，使金剛石和釺料不能同步磨損，造成金剛石根部不能繼續參與磨削。AgCuTi合金釺料硬度彳氐、合金的延展性能強，同時還能夠對金剛石有足夠的把持力，但是其價格高不利於製備低成本高性能的金剛石工具。CuSnTi合金釺料能很好滿足以上要求，所以確定選用CuSnTi合金釺料，粒度120目。
2.3選擇Fe基釺料的目的與理論基礎
(1) —方面添加Fe元素可以提高釺料自身的力學和物理性能，另一方面Fe元素與鋼基體的元素相同，更容易與鋼基體形成無限置換的固溶體，實現化學冶金結合，提高釺料層與基體的結合強度。Ni和Cr的原子半徑與FE的原子半徑相差不超過10%o通過界面擴散形成置換固陪溶體。Cu基釺料與基體結合強度比Ni基釺料與基體結合強度低，一方面原因是Cu基釺料比Ni基釺料強度低，另一方面原因可能是形成的界面化學冶金結合低。Fe與Cu的互溶度很低，Cu在r—Fe中的最大溶解度為8%,在a—Fe中的最大溶解度為2.13%,Sn元素的原子半徑比Fe元素原子半徑大許多。因此，Cu-Sn-Ti釺料比Ni-Cr釺料與鋼基體的結合強度低一些。
目前，釺焊金剛石的釺料合金大多使用Ni—Cr、Ag—Cu和Cu—Sn三類合金。這三類釺料合金在使用過程中都存在一定的局限性。Fe基釺料有著優異的物理化學性能，如抗彎階強度、硬度等，在雷射熔覆中得到廣泛的應用，然而，因為Fe作為觸媒元素，一定的溫度下與金剛石發生反應，以較高的速率刻蝕金剛石。在常規釺焊工藝中，釺焊耗時過長，容易導致金剛石被Fe元素嚴重刻蝕，所以鮮少有關於Fe基釺料釺焊金剛石工具的相關的研究。根據文獻可知，鐵以8m/min的速率對金剛石進行刻蝕，刻蝕金剛石的速率是鐐的30倍，然而，雷射釺焊的工藝過程僅為10秒左右，釺焊時間極短，對金剛石的刻蝕時間有限，可以有效的控制鐵對金剛石的刻蝕。在生產中的實踐效果和性能檢測證實：鐵對金剛石的侵蝕性對工具的性能影響不大，由於鐵對金剛石的熱刻蝕，反而增加了釺料合金對金剛石的把持力，金剛石的強度並未明顯降低。
因此，結合雷射釺焊的特點，嘗試使用Fe基釺焊合金進行釺焊金剛石實驗，探索釺料聊焊接金剛石的可能性，得出了以下結論：
⑴ Fe基體釺料雷射釺35/45目金剛石合適的工藝參數為：雷射功元率140W,掃描速度0.30mm/s,負離焦量-14mm，既保證釺料充分熔化和在鋼基體上的均勻鋪展，同時金剛石焊後晶型完整且焊接質量良好。
(2) 在雷射釺焊過程中，釺料中的Fe、Cr元素與金剛石在晶界處發生化學冶金反應，生成Fe、Cr互溶的共晶碳化物((Fe,Ce)7C3。
(3) Fe對金剛石的刻蝕，促使金剛石中的C原子溶入釺料合金並在其中擴散，部分C原子與Fe、Cr反應生成碳化物，部分C原子以固溶的形式存在於碳化物之間，反而加強了金剛石與釺料之間的連接。
(4) Fe基釺料雷射焊接金剛石銑磨頭磨削花崗巖試驗表明，在磨削過程中金剛石磨粒的主要磨損形式是微破碎。