管海軍, 肖 冰, 高先哲, 肖 博, 劉思幸

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京210016)

釬焊金剛石鉆頭由于把持力強(qiáng)、出露高度高，在鉆削硬脆材料時(shí)顯示出優(yōu)異的加工性能[1]。但無鍍層金剛石會(huì)在釬焊中產(chǎn)生一定的熱損傷，從而使制作的鉆頭使用性能受到影響[2-3]。為了提高釬焊金剛石鉆頭的鉆進(jìn)性能，選用鍍鈦金剛石為磨粒，利用鍍層來保護(hù)金剛石，降低其熱損傷程度。金剛石表面鍍鈦之后，會(huì)對其釬焊性能產(chǎn)生較大的影響，需要選擇合適的釬料來釬焊鍍鈦金剛石。Ni-Cr、Cu-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti系合金是最為常用的釬料，但Ag-Cu-Ti釬料由于在高溫下易軟化，在重負(fù)荷工作條件下易磨耗，且該釬料中銀含量較高，成本偏高，使用受到一定的限制。因此，我們嘗試分別使用Ni-Cr和Cu-Sn-Ti等2種合金釬料制作釬焊鍍鈦金剛石鉆頭，以期獲得較好的鉆進(jìn)性能。

1 試驗(yàn)條件與過程

1.1 試驗(yàn)材料和條件

試驗(yàn)選用中南鉆石有限公司生產(chǎn)的ZND2190和ZND2190-Ti(鍍鈦)系列金剛石，粒度均為40/45；基體材料為45#鋼，釬焊前超聲清洗表面并烘干；釬料選用Ni-Cr和Cu-Sn-Ti系合金；釬焊設(shè)備為高溫真空釬焊爐。對Ni-Cr釬料，釬焊溫度選用1050 ℃，而對Cu-Sn-Ti釬料，釬焊溫度選用960 ℃。保溫時(shí)間均為15 min，冷卻方式為隨爐冷卻。鉆進(jìn)平臺(tái)自行搭建，鉆機(jī)功率650 W，額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，恒壓進(jìn)給。鉆進(jìn)對象為冠軍牌?；u，型號為P60125。Ni-Cr釬料常用來干鉆，試驗(yàn)時(shí)在其所制鉆頭內(nèi)孔中加入石蠟并進(jìn)行干鉆試驗(yàn)。Cu-Sn-Ti釬料由于其熔點(diǎn)低，易軟化，不適合干鉆，因此對其所制鉆頭采用水冷方式進(jìn)行濕鉆。

1.2 試驗(yàn)過程

對同種釬料釬焊的鍍鈦金剛石和無鍍層金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)，驗(yàn)證金剛石鍍鈦后是否可以提高釬焊金剛石鉆頭的壽命和效率，并對其機(jī)理進(jìn)行分析。圖1是制作的釬焊金剛石鉆頭頭部示意圖與鉆頭實(shí)物圖。

(a)鉆頭頭部示意圖

(b)實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)分析方法

每種鉆頭制作5支，對?；u進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)間過長，鉆進(jìn)困難時(shí)認(rèn)為鉆頭失效，記錄鉆孔數(shù)和每個(gè)孔的鉆進(jìn)用時(shí)，測量值取多次測量平均值；用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀對鍍鈦金剛石鍍層物相進(jìn)行分析；用GENESIS 2000 XMS60型能譜儀對鍍鈦金剛石釬焊界面進(jìn)行線掃分析，觀察元素之間的擴(kuò)散情況；用Renishaw Invia型拉曼光譜儀對鉆進(jìn)后金剛石表面石墨化情況進(jìn)行檢測，分析鍍鈦層對金剛石的保護(hù)作用。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 4種釬焊鉆頭的鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果

圖2是Ni-Cr釬料制作的2種鉆頭的鉆孔數(shù)據(jù)對比圖。結(jié)果顯示：使用Ni-Cr釬料制作的無鍍層金剛石鉆頭平均鉆進(jìn)36個(gè)孔，而鍍鈦金剛石鉆頭平均只能鉆進(jìn)21個(gè)孔，平均鉆進(jìn)壽命下降了41.7%，說明Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦金剛石效果差，不適合用于鍍鈦金剛石的釬焊。

圖3是Cu-Sn-Ti釬料制作的2種鉆頭的鉆孔數(shù)據(jù)對比圖。由圖3可知：Cu-Sn-Ti釬料制作的無鍍層金剛石鉆頭平均打孔數(shù)為49個(gè)，鍍鈦金剛石鉆頭平均打孔數(shù)為47個(gè)，兩者平均壽命相當(dāng)。說明Cu-Sn-Ti

圖2 Ni-Cr釬料制作的鉆頭鉆孔數(shù)據(jù)對比圖

釬料對鍍鈦金剛石也可以實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，適合用于鍍鈦金剛石的釬焊。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對Cu-Sn-Ti釬料而言，其制作的鍍鈦金剛石鉆頭加工單個(gè)孔所用的時(shí)間要小于無鍍層金剛石鉆頭，說明鍍鈦金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效率更高。

圖3 Cu-Sn-Ti釬料制作的鉆頭鉆孔數(shù)據(jù)對比圖

2.2 Ni-Cr釬料與鍍鈦金剛石結(jié)合界面分析

圖4是鍍鈦金剛石X射線衍射譜。圖4中同時(shí)存在C(金剛石)、TiC和Ti 3種衍射峰。TiC衍射峰的存在，說明鈦與金剛石鍍覆時(shí)已發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金剛石表面形成TiC層。Ti衍射峰的存在，說明金剛石表層依然存在少量未反應(yīng)的Ti。

圖4 鍍鈦金剛石X射線衍射譜

圖5是Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦金剛石界面形貌及線掃圖。圖5中，在金剛石界面處C、Cr、Ni元素的質(zhì)量濃度均緩慢過渡，說明鍍鈦金剛石與Ni-Cr釬料之間存在明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，形成了化學(xué)鍵結(jié)合。

(a)形貌圖(b)線掃圖圖5 Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦金剛石界面線掃圖

用王水對Ni-Cr釬料釬焊的2種金剛石磨粒進(jìn)行腐蝕，所得磨粒形貌如圖6所示。圖6中金剛石表面均有生成物產(chǎn)生，無鍍層金剛石表面的生成物致密完整，但鍍鈦金剛石表面的生成物雜亂稀疏且不完整。

(a)無鍍層(b)鍍鈦圖6 腐蝕后金剛石形貌圖

對圖6中金剛石表面的生成物局部放大，得到圖7的金剛石表面碳化物形貌圖。圖7中2種金剛石表面生成物均呈棱柱狀和片狀。由文獻(xiàn)[4]可知，棱柱狀生成物為Cr7C3化合物，片狀生成物為Cr3C2化合物。從磨粒表層的碳化物整體分布來看，無鍍層金剛石表面以片狀碳化物為主，而鍍鈦金剛石表面以棱柱狀碳化物為主。

(a)無鍍層(b)鍍鈦圖7 金剛石表面生成的碳化物形貌

綜上所述，Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦金剛石，金剛石界面處存在元素?cái)U(kuò)散，形成化學(xué)鍵結(jié)合；但由于鍍層的阻擋，減緩了碳原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致鍍鈦金剛石表面主要生成了含碳量相對較少的Cr7C3。無鍍層金剛石表面的生成物致密完整，有利于釬料的爬升，界面結(jié)合強(qiáng)度高；而鍍鈦金剛石表面的生成物雜亂稀疏且不完整，導(dǎo)致釬料對鍍鈦金剛石的把持力低，易脫落，最終導(dǎo)致其制作的鉆頭壽命下降明顯。

2.3 Cu-Sn-Ti釬料與鍍鈦金剛石結(jié)合界面分析

圖8是Cu-Sn-Ti釬料釬焊鍍鈦金剛石界面形貌及線掃描圖。圖8a中鍍層沒有出現(xiàn)有關(guān)文獻(xiàn)[5]中提到的開裂現(xiàn)象，說明鍍層與金剛石結(jié)合牢固。圖8b中，在金剛石界面處C、Sn、Ti、Cu元素的質(zhì)量濃度均呈緩慢的過渡變化，說明鍍鈦金剛石與Cu-Sn-Ti釬料之間存在明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，形成了化學(xué)鍵結(jié)合。

(a)形貌圖(b)線掃描圖圖8 Cu-Sn-Ti釬料釬焊鍍鈦金剛石界面形貌及線掃描圖

對Cu-Sn-Ti釬料釬焊的鍍鈦金剛石進(jìn)行電解腐蝕，對其表面殘留的生成物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖9所示。圖9所示生成物由Ti、C等2種元素組成，說明鍍鈦金剛石釬焊界面處的生成物為TiC，這與無鍍層金剛石釬焊界面處生成的物質(zhì)[6]一致。

圖9 Cu-Sn-Ti釬料釬焊鍍鈦金剛石表面生成物能譜圖

綜合起來，Cu-Sn-Ti釬料釬焊鍍鈦金剛石，金剛石界面處存在元素?cái)U(kuò)散，形成化學(xué)鍵結(jié)合，且與釬焊無鍍層金剛石相同，生成物均為TiC。有資料顯示[7]，Cu-Sn-Ti釬料中的Ti能夠有效降低Cu和Sn對TiC的潤濕角，這就提高了該釬料對鍍鈦金剛石的潤濕性，增加了結(jié)合強(qiáng)度，因而鍍鈦層的存在對Cu-Sn-Ti釬料的影響較小，制作的鉆頭平均壽命相似。

2.4 鍍鈦金剛石表面石墨化分析

釬焊金剛石在鉆進(jìn)玻化磚時(shí)，加工溫度較高，金剛石容易石墨化[8]，石墨化后的金剛石刃口容易鈍化，降低鉆進(jìn)效率，因此降低金剛石石墨化程度是提高其鉆進(jìn)效率的措施之一。對Cu-Sn-Ti釬料釬焊的2種金剛石鉆頭加工25個(gè)孔后的磨粒進(jìn)行石墨化分析，圖10給出了2種金剛石磨粒拉曼光譜圖。

已知金剛石的拉曼峰位于1332 cm-1附近，而石墨的拉曼峰位于1580 cm-1附近。從圖10可知：無鍍層金剛石拉曼光譜中石墨峰較高，說明其表面發(fā)生了石墨化現(xiàn)象，金剛石切削刃口容易磨平而鈍化，導(dǎo)致其加工效率逐漸下降；鍍鈦金剛石拉曼譜中石墨峰很低，說明鍍鈦金剛石由于鍍層的保護(hù)，內(nèi)部金剛石不易石墨化，磨粒的刃口保持鋒利的時(shí)間長，加工效率更高。

(a)無鍍層

(b)鍍鈦

3 結(jié)論

(1)Ni-Cr釬料釬焊鍍鈦金剛石后，表面生成了稀疏雜亂且不完整的碳化物層，導(dǎo)致釬料對鍍鈦金剛石的把持力低，易脫落。制作的釬焊金剛石鉆頭平均壽命下降了41.7% ，不適合制作鍍鈦金剛石鉆頭。

(2)Cu-Sn-Ti釬料釬焊制作鍍鈦金剛石鉆頭與無鍍層金剛石鉆頭相比較，鍍鈦層的存在對Cu-Sn-Ti釬料影響較?。?種金剛石表面生成物同為TiC，2種鉆頭鉆進(jìn)平均壽命相當(dāng)。

(3)由于鍍鈦金剛石存在鍍層保護(hù)，內(nèi)部金剛石不易發(fā)生石墨化，金剛石刃口可較長時(shí)間保持鋒利，因此用Cu-Sn-Ti釬料釬焊制作的鍍鈦金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率高于無鍍層金剛石鉆頭。

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