钎焊金刚石工具性能影响因素研究王丽卿，吴占海，郭佳（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳110850）1引言钎焊金刚石工具采用金刚石表面金属化技术，以活性钎料或镍料焊接金刚石，通过强碳化物形成元素或合金，使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合，提高了金刚石的把持力；另外，与电镀金刚石工具凸出1/3相比，钎焊金刚石工具可凸出2/3，不易脱落，切削锋利，排屑较好，充分利用了金刚石作为工具材料的优异性能，既能节省金刚石材料用量，降低工具成本，又提高切削效率［1，2］。
因此，研究影响钎焊金刚石工具性能因素非常必要。
2不同钎焊料对工具性能影响金刚石工具的焊接强度主要取决于钎焊料合金对金刚石与金属基体的结合性能和钎焊工艺。
根据元素与金刚石的结合原理，研究了组成钎焊料的低熔点连接元素（Ag、Cu、Zn、Sn）、强碳化物形成元素（Ti、Cr、W）和高强度连接元素（Ni、Co、Mn、Si、B）在金刚石钎焊中的作用，进而配制适合焊接不同钎焊条件的金刚石颗粒的钎料合金［9］。
钎料合金的不同配置与配比，对钎焊金刚石工具的性能有着很大的影响，对几种不同类型的钎焊料进行研究，如表1。
表1表明：金刚石焊料的选择对工具的性能有很大影响，针对具体金刚石工具应用条件状况，对于焊料的选择是不同的，对焊料的整体应用选择的原则为［1，2］：①钎料对金刚石应有良好的润湿性，较低的润湿角；②钎料与金刚石形成有效的冶金化学结合，具有良好的把持力；③钎料有很好的爬升能力，使金刚石有足够的凸出高度和良好的容屑能力；④钎料有良好的铺展性；⑤钎料有较低的熔点，以降低钎焊温度，防止金刚石石墨化或氧化；⑥钎料有较低的成本，进而降低钎焊工具成本。
3钎焊气氛对其性能影响金刚石钎焊的温度较高，在空气中，能使金刚石工具石墨化与氧化，影响金刚石工具的使用性能。
因此，通常在真空焊接或Ar气保护状态下钎焊金刚石工具［13，15］。
南京航空航天大学陈燕等研究了钎焊气氛对金刚摘要：钎焊金刚石工具的性能直接影响被加工工件的加工质量及工具寿命。
通过对钎焊金刚石不同钎料、钎焊气氛、钎焊金刚石界面结构与微观形貌的研究，得出不同钎料和钎焊气氛对钎焊金刚石工具的作用实质为产生了不同的钎焊金刚石界面结构与微观形貌。
钎焊金刚石界面结构与微观形貌是影响金刚石工具性能直接原因。
关键词：钎焊金刚石工具；钎焊料；钎焊气氛；界面结构；微观形貌中图分类号：T G454文献标识码：A文章编号：1002－2333（2010）07－0042－04Study on Impact on the Performance Factors of Brazed Diamond ToolsWANG Li-qing,WU Zhan-hai,GUO Jia（AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang110850,China）Abstract：The performance of brazed diamond tools is directly affect the quality of machining workpiece and the tool life.It is researched by this paper that the different diamond brazing materials,different brazing atmosphere,different brazing diamond interface structure and morphology.Studies have shown that different brazing materials and different atmosphere on the role of brazing diamond tools in real terms to generate a different brazing diamond interface structure and micro-morphology.It is directly reason that brazed diamond interface structure and micro-morphology to affect the performance of diamond tool.Key words：brazed diamond tools;materials for vacuum brazin;brazing atmosphere;interface structure;micro-morphology表1几种不同钎焊料的优缺点类型Ni-Cr合金钎料［3，10］Ag-Cu-Cr合金钎料［3，11］Ag-Cu-Ti合金钎料［12，13］CuMn基含Ti预合金钎料［14］优点Ni具有优良的耐腐蚀性和耐氧化性；Cr与金刚石中的C反应生成Cr7C3，此钎焊料结合强度高，可以获得较高的把持力。
钎料中的Cr与金刚石中C生成CrC，与钢基体形成（Fe x Cr y）C，具有较好的把持力与结合强度。
金刚石表面生成TiC，钎料能与金刚石实现高强度连接，钎焊温度较低，对金刚石无热损伤。
预合金胎体中的Ti原子与金刚石表层的C原子反应生成TiC，提高金刚石的把持力。
缺点800℃时易产生石墨化转变，而钎焊温度高达1080℃,造成金刚石热损伤。
钎焊温度低于800℃，相反会使金刚石石墨化和氧化；温度过低造成能源浪费。
Ag-Cu-Ti钎料制备表明：限于薄带状使用；Ag含量较高，成本大。
控制TiC层不能太厚且不能连续分布于金刚石表面，否则会产生裂纹，使金刚石颗粒脱落。
位置点Ti/%112.310222.236327.866表3不同位置Ti 元素的成分含量（1-3点渐近金刚石表面）石工具磨耗特性［16］表明，在试验条件完全相同的条件下，不同的钎焊气氛下的金刚石工具磨耗特性不同。
经Ar 气体保护钎焊的金刚石工具的磨损状态变化过程表现为：完整-磨耗平台-局部破碎-整体破碎；经真空焊接金刚石的磨损状态表现为：完整-局部破碎-整体破碎。
因此，金刚石磨粒的磨耗特性与其制作所处的钎焊气氛有密切相关。
文献［16］在相同的工况下，分别应用Ar 气保护炉中与真空中钎焊金刚石套料钻，进行试验磨损形貌分析，如表2。
形貌图分析结果表明：Ar 气保护炉中钎焊套料钻的钻进深度为8.0m 时，真空钎焊套料钻的钻进深度为2.0m 时，分别失去钻削能力。
所以Ar 气保护炉中钎焊套料钻的使用寿命是真空钎焊套料钻的使用寿命的4倍。
因此，钎焊气氛对金刚石工具的影响不可忽视。
4钎焊金刚石界面结构与微观形貌对工具性能的影响钎焊金刚石界面结构与微观形貌的形成影响因素很多，主要因素为钎料与工艺（包括钎焊气氛）不同。
钎料合金常用的主要有Ni-Cr ，Ag-Cu ，Cu-Sn 等体系的合金。
其中Ni-Cr 合金中的Cr 是强碳化物形成元素，可以和金刚石反应生成一系列的碳化物，如Cr 3C 2、Cr 7C 3、Cr 23C 6等［17］；Ag-Cu 与Cu-Sn 合金中通常也需要加入一定量的Ti 或Cr 元素，可以在钎焊中与金刚石形成TiC 或Cr 的碳化物［9，18-20］，使金刚石与工具胎体实现冶金化学结合，进而提高对金刚石的把持力。
但是，对于金刚石工具界面结构和微观形貌与金刚石工具性能关系的研究比较少。
4.1钎焊金刚石的界面结构钎料中加入强碳化物形成元素（如：Ti 、Cr 、W 等），钎焊时可改变金刚石表面的润湿性，并在金刚石与钎料界面上形成提高金刚石把持力的碳化物。
（1）金刚石的界面形成TiC 的界面结构文献［21］将Ti 、Cr 金属粉添加于Ag-Cu-Zn 钎料合金与金刚石中，改善Ag-Cu-Zn 钎料合金对金刚石工具的钎焊性能的研究表明，添加的Ti 粉需要覆盖C 粉或在真空中才可以保障金刚石工具获得良好的钎焊效果，并在钎料-金刚石的界面处发现Ti 元素的富集区域，提高了钎料合金对金刚石的润湿性。
图1［21］为在真空中添加Ti 粉，钎焊金刚石、钎料和基体之间界面微观结构图。
图1（b ）可以观察到三个不同连续区域：钎料合金、过渡层和金刚石。
通过在图1（a ）中取三个渐渐逼近金刚石界面的点，并对三个点做能谱分析发现，靠近金刚石界面处具有较高的Ti 含量，Ti 在合金中的融入有利于增加钎料对金刚石的润湿性，如表3［19，21］。
文献［14］用气雾化法制作以CuMn 为基的含Ti 预合金粉末，在真空钎焊条件下，制备了金刚石复合材料。
研究并分析了金刚石与钎料的界面结合状况，预合金粉末钎料中的Ti 原子与金刚石表层的C 原子发生化学反应并生成TiC 。
图2［14］为对金刚石表面进行的X 射线衍射分析图像，可以看出有TiC 存在，证明Ti 原子与金刚石发生化学反应，产生了TiC 的微观结构，从而加强了钎料合金对金刚石工具的把持力，保证了金刚石工具的性能。
（2）金刚石的界面形成Cr 的一系列的碳化物的界面结构Cr 是强碳化物形成元素［9］，可以与金刚石反应生成一系列的碳化物。
文献［22］应用镍基钎料在45钢基体上对金刚石进行氩气保护激光钎焊，在钎焊过程中，金刚石表面的富铬层和金刚石表面的C 元素发生反应生成Cr 的一系列碳化物［19，20］。
图3为钎焊后的钎料与金刚石结合的形貌［22］，可见一些呈月牙型的镍铬合金包覆着金刚石颗粒，钎料合金对金刚石表现出良好的润湿性。
经过成分分析表明钎料与金刚石中C 发生了冶金化学反应，生成两种形貌的碳化物，并对进行EDS 分析如表4［20，22］。
棱柱状碳化物的原子数比为28.73∶71.27≈3∶7；表2不同钎焊气氛工具磨损形貌图分析钻深h /m00.51.01.52.0形貌图像真空中钎焊钻深h /m1.52.06.08.0形貌图像Ar 气保护炉中钎焊（a ）SEM 图像（b ）光学显微照片图1钎焊-金刚石界面微观结构图50004000300020001000T i C （200）衍射强度I /c p s金刚石（111）384042444648505254衍射角2θ/（°）图2金刚石表面的X 射线衍射图图3金刚石与镍铬合金界面形貌/wt%表5表中图上3点的Cr 元素成分含量点位123Cr 0.6450.39968.073SEM 图C Cr片状碳化物质量分数13.4985.98原子分数40.3159.35棱柱状碳化物质量分数8.5291.48原子分数28.7371.27元素表4碳化物EDS 成分分析片状碳化物的原子数比为40.31∶59.35≈2∶3，可以推断生成新的化合物为Cr 7C 3和Cr 3C 2。