钎焊金刚石工具钎料的研究综述

郑州磨料磨具磨削研究所 河南工业大学 机电学院

王光祖 崔仲鸣/文

1引言

钎料合金在钎焊过程中有着非常重要的作用，钎焊金刚石工具的性能很大程度取决于钎料合金自身的性能，作为金刚石与基体之间的连接材料，钎料合金必须能够与两者发生相互作用。因此，钎焊的质量主要取决于钎料合金。对于钎焊金刚石磨粒所用钎料合金需要具备如下特性：

1.1能够良好的润湿金刚石磨粒和基体，并与金刚石和基体发生化学冶金结合作用，形成牢固的结合。由于金刚石不具有较高的界面能，不容易被其他材料润湿，因此钎料合金中必须含有可以与金刚石反应形成碳化物的活性元素。

1.2钎料熔点适宜。低熔点钎料对金刚石磨粒的把持力不足，金刚石磨粒在重载负荷的加工条件下容易脱落，使用寿命较低；熔点较高的钎料，在钎焊过程中钎料充分熔化需要更高的能量，反应容易导致金刚石磨粒的热损伤。

1.3碳化物形成元素钎料中所含碳化物生成元素是钎料与金刚石界面形成化学冶金结合的基础。这些元素能与碳元素形成碳化物层并且促进钎料对碳化物层浸润，从而保证整个钎焊过程的实现。因此，钎料中必须添加能够与碳元素发生反应生成相应碳化物的活性元素，如Ti、Cr等第4-6周期、IVB--VIB族的过渡族副族元素。

1.4合适的线膨胀系数金刚石的线膨胀系数低于大多数金属材料的线膨胀系数，这将导致高温钎焊后在残余拉应力的作用下，金刚石表面会存在裂纹导致强度降低。因此。钎料的线性膨胀系数与金刚石线膨胀系数越接近越好。这就要求配置合金钎料时要考虑各元素线膨胀系数的平衡。

1.5对于金刚石工具来说，钎料合金要具备较好的机械和物理化学性能，如较高的强度和硬度、耐磨性以及耐高温性，即便磨削过程中产生的高温条件下仍然具有良好的加工性能。

1.6经济性最终的目的是超硬磨料工具的产业化生产，在满足使用要求的同时必须严格控钎料的成本，才能获得最优的加工与经济效益。这就要求钎料组分中应尽量避免含有Ag、B、Zr等贵重材料。

钎焊之所以能够实现金刚石焊接的主要原因是由于钎料的存在，钎料中的某些元素活性很高，既能润湿基体又能与金刚石发生反应。钎料包含元素不同，所制得磨料工具的磨削性能和使用寿命也不同。研究发现，元素Ti、Cr、V、W易与C元素发生浸润反应，生成化合物，从而增强钎料对磨料的固结能力。但是，这些物质的熔点大都在1500°C以上，此温度下金刚石已经严重石墨化。因此，为了降低钎料的固溶线，钎料中一般会加入一些低熔点合金，如Ag、Cu、Sn、Zn等。同时为了增强连接强度，也会增加一些高强度元素，如Ni、Si、B、Mn等，将不同元素进行组合，可以制出焊接能力较强的钎料。

目前由于金刚石钎料的活性元素可大致分为Cr系和Ti系两大类，分别包含高熔点的镣基钎料(NiCrBSi、NiCrP)和低熔点的银基钎料(AgCuTi、AgCuCr)、铜基钎料(CuSnTi、CuSnCr),其中镍基钎料本身强度较高，流动性和延展性也最好，因此关于这方面的研究和使用比较多。

2钎料组分的选择

2.1Cr系钎料

上个世纪，八十年代，有学者用NiCR合金钎料最先进行金刚石的钎焊试验。通过研究认为：当合金成分为17-92%,6-26Cr,10%B,Si、P时，能获得优异的结合性能并大大延长刀具使用寿命。开创了钎焊研究的先河，奠定了后续研究的基础，改进了金刚石磨具的生产方法并申请了专利。

瑞士AKChattopadhyay等先用O₂-C₂H₂焊枪把钎料合金(72Ni-14.4Cr₃.5Fe-3.5Si-3.5B-0.5O₂)喷镀于工具钢基体上，然后在感应钎焊反应30秒，所有过程都在氢气中进行，实现了金刚石与钢基体结合。深度研究发现，Cr是一种亲碳成分,易与金刚石发生化学反应。

ATrenker等人釆用真空钎焊的方式，用镣基钎料制备出焊接工具，用制备出的工具和普通的电靈工具一起在试验机上进行磨削实验。结果表明，焊接工具的使用性能远远高于普通电镀工具，其磨削性能和寿命都较电镀工具延长3倍以上，从实验方面证实了焊接工具的优异特性。

姚正军在高频感应钎焊机上焊接Ni-Cr-b-Si粉末，加热温度1050°C,加热时间30秒，实验保护气氛为Ar气。磨抛出焊接后试样的钎料/金刚石反应层，利用SEM和XRD分析发现，钎料中活性元素Cr向金刚石积聚，生成的化合物为C&G和CR7C3,从微观层面上解释了钎焊能实现高强焊接的原因。

黄辉等人以76Ni」6Cr-4B-4Si为钎料，进行高频感应钎焊实验，结果发现，此种钎料的抗氧化性较强，当温度为950°C时，即使没有保护气氛的存在，合金粉末依旧熔化，并与磨粒发生润湿反应，用制备的焊接工具，在磨削机床上加工普通花岗石，观察磨粒加工前后的宏观形态，发现磨粒的磨损过程是：磨粒尖角处微观磨损-磨粒尖角处微观破碎-平稳磨损期，没有发现磨粒脱落的情况。

马楚凡等人在前人的基础上，制备出了一种用于医疗领域的单层砂轮，所采用的钎料为Ni—13Cr-9P,温度950°C,用砂轮加工牙陶瓷块实验表明，钎料对磨粒有很强固结作用，加工中磨粒正常磨损，很少有脱落状况，观察磨削砂轮形貌发现，磨粒仍被钎料很好包裹着。

肖冰等用Ag—Cu材料做母材，高频感应钎焊下分析加或不加Cr元素对焊接结果的影响，加热温度780°C,加热时间35秒。结果发现，不加Cr时金刚石焊不上。加入Cr后，磨料表面生成了化合物，形成了高强度的结合键，在磨床上干磨铸铁，有很少一部分出现脱落现象。

尹芳以Ag-27Cu-7Cr为钎料，在温度840°C,高纯Ar保护气氛下加热15秒，焊接出钎焊金刚石线锯，扫描电镜下观察到钎料爬升稳定，钎焊质量理想；金相组织观察，基体的金相组织晶间腐蚀情况出现了很大好转；拉伸试验表明，相比于光丝及加热光丝，钎焊线锯的最大拉伸负荷没有明显变化。

卢金斌用76Cu=19Sn-5Cr作钎料，960°C下炉中钎焊5min,实现了磨轻粒的固结。用王水分离出焊后的磨粒，扫描电镜下测定磨粒表面所剩化合物的种类和形态。研究发现，在磨粒表面有薄片状化合物erf,生成，这是造成钎料/磨粒焊接强度高的主要原因。

总结文献可知，NICrBSi料中Cr含量是7-15%,温度范围1030°C-1080°C:NiCrP钎料中Cr含量是13-15%,温度范围是930°C-960°C:AgCuCr钎料中Cr含量是6-10%,温度范围是840°C-880°C:CuSnCr钎料中Cr含量是5—8%,温度范围是930°C-970°C。虽然钎料的种类不同，但主要的生成物均是Cr₃C₂和Cr₇C_3。

2.2Ti系钎料

Ni-Cr钎料、AgCuTi钎料、CuSnTi钎料是三种常见的钎料合金，它们都能对金刚石浸润、铺展、牢固把持金刚石并与金刚石形成有效的化学冶金结合。NiCr钎料由Ni、Cr元素组成本，显微硬度为HV492.5,其硬度和耐磨性较高，适合恶劣的磨削工况。钎料与金刚石反应生成Cr₂C₃等化合物，形成牢固把持力。

AgCuTi合金钎料显微硬度为HV79.55硬度低，塑性强。斜钎焊温度为900°C,降低因金刚石与钎料的热膨胀系数差异造成的热应力，使金刚石热损伤和残余应力大大減小，由于不含触媒元素，钎焊温度低不会造成金刚石石墨化。

孙风莲等在反应炉中，用Ag28Cu8Ti金箔做实验，真空度5x10-3Pa,焊接温度920接，保温时间20min,升、降温速度30-C/min。借助X射线分析证明，磨料钎焊连接处有TiC生成，使二者高强度结合。另外，分别测定出850°C、880°C、910°C、940°C、970°C磨粒的焊接强度分别为10.5MPa,36.4MPa、121.1MPa、133MPa、99.8MPa,对比可知前，在940°C时，工具剪切强度最大。在850°C时钎料和磨粒不发生粘结现象；在910°C时，剪切在界面处发生断裂，剪切后磨粒上粘有白色钎料；在940°C时，剪切时的断裂位置切穿界面和磨粒。

关砚聪釆用感应钎悍焊方法，用72Ag₈Cu₁₀钎料焊接磨粒，分别设定890°C、910°C、940°C三种温度方案。结果发现，在940°C焊接温度下，钎料与磨粒连接强度最大，为101MPA。

另外两种温度的焊接强度分别为35MPa和78MPaoT=890°C和T=910°C时，断裂位置大都在磨粒/焊料的界面上，T=940°C时，断裂位置相当复杂，既有界面处，又有磨粒处。另外，在940°C温度条件下，分别用AgCuTi金箔和AgCu金箔加钛粉进行实验，结果表前者的焊接强度为lOIMPa,后者为58MPa。

李丹用72Ag-28Cu-10Ti作钎料，在950°C下真空钎焊，用电镜观察、能谱分析等方法分析表明，Ti的含量将影响钎焊的润湿状况，Ti元素多时，其扩散程度更高，更易生成TiC化合物，使纤钎料的润湿作用明显提高。

选择Cu—Sn—Ti钎料的主要原因有以下几点：

(1)相对较低的价格。Ag基钎料含有贵金属元素Ag,价格昂贵，并且钎料的流动性太大，不适规模生产的使用。虽然Ni基钎料的价格比Cu基略低，但Ni基钎料熔点高不利于添加高熔点物质进行改性。

(2) Cu-Sn-Ti钎料不含有金刚石触媒元素，方便后续添加元素进行改性实验。

(3) Cu-Sn-Ti钎料具有较高的导热性和耐磨性，强度和韧性较高，本身的物理和力学性能较好。

CuSnTi钎料主要成分为Cu、Sn等元素，显微硬度范围246-378.9HV,塑性和延展性好，钎焊温度为900°C—950°C,能有效降低钎料对金刚石钎焊残余应力，钎料中不含触媒元素，高温环.境下对金刚石侵蚀程度低，且成本比NiCr、AgCuTi钎料低。

关砚聪选取Cu-8Sn-llTi为焊料，在45#钢上焊接金刚石磨粒，分析880°C-930°C不同焊接温度下的界面结构，并作了金刚石试件磨削巴西黑花岗石实验，结果表明，合金元素与磨粒在反应过程中生成化合物为TiC、CuTi和CuSn,且焊接温度900°C时，界面形成的化合物层均匀连续且界面致密，耐磨程度最高，磨粒的破碎形式是不同尺寸的块状破碎。

HuangSF等人以Cu—10Sn-15Ti为钎料，釆取炉中和激光两种焊接法，分析不同方式下得到的结合界面结构。工艺参数：真空钎绊焊温度925°C、保温5min,激光钎焊时间10秒。结果表明，炉中和激光得到的界面结构有沂所不同，前者产生的TiC是连续的，后者产生的TiC是不连续的。

总结文献可知，当钎料中的Ti<8%时，其润湿性较差，界面冶金结合也较弱；当Ti=12%时，接触角掖接近于零度，能实现合金和金刚石的完全润湿当Ti>16%时，冷却时应力较集中，结合面易产生微小裂纹。常规钎料中Ti的含量在10%左右，AgCuTi钎焊温度范围是880°C-960°C,CuSnTi钎焊温度是880°C-940°Co虽然钎料的种类不同，但主要的生成物是TiC。

以上三种钎料均能牢固结合金刚石，满足对硬脆材料、超硬材料等高速重载度磨削加工的要求。为了使金刚石能够不断出露，形成多层钎焊效果，所选钎料使用性能必须符合以下要：

⑴ 降低钎料、钎焊工艺对金刚石的损伤。在触媒元素Ni、Fe作用下，金刚石空气和真空下温度为750°C、1500°C时幵始在石墨化，表面形成凹坑；金刚石中残留的触媒元素Fe、Co、Ni等与金刚石热膨胀系数存在差异，使金刚石形成热应力，造成金刚石断裂。

(2) 钎料具有足够的强度。为了增强磨盘节块中金刚石出刃能力，在节块中填充固体磨粒后，导致钎料对金刚石包埋程度减小，降低对金刚石机械结合力。为了使钎料对金刚石有足够的把持力，应提高钎料对金刚石化学冶金结合力的同时提高钎料自身强度。

(3) 钎料与金刚石同步磨损。金刚石在磨损失效后，有部分钎料参与磨削，此时摩擦力会迅速増大并产生大量的磨削热，严重时会烧伤工件表面。为此应适当降低钎料的耐磨性和硬度，使钎料能同步磨耗磨损;相反，在磨削过程中钎料会受到钎料金属切屑的摩擦和冲击，造成钎料磨损，钎料对金刚石的把选持力下降，金刚石过早脱落，因此应适当提高钎料的强度和耐磨性。NiCr合金虽能够牢固的结合金刚石，提高足够的把持强度，但是钎料硬度大，耐磨损，使金刚石和钎料不能同步磨损，造成金刚石根部不能继续参与磨削。AgCuTi合金钎料硬度彳氐、合金的延展性能强，同时还能够对金刚石有足够的把持力，但是其价格高不利于制备低成本高性能的金刚石工具。CuSnTi合金钎料能很好满足以上要求，所以确定选用CuSnTi合金钎料，粒度120目。

2.3选择Fe基钎料的目的与理论基础

(1) —方面添加Fe元素可以提高钎料自身的力学和物理性能，另一方面Fe元素与钢基体的元素相同，更容易与钢基体形成无限置换的固溶体，实现化学冶金结合，提高钎料层与基体的结合强度。Ni和Cr的原子半径与FE的原子半径相差不超过10%o通过界面扩散形成置换固陪溶体。Cu基钎料与基体结合强度比Ni基钎料与基体结合强度低，一方面原因是Cu基钎料比Ni基钎料强度低，另一方面原因可能是形成的界面化学冶金结合低。Fe与Cu的互溶度很低，Cu在r—Fe中的最大溶解度为8%,在a—Fe中的最大溶解度为2.13%,Sn元素的原子半径比Fe元素原子半径大许多。因此，Cu-Sn-Ti钎料比Ni-Cr钎料与钢基体的结合强度低一些。

目前，钎焊金刚石的钎料合金大多使用Ni—Cr、Ag—Cu和Cu—Sn三类合金。这三类钎料合金在使用过程中都存在一定的局限性。Fe基钎料有着优异的物理化学性能，如抗弯阶强度、硬度等，在激光熔覆中得到广泛的应用，然而，因为Fe作为触媒元素，一定的温度下与金刚石发生反应，以较高的速率刻蚀金刚石。在常规钎焊工艺中，钎焊耗时过长，容易导致金剛石被Fe元素严重刻蚀，所以鲜少有关于Fe基钎料钎焊金刚石工具的相关的研究。根据文献可知，铁以8m/min的速率对金刚石进行刻蚀，刻蚀金刚石的速率是镣的30倍，然而，激光钎焊的工艺过程仅为10秒左右，钎焊时间极短，对金刚石的刻蚀时间有限，可以有效的控制铁对金刚石的刻蚀。在生产中的实践效果和性能检测证实：铁对金刚石的侵蚀性对工具的性能影响不大，由于铁对金刚石的热刻蚀，反而增加了钎料合金对金刚石的把持力，金刚石的强度并未明显降低。

因此，结合激光钎焊的特点，尝试使用Fe基钎焊合金进行钎焊金刚石实验，探索钎料聊焊接金刚石的可能性，得出了以下结论：

⑴ Fe基体钎料激光钎35/45目金刚石合适的工艺参数为：激光功元率140W,扫描速度0.30mm/s,负离焦量-14mm，既保证钎料充分熔化和在钢基体上的均匀铺展，同时金刚石焊后晶型完整且焊接质量良好。

(2) 在激光钎焊过程中，钎料中的Fe、Cr元素与金刚石在晶界处发生化学冶金反应，生成Fe、Cr互溶的共晶碳化物((Fe,Ce)₇C₃。

(3) Fe对金刚石的刻蚀，促使金刚石中的C原子溶入钎料合金并在其中扩散，部分C原子与Fe、Cr反应生成碳化物，部分C原子以固溶的形式存在于碳化物之间，反而加强了金刚石与钎料之间的连接。

(4) Fe基钎料激光焊接金刚石铣磨头磨削花岗岩试验表明，在磨削过程中金刚石磨粒的主要磨损形式是微破碎。