鄭州磨料磨具磨削研究所 河南工業大學 機電學院

釬料合金在釬焊過程中有著非常重要的作用，釬焊金剛石工具的性能很大程度取決于釬料合金自身的性能，作為金剛石與基體之間的連接材料，釬料合金必須能夠與兩者發生相互作用。因此，釬焊的質量主要取決于釬料合金。對于釬焊金剛石磨粒所用釬料合金需要具備如下特性：

1.1能夠良好的潤濕金剛石磨粒和基體，并與金剛石和基體發生化學冶金結合作用，形成牢固的結合。由于金剛石不具有較高的界面能，不容易被其他材料潤濕，因此釬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釬料熔點適宜。低熔點釬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；熔點較高的釬料，在釬焊過程中釬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碳化物形成元素釬料中所含碳化物生成元素是釬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并且促進釬料對碳化物層浸潤，從而保證整個釬焊過程的實現。因此，釬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合適的線膨脹系數金剛石的線膨脹系數低于大多數金屬材料的線膨脹系數，這將導致高溫釬焊后在殘余拉應力的作用下，金剛石表面會存在裂紋導致強度降低。因此。釬料的線性膨脹系數與金剛石線膨脹系數越接近越好。這就要求配置合金釬料時要考慮各元素線膨脹系數的平衡。

1.5對于金剛石工具來說，釬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釬料的成本，才能獲得最優的加工與經濟效益。這就要求釬料組分中應盡量避免含有Ag、B、Zr等貴重材料。

釬焊之所以能夠實現金剛石焊接的主要原因是由于釬料的存在，釬料中的某些元素活性很高，既能潤濕基體又能與金剛石發生反應。釬料包含元素不同，所制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，從而增強釬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，為了降低釬料的固溶線，釬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釬料。

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目前由于金剛石釬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釬料(NiCrBSi、NiCrP)和低熔點的銀基釬料(AgCuTi、AgCuCr)、銅基釬料(CuSnTi、CuSnCr),其中鎳基釬料本身強度較高，流動性和延展性也最好，因此關于這方面的研究和使用比較多。

上個世紀，八十年代，有學者用NiCR合金釬料最先進行金剛石的釬焊試驗。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并大大延長刀具使用壽命。開創了釬焊研究的先河，奠定了后續研究的基礎，改進了金剛石磨具的生產方法并申請了專利。

瑞士AKChattopadhyay等先用O2-C2H2焊槍把釬料合金(72Ni-14.4Cr3.5Fe-3.5Si-3.5B-0.5O2)噴鍍于工具鋼基體上，然后在感應釬焊反應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等人釆用真空釬焊的方式，用鐐基釬料制備出焊接工具，用制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于普通電鍍工具，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。

姚正軍在高頻感應釬焊機上焊接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。磨拋出焊接后試樣的釬料/金剛石反應層，利用SEM和XRD分析發現，釬料中活性元素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釬焊能實現高強焊接的原因。

黃輝等人以76Ni」6Cr-4B-4Si為釬料，進行高頻感應釬焊實驗，結果發現，此種釬料的抗氧化性較強，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，并與磨粒發生潤濕反應，用制備的焊接工具，在磨削機床上加工普通花崗石，觀察磨粒加工前后的宏觀形態，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，制備出了一種用于醫療領域的單層砂輪，所采用的釬料為Ni—13Cr-9P,溫度950°C,用砂輪加工牙陶瓷塊實驗表明，釬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，磨粒仍被釬料很好包裹著。

肖冰等用Ag—Cu材料做母材，高頻感應釬焊下分析加或不加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后，磨料表面生成了化合物，形成了高強度的結合鍵，在磨床上干磨鑄鐵，有很少一部分出現脫落現象。

尹芳以Ag-27Cu-7Cr為釬料，在溫度840°C,高純Ar保護氣氛下加熱15秒，焊接出釬焊金剛石線鋸，掃描電鏡下觀察到釬料爬升穩定，釬焊質量理想；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，相比于光絲及加熱光絲，釬焊線鋸的最大拉伸負荷沒有明顯變化。

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盧金斌用76Cu=19Sn-5Cr作釬料，960°C下爐中釬焊5min,實現了磨輕粒的固結。用王水分離出焊后的磨粒，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，這是造成釬料/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%,溫度范圍1030°C-1080°C:NiCrP釬料中Cr含量是13-15%,溫度范圍是930°C-960°C:AgCuCr釬料中Cr含量是6-10%,溫度范圍是840°C-880°C:CuSnCr釬料中Cr含量是5—8%,溫度范圍是930°C-970°C。雖然釬料的種類不同，但主要的生成物均是Cr3C2和Cr7C3。

Ni-Cr釬料、AgCuTi釬料、CuSnTi釬料是三種常見的釬料合金，它們都能對金剛石浸潤、鋪展、牢固把持金剛石并與金剛石形成有效的化學冶金結合。NiCr釬料由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。釬料與金剛石反應生成Cr2C3等化合物，形成牢固把持力。

AgCuTi合金釬料顯微硬度為HV79.55硬度低，塑性強。斜釬焊溫度為900°C,降低因金剛石與釬料的熱膨脹系數差異造成的熱應力，使金剛石熱損傷和殘余應力大大減小，由于不含觸媒元素，釬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。借助X射線分析證明，磨料釬焊連接處有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時釬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，剪切后磨粒上粘有白色釬料；在940°C時，剪切時的斷裂位置切穿界面和磨粒。

關硯聰釆用感應釬悍焊方法，用72Ag8Cu10釬料焊接磨粒，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，釬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，斷裂位置相當復雜，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,后者為58MPa。

李丹用72Ag-28Cu-10Ti作釬料，在950°C下真空釬焊，用電鏡觀察、能譜分析等方法分析表明，Ti的含量將影響釬焊的潤濕狀況，Ti元素多時，其擴散程度更高，更易生成TiC化合物，使纖釬料的潤濕作用明顯提高。

選擇Cu—Sn—Ti釬料的主要原因有以下幾點：

(1)相對較低的價格。Ag基釬料含有貴金屬元素Ag,價格昂貴，并且釬料的流動性太大，不適規模生產的使用。雖然Ni基釬料的價格比Cu基略低，但Ni基釬料熔點高不利于添加高熔點物質進行改性。

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(2) Cu-Sn-Ti釬料不含有金剛石觸媒元素，方便后續添加元素進行改性實驗。

(3) Cu-Sn-Ti釬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釬料主要成分為Cu、Sn等元素，顯微硬度范圍246-378.9HV,塑性和延展性好，釬焊溫度為900°C—950°C,能有效降低釬料對金剛石釬焊殘余應力，釬料中不含觸媒元素，高溫環.境下對金剛石侵蝕程度低，且成本比NiCr、AgCuTi釬料低。

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，并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致密，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為釬料，釆取爐中和激光兩種焊接法，分析不同方式下得到的結合界面結構。工藝參數：真空釬絆焊溫度925°C、保溫5min,激光釬焊時間10秒。結果表明，爐中和激光得到的界面結構有沂所不同，前者產生的TiC是連續的，后者產生的TiC是不連續的。

總結文獻可知，當釬料中的Ti<8%時，其潤濕性較差，界面冶金結合也較弱；當ti=12%時，接觸角掖接近于零度，能實現合金和金剛石的完全潤濕當ti>16%時，冷卻時應力較集中，結合面易產生微小裂紋。常規釬料中Ti的含量在10%左右，AgCuTi釬焊溫度范圍是880°C-960°C,CuSnTi釬焊溫度是880°C-940°Co雖然釬料的種類不同，但主要的生成物是TiC。

以上三種釬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，形成多層釬焊效果，所選釬料使用性能必須符合以下要：

⑴ 降低釬料、釬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等與金剛石熱膨脹系數存在差異，使金剛石形成熱應力，造成金剛石斷裂。

(2) 釬料具有足夠的強度。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后，導致釬料對金剛石包埋程度減小，降低對金剛石機械結合力。為了使釬料對金剛石有足夠的把持力，應提高釬料對金剛石化學冶金結合力的同時提高釬料自身強度。

(3) 釬料與金剛石同步磨損。金剛石在磨損失效后，有部分釬料參與磨削，此時摩擦力會迅速増大并產生大量的磨削熱，嚴重時會燒傷工件表面。為此應適當降低釬料的耐磨性和硬度，使釬料能同步磨耗磨損;相反，在磨削過程中釬料會受到釬料金屬切屑的摩擦和沖擊，造成釬料磨損，釬料對金剛石的把選持力下降，金剛石過早脫落，因此應適當提高釬料的強度和耐磨性。NiCr合金雖能夠牢固的結合金剛石，提高足夠的把持強度，但是釬料硬度大，耐磨損，使金剛石和釬料不能同步磨損，造成金剛石根部不能繼續參與磨削。AgCuTi合金釬料硬度彳氐、合金的延展性能強，同時還能夠對金剛石有足夠的把持力，但是其價格高不利于制備低成本高性能的金剛石工具。CuSnTi合金釬料能很好滿足以上要求，所以確定選用CuSnTi合金釬料，粒度120目。

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(1) —方面添加Fe元素可以提高釬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，提高釬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基釬料與基體結合強度比Ni基釬料與基體結合強度低，一方面原因是Cu基釬料比Ni基釬料強度低，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釬料比Ni-Cr釬料與鋼基體的結合強度低一些。

目前，釬焊金剛石的釬料合金大多使用Ni—Cr、Ag—Cu和Cu—Sn三類合金。這三類釬料合金在使用過程中都存在一定的局限性。Fe基釬料有著優異的物理化學性能，如抗彎階強度、硬度等，在激光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。在常規釬焊工藝中，釬焊耗時過長，容易導致金剛石被Fe元素嚴重刻蝕，所以鮮少有關于Fe基釬料釬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，激光釬焊的工藝過程僅為10秒左右，釬焊時間極短，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，由于鐵對金剛石的熱刻蝕，反而增加了釬料合金對金剛石的把持力，金剛石的強度并未明顯降低。

因此，結合激光釬焊的特點，嘗試使用Fe基釬焊合金進行釬焊金剛石實驗，探索釬料聊焊接金剛石的可能性，得出了以下結論：

⑴ Fe基體釬料激光釬35/45目金剛石合適的工藝參數為：激光功元率140W,掃描速度0.30mm/s,負離焦量-14mm，既保證釬料充分熔化和在鋼基體上的均勻鋪展，同時金剛石焊后晶型完整且焊接質量良好。

(2) 在激光釬焊過程中，釬料中的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原子溶入釬料合金并在其中擴散，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于碳化物之間，反而加強了金剛石與釬料之間的連接。

(4) Fe基釬料激光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。

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