新型預釬焊金剛石表面金屬化的工藝研究①

丁曉陽，宋立明，馬若飛

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.蘇州南航騰龍科技有限公司，蘇州215163）

新型預釬焊金剛石表面金屬化的工藝研究①

丁曉陽1，宋立明1，馬若飛2

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.蘇州南航騰龍科技有限公司，蘇州215163）

將Ni－Cr活性釬料以及Cu粉、Co粉、WC粉與A合金粉末和鎳基釬料組成的混合釬料分別鍍覆到金剛石表面，在真空爐中經(jīng)釬焊處理后，利用掃描電鏡（SEM）及USB電子顯微鏡觀察金剛石表面形貌。結(jié)果表明：添加A粉的混合釬料能有效實現(xiàn)金剛石表面金屬化，金剛石表面形成“刺狀”的釬焊小顆粒，主要成分為Ni，Cr等活性釬料成分，預釬焊后的金剛石靜壓強度略有下降，但仍能滿足金剛石鋸切強度的需要，添加A合金能夠起降低釬料濃度，減弱金剛石熱損傷的作用。

Ni－Cr合金活性釬料；金剛石表面金屬化；靜壓強度

0 前言

金剛石具有高硬度、高強度、高耐磨性以及線膨脹系數(shù)小等優(yōu)良的性質(zhì)，這使得金剛石在石材加工等領(lǐng)域得到日愈廣泛的應(yīng)用。但是，金剛石的結(jié)構(gòu)決定了其與一般金屬粘結(jié)劑之間存在著較大的界面能［1］，使胎體不易與金剛石發(fā)生化學冶金結(jié)合，金剛石切削工具在實際的切削過程中金剛石顆粒經(jīng)常會在未發(fā)揮其全部工作效用之前就脫落，降低了金剛石的利用率。

為了提高金剛石在胎體中的把持力，本文提出利用釬焊工藝實現(xiàn)金剛石表面金屬化的試驗方案。即在一定條件下，將含有強碳化物形成元素的活性釬料釬焊到金剛石表面，使得釬料與金剛石晶體表面之間發(fā)生界面化學作用，形成具有金屬特性的表面合金層。

1 試驗材料及工藝方案

試驗材料：本文選用包含強碳化物形成元素Cr的Ni－Cr合金釬料，所用釬料主要成分與釬焊溫度見表1；

表1 活性釬料主要成分及釬焊溫度Table 1 Main component of Ni－based brazing alloy and brazing temperature

本文針對使用鎳基釬料時出現(xiàn)的問題，研發(fā)出一種新型的金剛石表面金屬化的制作工藝——稀釋釬焊法，即在活性釬料中添加一定量的金屬（或合金粉末）來降低活性釬料的濃度。本文選用燒結(jié)金剛石工具中常用的金屬胎體Cu、Co、WC、某種合金A為稀釋劑，粉末性能見表2；金剛石采用黃河旋風生產(chǎn)的HHD 90，40／45目。

表2 試驗用金屬粉末主要性能Table 2 Main performance of the metal powder

試驗方案：將單質(zhì)金屬（或合金粉）和Ni－Cr合金釬料按照1∶1的比例混合，本試驗過程設(shè)計了以下兩個方面內(nèi)容進行研究：（1）準備直徑為Φ20mm，高10mm的圓柱體（便于在掃描電鏡中觀察）作為釬焊基體，將圓柱體表面經(jīng)過打磨除油→涂覆有機膠→布金剛石→涂覆混合釬料→真空爐中釬焊等工藝過程，制作單層金剛石釬焊樣品，利用基體的平臺保證金剛石的吸熱量；（2）按照金剛石丙酮洗酸洗→噴刷黏度適宜的有機膠→涂覆混合釬料→真空爐中釬焊→釬焊后處理的工藝制作單顆金剛石釬焊樣品。將上述金剛石分組放入同一個真空爐內(nèi)按照相同的釬焊工藝處理，出爐后經(jīng)過丙酮超聲清洗后在掃描電鏡（HITACHI S－3400N）及USB電子顯微鏡下觀察混合釬料和金剛石之間的界面形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混合釬料的選擇

使用純鎳基釬料制作的預釬焊金剛石如圖1所示，由圖可以很明顯地看出雖然金剛石表面合金組織較平滑，但金剛石與活性釬料之間發(fā)生了劇烈的界面反應(yīng)，其晶型已經(jīng)發(fā)生了改變，大部分棱線被溶蝕，金剛石受到的熱損傷較為嚴重，同時釬焊后的金剛石靜壓強度和沖擊強度大大下降，影響了金剛石的正常使用。

圖1 鎳基釬料預釬焊金剛石Fig.1 Ni－based alloy pre－brazed diamond

（1）添加銅粉

由下圖2（a）可以看出金剛石周圍的合金組織疏松，粉末液相凝固后并沒有形成致密的合金相，這樣的組織難以有效地把持金剛石，同時觀察到圓柱基體表面有金剛石的脫落現(xiàn)象，進一步證明了這種混合釬料難以有效把持金剛石；由圖2（b）觀察到合金層和金剛石表面有剝離現(xiàn)象，并沒有釬焊到金剛石表面，在對金剛石進行碾壓處理檢測其焊接強度時，合金層剝落現(xiàn)象嚴重，所以加入Cu粉的混合釬料不能有效地潤濕金剛石，此方案不可取。

圖2 添加銅粉混合釬料預釬焊金剛石Fig.2 Adding Cu powder mixed brazing alloys pre－brazed diamond

（2）添加鈷粉

由圖3（a）可以看出添加鈷粉的混合釬料在該工藝下不能完全熔化，表面組織疏松且有嚴重的偏析現(xiàn)象，混合釬料不能很好地潤濕金剛石；這是由于Co是一種不僅不會使熔點下降，反而使熔點上升的元素，雖然少量添加可改善潤濕性，但鈷是石墨化元素，當它們在釬料中存在過多時會促使金剛石向石墨的轉(zhuǎn)化［2］。由圖3（b）可以看出金剛石雖然完全被混合釬料覆蓋，但是合金層和金剛石的連接強度不夠，很容易剝落，所以在釬料中不宜加入過多鈷粉。

（3）添加WC粉

由圖4（a）可以看出金剛石周圍有很多的獨立的顆粒，顆粒之間的縫隙較大，造成合金層的組織疏松，這是由于WC中含有C元素，每個WC顆粒均是一個碳源，鎳基釬料會圍繞這些碳源發(fā)生反應(yīng)，但顆粒之間沒有牢固的連接，由圖4（b）可以看出金剛石表面顏色發(fā)黑，釬焊層也較為稀疏，故不適合在鎳基釬料中添加過多的WC粉。

圖3 添加鈷粉混合釬料預釬焊金剛石Fig.3 Adding Co powder mixed brazing alloys pre－brazed diamond

圖4 添加WC粉混合釬料預釬焊金剛石Fig.4 Adding WC powder mixed brazingalloys pre－brazed diamond

（4）添加A粉

由圖5（a）可以看出混合釬料可以很好地在金剛石表面鋪展，在金剛石表面有明顯的爬升現(xiàn)象，合金釬料能夠有效地把持金剛石；由圖5（b）可以看出未被釬料焊接的部位顏色呈現(xiàn)黃綠色，和金剛石本來的顏色相差不大，同時金剛石的晶型完整，棱線清晰，表面麻點也很少，這表明在溫度高達1000℃的釬焊過程中金剛石受到的熱損傷遠遠小于純鎳基釬料。在冷卻后釬料在金剛石表面凝固成小顆粒狀，并沒有完全包裹金剛石，有利于減小金剛石和釬料之間由于線膨脹系數(shù)差異過大產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時這樣的刺狀結(jié)構(gòu)使金剛石能牢固地鑲嵌在胎體粉末中，在燒結(jié)過程中釬焊小顆粒在一定溫度下和胎體粉末融合在一起，發(fā)生冶金結(jié)合反應(yīng)起了提高金剛石把持力的作用。綜上所述該混合釬料能起保護金剛石的作用，減弱了金剛石的熱損傷和石墨化傾向，達到了金剛石表面金屬化的初步目標。

圖5 添加A粉混合釬料預釬焊金剛石Fig.5 Adding A powder mixed brazing alloys pre－brazed diamond

2.2 添加A粉混合釬料預釬焊金剛石的研究

圖6為A－Ni基預釬焊金剛石SEM形貌圖。從圖中可知，添加A合金的混合釬料在金剛石表面鋪展，釬焊小顆粒和金剛石之間有良好的焊接效果。

圖6 添加A粉混和釬料預釬焊金剛石形貌（SEM）Fig.6 Adding A powder mixed brazing alloys pre－brazed diamond（SEM）

為了進一步研究A－Ni基釬料對金剛石的作用，沿金剛石及釬料層的方向做線掃描分析，如圖7所示。從圖中可以看到金剛石表面的釬焊層主要由Ni、Cr組成，證明金剛石表面的球狀集團是Ni－Cr合金，A合金只是起了阻隔分離的作用，并未干擾Ni－Cr合金對金剛石的正常潤濕。有大量研究表明形成的碳化物為Cr與C的化合物，主要為Cr3C2和Cr7 C3［3］。鎳釬料合金中的強碳化合物形成元素Cr會在與金剛石交界面上偏聚并與金剛石發(fā)生反應(yīng)形成相應(yīng)的Cr碳化物，并最終通過Cr碳化物的過渡作用，使釬料合金對金剛石潤濕，這種化學反應(yīng)潤濕機制使鎳基釬料合金牢固地鍍覆在金剛石表面。

圖7 添加A粉混合釬料預釬焊金剛石線掃Fig.7 The line scan of adding A powder mixed brazing alloys pre－brazed diamond

2.3 金剛石靜壓強度的試驗研究

利用金剛石單顆粒晶體抗壓強度測量儀（型號長虹DLY－92，規(guī)格0－500N）檢測金剛石的靜壓強度（注：由于此設(shè)備量程最大為500N，故大于500N的靜壓強度都按500N處理）。表3為金剛石原料、純鎳基釬料預釬焊金剛石、添加A粉混合釬料預釬焊金剛石靜壓強度對照表。

表3 金剛石靜壓強度對照表Table 3 The static compressive strength of diamond

由表中數(shù)據(jù)可以看出金剛石在真空爐中經(jīng)高溫處理后，靜壓強度均會下降，鍍覆純鎳基釬料的金剛石靜壓強度下降了49.34%，嚴重影響了金剛石的正常使用，鎳基釬料對金剛石的熱蝕現(xiàn)象嚴重，經(jīng)過鍍覆后的金剛石和外部釬料是兩種性能相差很大的材料，在加熱和冷卻過程中兩者之間由于線膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生了很大的殘余應(yīng)力，導致鍍覆的金剛石靜壓強度下降程度較大；添加A粉混合釬料釬焊后的金剛石表現(xiàn)出較好的靜壓強度，相對于原料下降了7.5%，但比使用純鎳基釬料的金剛石提高了82.5%，能夠滿足金剛石磨粒參加切削的需要，這其中A粉起了降低金剛石的潤濕角，并能細化釬料熔化后重新結(jié)晶的晶粒的作用，使得混合釬料有一定的塑形性，減小了對金剛石的熱損傷。

3 稀釋釬焊法模型

通過釬焊后金剛石的形貌，推測了一種稀釋釬焊的物理模型。如圖8所示。A合金以一定比例添加到Ni－Cr合金后組成混合釬料。這種釬料中強碳化合物形成元素Cr的相對含量比Ni－Cr合金釬料中的Cr要少很多。在真空釬焊過程中，由于A合金的作用，使得Ni－Cr合金有效潤濕釬焊單元被A合金分隔開來，在金剛石表面形成一個個分布不均、大小各異的釬焊單元，這些釬焊單元對金剛石的作用同單層釬焊金剛石工具大致相同。金剛石表面的其他部分由于被A合金稀釋劑覆蓋加之Ni－Cr合金含量有限，沒有出現(xiàn)釬焊現(xiàn)象。這樣形成了“刺狀”的金剛石。這種金剛石既具有良好的金屬鍍層又保持了較好的強度。

圖8 稀釋預釬焊金剛石模型Fig.8 The diluting pre－brazed diamond model

4 結(jié)論

（1）使用Ni－Cr合金活性釬料鍍覆到金剛石表面經(jīng)真空釬焊處理后，金剛石受到的熱損傷較大，表面棱線溶蝕，晶型不完整，難以進一步應(yīng)用于鋸切工具中。

（2）將Cu粉、Co粉、WC粉與A合金粉末和鎳基釬料組成的混合釬料分別鍍覆釬焊到金剛石表面，其中添加A粉的混合釬料能有效實現(xiàn)金剛石表面金屬化，金剛石受到的熱損傷較小，靜壓強度略有下降。

（3）建立了利用稀釋釬焊工藝實現(xiàn)金剛石表面金屬化的模型，即在降低釬料濃度的同時不影響活性釬料本身的化學性質(zhì)，這種預釬焊金剛石在金剛石工具制作中具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］章兼植.當前金剛石工具制作中的幾個熱點技術(shù)［J］.珠寶科技，2002，14（45）：44－47.

［2］王秦生.超硬材料及制品［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2006：158－168.

［3］肖冰，徐鴻鈞，武志斌，徐西鵬.Ni－Cr合金真空單層釬焊金剛石砂輪［J］.焊接學報，2001，22（2）.

Experimental research on pre－brazed diamond surface metallization

DING Xiao－yang1，SONG Li－ming1，MA Ruo－fei2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China；2.Suzhou Nanhang Tenglong Science ＆Technology Co.，Ltd.，Suzhou215163，China）

Coating the Ni－based brazing alloy and the mixed brazing alloy which contains Cu powder，WC powder，Co powder，the A alloy powder and the Ni－based brazing alloy to the surface of diamond，and using scanning electron microscopy（SEM）and USB electron microscope to observe the surface of diamond morphology after vacuum brazing.The results show that the mixed brazing alloys containing A alloy can effectively achieve the diamond surface metallization.The diamond surface has"thorn－like"brazing small particles which＇s main component are Ni，Cr.Pre－brazing diamond static compressive strength declined slightly，but still meet the needs of the diamond cutting intensity.Adding A alloy can reduce the concentration of the brazing alloy and weaken diamond heat damage.

Ni－Cr alloy；diamond surface metallization；static compressive strength

TQ164；TG74

A

1673－1433（2013）01－0001－05