(1.鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；3.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；4.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001；5.河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南許昌461500)

龍偉民1高雅1何鵬2吳銘方3栗正新4王裕昌5

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釬焊技術(shù)在金剛石工具中的應(yīng)用

(1.鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；3.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003；4.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州450001；5.河南黃河旋風(fēng)股份有限公司，河南許昌461500)

龍偉民

龍偉民1高雅1何鵬2吳銘方3栗正新4王裕昌5

簡要介紹了金剛石工具、工具分類及其制造過程中用到的釬焊技術(shù)，分析了金剛石顆粒與基體的連接原理與形式，就金剛石工具行業(yè)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r評述了釬焊技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展，闡述了預(yù)合金粉末的擴(kuò)散釬焊現(xiàn)象及有益作用，探討了釬焊材料、釬焊工藝和釬焊設(shè)備的協(xié)同規(guī)律，提出了金剛石工具行業(yè)釬焊技術(shù)的發(fā)展方向，為國內(nèi)金剛石工具和焊接行業(yè)發(fā)展研究提供參考。

金剛石金剛石工具釬焊材料釬焊技術(shù)

1 金剛石工具及其分類

金剛石是集多種優(yōu)異性能于一身的功能材料，它是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的硬度最高的天然材料，它獨(dú)特的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)特性又強(qiáng)化了它在功能材料中的地位。金剛石分為天然金剛石和人造金剛石兩大類，其中人造金剛石又有單晶和聚晶之分，這三類金剛石均可用于制造金剛石工具。

近幾年，全球人造金剛石產(chǎn)量已達(dá)到150億克拉，中國的人造金剛石產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。中國的金剛石工具后發(fā)先至，近二十年得到了飛速發(fā)展，不僅產(chǎn)量居世界第一，而且發(fā)展了品種齊全的新型工具。

金剛石工具的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要用于石材加工、陶瓷改型、地質(zhì)鉆探、石油鉆井和礦業(yè)開采行業(yè)，在建筑、建材、機(jī)械加工、光學(xué)玻璃和珠寶加工及電子電器行業(yè)也有重要地位[1]?，F(xiàn)代制造業(yè)對金剛石工具的需求越來越多，高端裝備制造更是越來越依賴金剛石刀具的發(fā)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經(jīng)離不開金剛石工具[2]。根據(jù)用途，可將金剛石工具分為鋸切工具、磨拋工具、刀具、鉆探工具、拉絲模等。

金剛石鋸切工具按照形狀分為金剛石圓鋸片、金剛石排鋸、金剛石繩鋸、金剛石線鋸、金剛石內(nèi)孔鋸等[3]。金剛石圓鋸片是目前石材、建筑行業(yè)使用最普遍的鋸切工具，廣泛應(yīng)用于花崗巖、大理石、陶瓷、混凝土等制品的切割。在綠色制造大潮中，金剛石圓鋸片向多片組合鋸方向發(fā)展，組合鋸與排鋸是典型；排鋸是將幾十根金剛石鋸條并排安裝在鋸機(jī)的框架上，切割效率比通常使用的加砂大鋸高數(shù)倍，切出的板料截面光滑平整，可顯著減少磨拋工作量。金剛石繩鋸一般應(yīng)用于花崗巖、大理石礦山的荒料開采、鋼筋混凝土或金屬結(jié)構(gòu)件的切割，并逐步過渡到異形石材和板材的加工。金剛石線鋸能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和光伏電池切片加工，并在陶瓷、石英、木材等加工中顯示出獨(dú)特優(yōu)勢。

金剛石磨拋工具是指用結(jié)合劑將金剛石粘結(jié)成具有一定幾何形狀的磨具的總稱，金剛石磨具磨削光潔度高、工作效率高、加工成本低、產(chǎn)品的使用壽命長。常見的金剛石磨具有磨盤、磨塊、磨頭、磨碗、滾筒、滾輪、磨邊輪、銑磨輪、正切輪、珩磨輪、珩磨條、珩磨塊等等。

金剛石刀具的特點(diǎn)是硬度和耐磨性極高、彈性模量高、摩擦系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低、傳熱好，以及與有色金屬粘結(jié)性小等優(yōu)點(diǎn)。既可用于非金屬硬脆材料(如陶瓷、石墨、復(fù)合材料等)的加工，亦可用于韌性有色金屬材料(如銅合金、鋁合金等)的精密加工。金剛石刀具類型繁多，各種刀具的使用性能差別較大，其結(jié)構(gòu)、制備方法和應(yīng)用領(lǐng)域有較大區(qū)別。常見的金剛石刀具有金剛石車刀、金剛石銑刀、金剛石鏜刀、金剛石拉刀、金剛石鉆頭以及金剛石成形刀具。

金剛石鉆頭是先進(jìn)的鉆探工具，金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好、施工勞動(dòng)強(qiáng)度比較輕、鉆探成本低。金剛石鉆頭按用途主要分為石油鉆頭、煤炭鉆頭、地質(zhì)勘探鉆頭、工程勘探鉆頭、工程薄壁鉆頭、玻璃鉆頭、復(fù)合材料鉆頭等。

2 金剛石連接的形式

由于金剛石制造技術(shù)所限，單顆粒金剛石的尺度較小，金剛石常以細(xì)微顆粒甚至是微粉形態(tài)供應(yīng)，這為金剛石的使用帶來難題。由于金剛石只有依附于基體材料才能充分發(fā)揮其優(yōu)異性能，其與基體材料的連接成為應(yīng)用的關(guān)鍵。

金剛石與大多數(shù)金屬材料存在天然的“格格不入”之特性，物理性質(zhì)方面金剛石與其它材料物性不匹配，化學(xué)性質(zhì)方面冶金不相容，金剛石連接受到限制。

金剛石的工業(yè)應(yīng)用初期，機(jī)械鑲嵌是主要形式，比如金剛筆、玻璃刀等，這類工具要求使用大顆粒金剛石。

對于粒度不大的金剛石，機(jī)械鑲嵌幾乎不可能，電鍍鍍層固定鑲嵌應(yīng)運(yùn)而生。電鍍金剛石工具的一般流程如下：工具胎體加工 尺寸檢查 機(jī)械處理 除油 酸洗 絕緣處理 除銹 冷熱水洗 陽極腐蝕 冷熱水洗 電鍍 上金剛石 加厚鍍層 出槽清洗 除氫 檢驗(yàn) 成品工具。

電鍍金剛石的把持強(qiáng)度不高、金剛石出露高度較低，影響金剛石的切削力和鋒利度，釬焊金剛石工具彌補(bǔ)了這類缺陷[4]。釬焊金剛石工具又分為表鑲和孕鑲兩類，表鑲工具是將金剛石直接釬焊于基體表面，孕鑲工具是將金剛石與其他材料燒結(jié)成復(fù)合體。金剛石復(fù)合體的燒結(jié)過程實(shí)質(zhì)是金剛石與基體材料之間的擴(kuò)散釬焊過程。將金剛石與硬質(zhì)合金熱壓成為復(fù)合片(PDC)，金剛石連接即轉(zhuǎn)為硬質(zhì)合金的連接。

3 釬焊技術(shù)在金剛石工具中的呈現(xiàn)形式

金剛石胎體(俗稱刀頭)燒結(jié)過程中也是一個(gè)擴(kuò)散釬焊過程[5]。金剛石工具的釬焊分為單層金剛石工具釬焊、金剛石刀頭釬焊和PDC復(fù)合片釬焊三大類。

金剛石刀頭熱壓或冷壓燒結(jié)過程是典型的擴(kuò)散釬焊過程。在金剛石刀頭制作的初期，一般是采用低溫金屬粉的熔化擴(kuò)散釬焊高溫金屬粉，進(jìn)一步鑲嵌把持金剛石；隨著技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了含碳化物形成元素(鉻、鈦、釩、鉬等)的活性預(yù)合金粉末，通過活性預(yù)合金粉末與金剛石反應(yīng)形成碳化物實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散釬焊或釬焊連接，碳化物的形成緩慢，是預(yù)合金粉中的活性元素與金剛石中的碳元素相互擴(kuò)散遷移的過程，需要在一定溫度下保溫較長時(shí)間以實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散和反應(yīng)，因此熱壓燒結(jié)工藝更易實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)散[6]。

單層金剛石工具的釬焊一般采用活性釬料或鎳基釬料，通過強(qiáng)碳化物形成元素或合金，實(shí)現(xiàn)胎體材料與金剛石之間的化學(xué)冶金結(jié)合，提高了釬料層對金剛石的把持力[7]。單層釬焊法的工具中金剛石出露比例大又不易脫落，因此單層釬焊金剛石工具切割鋒利、排屑好。通過金剛石有序排列，不僅實(shí)現(xiàn)了工具表面金剛石層的合理排布，充分發(fā)揮金剛石的切割作用，而且使金剛石用量大大減少，降低工具成本，提高切削效率。

金剛石刀頭的釬焊有其獨(dú)特性，首先刀頭是粉末冶金制品，刀頭存在無數(shù)的毛細(xì)孔；其次刀頭是燒結(jié)制品，刀頭表面和內(nèi)部都存在氧化物；再次刀頭成分不盡相同，對釬焊材料和釬焊工藝的要求千差萬別。

由于PCD允許的加熱溫度受限制(一般耐熱溫度不高于720～780℃)，釬焊材料主要選用銀基釬料，而通用的銀基釬料耐熱溫度較低、對金剛石和碳化物的潤濕性差。目前已經(jīng)有專用的PDC工具釬焊材料，通過提高釬料高溫強(qiáng)度和疲勞性能并調(diào)控合理的釬焊工藝，可以滿足PDC釬焊的要求[8]。

4 金剛石胎體燒結(jié)過程中的擴(kuò)散釬焊

1930年后，開始利用粉末冶金原理制作金剛石圓鋸片，初期的工具主要由金剛石、高熔點(diǎn)骨架金屬粉、低熔點(diǎn)單質(zhì)金屬粉和填充材料燒結(jié)形成，其中低熔點(diǎn)金屬粉作為釬料使用。1960年后，金剛石工具迅速發(fā)展，越來越多的單位開始系統(tǒng)研究胎體粉末，尤其是預(yù)合金形式的粉狀釬料在金剛石工具中的擴(kuò)散釬焊作用得到越來越廣泛的關(guān)注。

在金剛石工具的使用過程中，大量金剛石由于胎體磨損而脫落流失，而非金剛石本身磨損失效，金剛石的利用率比較低。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的金剛石刀頭制造是靠胎體對金剛石的機(jī)械包鑲作用固定金剛石，由于金剛石與一般胎體金屬材料不潤濕，在使用過程中胎體被磨損到金剛石出露一定高度時(shí)，金剛石極易與金屬胎體剝離，大大降低了金剛石工具使用性能及壽命。提高胎體對金剛石包鑲能力是避免金剛石過早脫落最有效的技術(shù)措施，前期主要通過胎體粉末相變產(chǎn)生的機(jī)械擠壓包鑲作用提高把持力；近二十年，活性預(yù)合金粉末與金剛石化學(xué)冶金結(jié)合的研究持續(xù)升溫[9]。

在預(yù)合金粉末中添加鎳、鈦、鋯、釩、鉻、鉬、鎢等強(qiáng)碳化物形成元素，一方面可以提高合金對金剛石的浸潤性，通過燒結(jié)過程的擴(kuò)散釬焊作用提高胎體與金剛石之間的化學(xué)結(jié)合力，以增加金剛石在磨削過程中的出刃高度，提高切磨效率和金剛石的利用率；另一方面，預(yù)合金粉末作為粉狀釬料提高了金剛石刀頭的穩(wěn)定性和一致性。新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)粉末擴(kuò)散釬焊機(jī)理，對粉狀釬料進(jìn)行系統(tǒng)研究，研發(fā)了FBAg625，F(xiàn)BAg737，F(xiàn)BCu14，F(xiàn)BCu17，F(xiàn)BCu18，F(xiàn)BCu70，F(xiàn)BCu423等系列銀基和銅基粉狀釬料。

由于預(yù)合金粉末的熔化溫度范圍與金剛石刀頭燒結(jié)溫度相適應(yīng)，熱壓燒結(jié)過程就是擴(kuò)散釬焊過程，冷壓燒結(jié)過程是瞬間液相擴(kuò)散焊過程，無論熱壓還是冷壓工藝均可實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)元素在中溫環(huán)境下與金剛石潤濕反應(yīng)。

活性預(yù)合金粉末取代單質(zhì)金屬粉末用于孕鑲金剛石復(fù)合體的釬焊性燒結(jié)，破解了金剛石工具胎體金屬粉混合不均勻、低熔點(diǎn)元素易流失、高熔點(diǎn)活性元素作用弱、高蒸汽壓元素易揮發(fā)、組元結(jié)構(gòu)性偏聚、結(jié)合強(qiáng)度不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸。將基體對金剛石鑲嵌的機(jī)械把持作用連接優(yōu)化為鑲嵌/釬焊復(fù)合連接，提高了金剛石出刃高度和鋒利度，采用新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的預(yù)合金粉末制備的刀頭切割花崗巖時(shí)，切割速度可提高1.5～2倍，鋸片壽命延長1.2～1.6倍。

5 單層金剛石工具的釬焊

單層金剛石工具的直接釬焊，主要應(yīng)用于砂輪修整筆、測量量具、石材工具、寶石或玻璃雕刻工具和金剛石砂輪、金剛石磨輪、金剛石銼刀的制造[10]。釬焊工藝可實(shí)現(xiàn)金剛石、釬料和金屬基體的冶金結(jié)合，具有較高的連接強(qiáng)度，金剛石的出刃高度遠(yuǎn)大于電鍍工藝，因而釬焊單層金剛石工具鋒利、容屑空間大，使用過程中不易堵塞，金剛石磨粒的利用率高。

大多數(shù)釬料合金難以潤濕金剛石，且金剛石在高溫下容易被石墨化和氧化，受金剛石石墨化轉(zhuǎn)變溫度所限，即便在真空環(huán)境中金剛石釬焊溫度也不宜超過1 050℃[11]。釬焊金剛石可供選擇的釬料種類少，所選的釬料既要保證與金剛石有良好的潤濕，能與金剛石產(chǎn)生化學(xué)冶金結(jié)合作用；同時(shí)又要保證金剛石的鋒利度，釬料不能對金剛石有過度的侵蝕；此外，釬料的磨損性能還要與被加工材料相適應(yīng)，以保證金剛石最佳的出露高度和較長的使用壽命。

鈦、鋯、鉻、釩等碳化物形成元素，能很好地浸潤金剛石，但是它們的熔化溫度太高，在高溫下金剛石將嚴(yán)重石墨化；鈷、鐵、鋁在液態(tài)時(shí)能有效潤濕金剛石，但在可潤濕溫度區(qū)間對金剛石有劇烈的侵蝕作用[12]。目前常采用兩種工藝來提高釬料對金剛石的潤濕性及減少金剛石的熱損傷，一種是在常規(guī)合金釬料中添加某些活性元素以改善對金剛石的潤濕性和親和力；另一種方法是在金剛石表面鍍覆金屬，在采用高熔點(diǎn)釬料釬焊時(shí)，表面金屬可有效保護(hù)金剛石減少其熱損傷，同時(shí)改善了釬料對金剛石表面的潤濕性。

在常規(guī)合金釬料中加入活化元素形成新釬料有兩大類，銅基和銀基系列有Ag-Cu合金釬料[13-14]、Cu-Sn合金釬料[15]和Ni-Cr合金釬料[16-17]。采用Ag-Cu，Cu-Sn低熔點(diǎn)合金釬料，主要是考慮減少金剛石的熱損傷，但是釬焊后的工具強(qiáng)度低，難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力磨削。采用Ni-Cr合金釬焊的金剛石工具，具有良好的耐磨削性能和耐高溫性能。

釬焊單晶或單層金剛石工具工藝方法有[18-19]：真空爐中釬焊、激光釬焊和氣保護(hù)高頻感應(yīng)釬焊。真空爐中釬焊生產(chǎn)效率高，而且加熱均勻，可以焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的工件；激光釬焊是利用激光束作為焊接熱源，焊接時(shí)工件局部受熱快，金剛石在高溫狀態(tài)下的停留時(shí)間短，可有效避免金剛石發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變；氣保護(hù)高頻感應(yīng)釬焊利用高頻感應(yīng)，同時(shí)對基體和釬料合金進(jìn)行加熱，加熱溫度高，加熱速度快，溫度容易控制，可以局部加熱，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

6 金剛石刀頭與基體的釬焊

金剛石刀頭與基體常以釬焊方式連接制造成金剛石工具，日常見到的各類鋸、切、磨、鉆工具均以釬焊連接為主。這類工具形式多種多樣，但連接接頭有其共性，即粉末冶金制造的多孔復(fù)雜復(fù)合體與合金鋼的釬焊[20]。

金剛石工具工作條件比較惡劣，其一般在高速、振動(dòng)、高溫環(huán)境下使用，因此金剛石刀頭的釬焊難度較大。為提高金剛石工具的工作效率，對其切削速度和進(jìn)刀量的要求也不斷提高，這就要求金剛石工具具有更高的釬縫強(qiáng)度。在提高釬縫強(qiáng)度的技術(shù)途徑中，釬焊材料與釬焊工藝互為依托、互相促進(jìn)；在提高釬焊效率的技術(shù)途徑中，釬焊工藝與釬焊設(shè)備互為支撐、互相促進(jìn)。

釬料的熔化溫度與刀頭的燒結(jié)密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)燒結(jié)溫度選擇釬料熔化溫度；釬料的強(qiáng)度選擇應(yīng)參照工具的使用條件。金剛石刀頭與基體釬焊時(shí)釬焊材料應(yīng)該滿足下列條件：釬料熔化溫度應(yīng)在850℃以下，并且越低越好；釬料對金剛石刀頭胎體材料和工具基體具有良好的潤濕性和適中的流鋪性；釬料還應(yīng)具有良好的疲勞性能和穩(wěn)定性，能承受300～400℃的瞬時(shí)高溫；釬焊工藝操作簡便，可采用通用的感應(yīng)釬焊或火焰釬焊。

釬焊工藝對金剛石工具釬焊接頭的力學(xué)性能影響因素主要有焊片厚度、焊前處理、加熱時(shí)間、加熱速度、保溫時(shí)間、焊后處理等。這些因素決定了潤濕狀況、氣孔率、夾雜率、釬縫厚度和釬焊熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力等。

焊片厚度影響接頭釬縫厚度，從而影響釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)研究表明：采用相同釬料成分和釬焊工藝釬焊金剛石工具時(shí)，釬縫厚度在0.20～ 0.28 mm之間時(shí)，釬縫的綜合性能較好(復(fù)焊時(shí)釬料厚度可以降到0.15 mm)。當(dāng)釬縫厚度較小時(shí)，釬料對刀頭和工具基體的結(jié)合面潤濕不充分，導(dǎo)致釬著率不高，釬縫強(qiáng)度較低；同時(shí)，釬焊過程中刀頭中的錫、鉛、鋁、鐵、鎢、鈦等元素向焊縫擴(kuò)散、溶解，促使釬縫組織脆化，降低接頭強(qiáng)度。當(dāng)釬縫厚度過大時(shí)釬縫中容易產(chǎn)生氣孔，減小有效釬接面積，降低抗剪強(qiáng)度。

釬縫的形成與整個(gè)加熱過程密切相關(guān)，加熱速度、釬焊溫度、保溫時(shí)間、冷卻速度等因素會(huì)影響潤濕性和釬焊接頭的氣孔率，從而改變接頭的力學(xué)性能。生產(chǎn)過程中，常為提高工作效率而使用較高的加熱速度，加熱速度過高會(huì)造成接頭具有較大的殘余應(yīng)力，影響焊縫力學(xué)性能。由于金剛石刀頭中各組元的線膨脹系數(shù)有較大差異，例如碳化鎢、鎢、鉻的線膨脹系數(shù)小，而鋅、鉛、錫、錳、鈷等元素的線膨脹系數(shù)大，各組元受熱后產(chǎn)生的形變不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。但過低的加熱速度不僅造成生產(chǎn)效率低下，同時(shí)也加劇釬縫金屬的氧化，對金剛石工具接頭產(chǎn)生不良影響。解決加熱速度的難題可采用兩級加熱工藝，先將工件加熱到400～500℃，保溫一定時(shí)間再繼續(xù)升溫焊接。釬焊溫度對接頭力學(xué)性能具有一定的影響，當(dāng)釬焊溫度過高時(shí)，釬料中的鋅元素蒸發(fā)造成氣孔，同時(shí)釬料易氧化產(chǎn)生夾渣導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低；釬焊溫度過低時(shí)，釬料的流動(dòng)性差，易產(chǎn)生夾渣、造成假焊，也使接頭強(qiáng)度降低。

釬焊過程中高頻振動(dòng)可以提高釬著率、消減殘余熱應(yīng)力。導(dǎo)磁體驅(qū)流技術(shù)[19]可以提高能效、降低能耗，并提高工作效率。

釬焊的前、后處理對釬焊質(zhì)量具有重要影響。焊前需對釬焊表面進(jìn)行修磨去除氧化層，要求修磨后的刀頭和基體配合部分縫隙均勻，常用的清除表面氧化層的方法有磨光機(jī)磨削、修銼和噴砂等。焊后的金剛石工具應(yīng)采取緩冷或保溫措施，盡量降低焊后冷卻速度，有利于減小焊后熱應(yīng)力，生產(chǎn)中較經(jīng)濟(jì)的辦法是用石棉保溫。焊后工件表面通常殘留有大量氧化渣和釬劑，應(yīng)采用噴砂等方式將其清理干凈以避免釬劑對工件的腐蝕。工件清理完畢，需檢查釬縫的焊接質(zhì)量，焊接質(zhì)量較好的釬縫表面平滑、光潔、呈弧狀，且無明顯氣孔和裂紋。

7 金剛石復(fù)合片的釬焊

聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact，簡稱PDC復(fù)合片)是由金剛石微粉與粘結(jié)劑在高溫高壓條件下和硬質(zhì)合金燒結(jié)復(fù)合而成的復(fù)合晶體。PDC復(fù)合片具有高耐磨性、高彈性模量、高硬度、各向同性和相對高的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，PDC工具已經(jīng)成為石油鉆采鉆具、煤炭開采鉆頭、高速高精機(jī)械切削刀具等高端工具的首選材料。釬焊是PDC工具制造的關(guān)鍵工序之一，PDC的廣泛應(yīng)用給釬焊技術(shù)提出了更高的技術(shù)要求。

PDC刀具釬焊的本質(zhì)是硬質(zhì)合金與刀具鋼體的釬焊，由于硬質(zhì)合金和刀具鋼體均具有較好的釬焊性能，PDC刀具在釬料及釬焊工藝方面具有較寬的選擇范圍，釬料可采用銀基釬料或銅基釬料，工藝可采用感應(yīng)加熱、火焰加熱等方法，高頻感應(yīng)釬焊憑借其環(huán)境污染小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)成為目前世界各國主要采用的PDC工具釬焊方法。

由于PDC工具的高精度和高強(qiáng)度特點(diǎn)，釬焊精度、釬縫強(qiáng)度和釬縫質(zhì)量成為技術(shù)關(guān)鍵。PDC工具的失效形式主要有三類：PDC復(fù)合片從工具基體上脫落；復(fù)合片本身崩裂；工具基體的損壞。針對三類失效形式，通過優(yōu)化的釬焊材料和適宜的釬焊工藝保障PDC工具的質(zhì)量。

目前已經(jīng)有商品化的PDC專用釬料，這類釬料的共性特點(diǎn)就是含銀量較高，并含有鎳、錳、鈷等元素，對硬質(zhì)合金的潤濕性好，釬焊強(qiáng)度高，固液相溫度差一般控制在50～80℃。

為解決復(fù)合片脫落問題，工程技術(shù)人員致力于提高釬焊材料性能的研究，比如更換強(qiáng)度更高的BAg40CuZnNi，BAg45CuZn，BAg50CuZn等釬料。但是，卻忽略了釬焊工藝。由于PDC復(fù)合片的“嬌脆”缺陷，選用熔化溫度過高的釬焊材料和釬焊工藝將導(dǎo)致復(fù)合片出現(xiàn)裂紋、崩刃、崩裂、掉塊等現(xiàn)象。研究表明：高品質(zhì)的PDC允許的釬焊溫度不超過780～800℃，一般質(zhì)量的PDC允許的釬焊溫度不超過750℃。

8 金剛石工具釬焊設(shè)備與工藝

由于金剛石工具種類繁多、形式各異，由此派生的釬焊工藝及釬焊設(shè)備更是不勝枚舉，火焰釬焊、鹽浴釬焊、感應(yīng)釬焊、電阻釬焊、爐中釬焊、真空釬焊、激光釬焊同臺競技，目前主流工藝以感應(yīng)釬焊和真空釬焊為主[21-22]。

火焰釬焊是很早發(fā)展的一種釬焊方法，所需的設(shè)備簡單輕便，燃?xì)鈦碓磸V泛，工藝成本低廉，但其加熱溫度不易控制，逐漸被主流市場淘汰。

鹽浴釬焊加熱速度快且均勻，釬焊效率高，釬焊時(shí)基體金屬不易變形，適合大批量生產(chǎn)。然而，鹽浴釬焊焊后工件上殘留大量的釬劑，焊后清洗產(chǎn)生大量廢水且污染環(huán)境，此外，鹽浴釬焊的設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長，更重要的是綠色制造浪潮正淘汰金剛石工具的浸漬釬焊。

高頻感應(yīng)釬焊加熱速度快、釬焊效率高；操作簡便、勞動(dòng)強(qiáng)度低；可釬焊各種形狀復(fù)雜和多齒工件；采用自動(dòng)送料、氣氛保護(hù)或真空感應(yīng)釬焊時(shí)，接頭具有很好的外觀和釬焊質(zhì)量。該方法不僅在一次焊接時(shí)生產(chǎn)成本低，而且基體可以復(fù)焊而重復(fù)利用。隨著金剛石工具制造人力成本的增加和對金剛石工具釬焊質(zhì)量穩(wěn)定性要求的提高，自動(dòng)感應(yīng)釬焊工藝逐漸成為焊接金剛石鋸切工具的主要方法，金剛石工具自動(dòng)感應(yīng)釬焊能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)分齒、自動(dòng)識別拾取刀頭、自動(dòng)送焊片，具有焊接精度高、釬焊接頭牢固、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，一人可操作多臺機(jī)器，極大地降低了人工成本。

電阻釬焊常用于珩磨條釬焊，其焊縫質(zhì)量好；但由于刀頭整體溫度較高，影響金剛石的使用壽命，目前有少數(shù)企業(yè)采用這種工藝。

爐中釬焊(連續(xù)氣氛保護(hù)爐釬焊)主要用于小鋸片和異型金剛石工具生產(chǎn)，一般采用分解氨生成的氫氣和氮?dú)庾鳛檫€原氣體，加熱速度緩慢而溫度均勻，釬焊接頭美觀，質(zhì)量可靠，工件表面光亮，生產(chǎn)效率高，焊接成本低，適合批量化生產(chǎn)。

真空釬焊一般采用電阻爐輻射加熱，生產(chǎn)效率高，而且加熱均勻可以焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的金剛石工具。目前，真空釬焊單層金剛石工具廣泛應(yīng)用在休整工具、磨輪、石材工具、玻璃工具的制造，真空釬焊多層金剛石工具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

近幾年，激光釬焊方法逐漸應(yīng)用于制造單層金剛石工具[23]。激光釬焊時(shí)工件局部受熱快，焊接過程中金剛石在高溫狀態(tài)下停留的時(shí)間短，可有效避免金剛石發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變；同時(shí)激光釬焊工藝上還可以實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒的有序排列，加熱效率高，溫度控制精準(zhǔn)，可進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工，自動(dòng)化程度高，作業(yè)環(huán)境好。采用激光釬焊法焊接大尺寸及異型復(fù)雜工件，還能避免高頻感應(yīng)釬焊的鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)。

9 金剛石工具釬焊的發(fā)展趨勢

金剛石工具的釬焊已經(jīng)形成了一門專業(yè)化的工種，每年消耗釬焊材料近千噸，國內(nèi)從業(yè)人數(shù)有數(shù)萬之眾，行業(yè)發(fā)展百花齊放，能形成共識的發(fā)展趨勢有以下五點(diǎn)：自動(dòng)化、綠色化、工藝復(fù)合化、優(yōu)質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)化。

自動(dòng)化和綠色化是中國制造2025的基本理念和重要工程，金剛石工具行業(yè)的人力成本日趨高漲，甚至危及到行業(yè)發(fā)展，自動(dòng)化釬焊是行業(yè)共同需求。但凡是有較大批量的產(chǎn)品無不向自動(dòng)化釬焊發(fā)展，目前鋸片自動(dòng)化釬焊日臻成熟，其他產(chǎn)品的自動(dòng)化釬焊設(shè)備呼之欲出。

綠色化的內(nèi)涵包括了減少排放、節(jié)省材料、提高能效和降低能耗，金剛石工具釬焊在減材、節(jié)能方面發(fā)展迅速，但在采用無鎘釬料、藥芯釬料和減少釬劑用量方面發(fā)展緩慢。金剛石工具(如鉆頭、截齒、鋸片、刀具等)屬于耗散型產(chǎn)品，其中的釬料會(huì)隨工具的正常工作而損耗，釬料中的鉛、鎘等元素會(huì)散落到空氣、土壤和水中，污染環(huán)境，部分被攝入人體，損害人體健康。

復(fù)合釬焊工藝包括：火焰-感應(yīng)、感應(yīng)-爐焊、爐焊-感應(yīng)-火焰等多種釬焊方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、大尺寸工具快速全位置釬焊，縮短釬焊時(shí)間，提高工具耐用度和可靠性，延長工具使用壽命。

優(yōu)質(zhì)化要求釬焊接頭具有更長的疲勞壽命，而釬縫中的缺欠是影響疲勞壽命的主要因素，因此隨著超硬工具壽命的延長，要求不斷減少釬縫中的缺欠，提升釬焊接頭的質(zhì)量。在釬焊材料與工藝適當(dāng)?shù)那闆r下，釬料潔凈度是影響缺欠形成的重要因素。

經(jīng)濟(jì)性是制造業(yè)的永遠(yuǎn)需求，低銀釬料、銅基釬料、復(fù)合釬焊和預(yù)制釬料是節(jié)省釬料成本的主要方向；高效釬焊工藝和高可靠釬焊技術(shù)是降低釬焊成本的另一條途徑。

10 結(jié)論

(1)金剛石工具種類繁雜，釬焊技術(shù)是各種工具制造中的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)釬焊技術(shù)在金剛石工具制造中主要有四類應(yīng)用，刀頭燒結(jié)中的擴(kuò)散釬焊、刀頭的釬焊、單層金剛石工具釬焊和PDC工具釬焊。

(3)預(yù)合金粉末是提高金剛石刀頭綜合性能的有效途徑，活性預(yù)合金粉末可以協(xié)同提高金剛石工具的鋒利度和使用壽命。

(4)金剛石刀頭釬焊的技術(shù)關(guān)鍵是個(gè)性化釬料和高效釬焊工藝，PDC工具釬焊的技術(shù)關(guān)鍵是高品質(zhì)釬料，單層金剛石工具釬焊的技術(shù)關(guān)鍵是裝備和釬料。

(5)金剛石工具的釬焊向自動(dòng)化、綠色化、工藝復(fù)合化、優(yōu)質(zhì)化、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。

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2017-02-16

國家國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2015DFA50470)

龍偉民，博士生導(dǎo)師，研究員，中原學(xué)者，新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，河南省焊接學(xué)會(huì)副理事長兼秘書長。主要從事焊接材料、工藝與設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。先后主持完成國家973、863、科技支撐、重大科技專項(xiàng)、國際科技合作、省市重大科技專項(xiàng)等科研項(xiàng)目40余項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文280余篇，主編專著8部、參編6部，制修訂國家標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利49件；作為第一完成人獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)5項(xiàng)、中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)2項(xiàng)。

TG454