單晶金剛石刀具釬焊過程研究

麻東升

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300000）

1 引言

金剛石表面金屬化問題在20世紀(jì)70年代就引起了國內(nèi)、外金剛石工具制造界高度重視。很多人致力于在燒結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)金剛石表面金屬化的研究,在胎體材料中添加或在金剛石表面預(yù)粘上強(qiáng)碳化物金屬粉末(這種金剛石在未加熱前,并未與鍍層發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只能屬于金剛石包衣)，以期其在燒結(jié)過程中實(shí)現(xiàn)對金剛石的化學(xué)鍵結(jié)[1]。

2 單晶體金剛石的特點(diǎn)

單晶體金剛石體面結(jié)構(gòu)常為平面狀，呈八面的晶棱和頂角，通過化學(xué)或物理方法，在金剛石表面形成一層很薄的金屬層，提高液態(tài)釬料對單晶金剛石和硬質(zhì)合金基體的潤濕性能，改善單晶金剛石刀具的釬焊性能。單晶金剛石晶粒結(jié)構(gòu)和形態(tài)見圖1、圖 2。

3 單晶金剛石基體材料的選擇

單晶金剛石基體采用硬質(zhì)合金材料Y T 15，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。

圖1 金剛石晶粒結(jié)構(gòu)

圖2 金剛石形態(tài)

表1 Y K 15硬質(zhì)合金基體的化學(xué)成分和力學(xué)性能

WC、T i C、T a C、N b C和粘結(jié)劑C o等元素通過粉末冶金方法而制成了硬質(zhì)合金體。有關(guān)實(shí)踐得知，T i C、T a C、N b C與 WC更難被 A g、C u等釬料潤濕，而T i、T a、N b的氧化物很穩(wěn)定，更難以被釬焊劑清除，常選用WC含量較高的硬質(zhì)合金材料作為單晶金剛石的基體。同時(shí)，含C o量的多少也影響釬焊接頭的強(qiáng)度和釬料的潤濕性能，所以優(yōu)先選用C o含量多的硬質(zhì)合金作為基體[2]。

4 釬料的選擇

表面激活能較高的金剛石基體硬質(zhì)合金材料，促使釬料的潤濕性能變差，導(dǎo)致釬焊接頭處承載的最大切削力小于刀具切削過程中的沖擊力，經(jīng)常出現(xiàn)金剛石脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響刀具的使用壽命。當(dāng)前解決問題的關(guān)鍵在于，在現(xiàn)有釬料不變的情況下，提高釬料對金剛石基體硬質(zhì)合金材料的潤濕性能，而釬料和釬劑的搭配是影響釬料的潤濕性的重要因素，潤濕和擴(kuò)散程度直接影響釬焊接頭的質(zhì)量，決定了單晶金剛石刀具的使用壽命。單晶體金剛石體和硬質(zhì)合金基體組裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單晶金剛石體和硬質(zhì)合金基體組裝圖

刀具釬焊接頭處的強(qiáng)度主要由釬料與單晶金剛石和硬質(zhì)合金基體相互結(jié)合的程度決定的，取決于釬料的潤濕性能和擴(kuò)散性能。合理選擇釬料對刀具的使用壽命有直接影響。

實(shí)踐證明，單晶金剛石釬焊應(yīng)選用硬釬料。銀基釬料是目前應(yīng)用較為廣泛的釬料，對金剛石和硬質(zhì)合金材料具有良好的潤濕性，具有一定的結(jié)合強(qiáng)度和承受一定沖擊載荷的能力。表2為銀基釬料，常呈片狀，厚度為0.1～0.5m m，可以根據(jù)實(shí)際需要對形狀和大小進(jìn)行裁剪[3]。

表2 銀釬料的主要組成元素和熔點(diǎn)

5 釬焊劑的選擇

單晶金剛石與基體硬質(zhì)合金材料釬焊過程中，隨著溫度的升高，釬焊處金屬氧化速度加快，同時(shí)產(chǎn)生氧化膜，嚴(yán)重地影響了釬料的潤濕性。目前主要采用釬焊劑去除氧化膜，改善液體釬料的潤濕性，并產(chǎn)生相互擴(kuò)散作用，以保證釬焊處的結(jié)合強(qiáng)度。

單晶金剛石、基體硬質(zhì)合金材料和釬料，常采用以氟硼酸鉀、硼酐、硼砂為主，碳酸鉀和氟化物為輔配制成的Q J 102釬焊劑，其化學(xué)成分和活性溫度如表3所示。

表3 釬焊劑化學(xué)成分和活性溫度

6 釬焊設(shè)備

高頻感應(yīng)釬焊加熱設(shè)備如圖4所示。

圖4 GPl5A高頻感應(yīng)釬焊加熱設(shè)備

設(shè)備的加熱頻率選擇是根據(jù)工件的大小和感應(yīng)線圈形狀決定的，頻率過高或過低都會影響電熱能的轉(zhuǎn)換，嚴(yán)重時(shí)會燒損電器元件。GPl5A型設(shè)備工作頻率為35～105kHz，當(dāng)工作頻率在60kHz時(shí)，設(shè)備工作效率很高[4]。加熱方法如圖5所示。

圖5 加熱方法

7 焊前處理工作

單晶金剛石經(jīng)過特殊處理后，在其表面形成一層很薄的金屬層，由于長時(shí)間與空氣和水分接觸，金剛石表面金屬層被氧化，釬焊前要用粒度細(xì)小的砂紙進(jìn)行研磨，并露出金屬光澤，以便液體釬料潤濕和相互擴(kuò)散，形成釬焊接頭。

8 釬焊過程

（1）刀具在加熱前，將釬焊劑均勻的涂抹在單晶金剛石、硬質(zhì)合金基體和釬料上，通過專用夾具固定好刀具的各部分，并預(yù)留0.5～1m m的裝配間隙，以便為液態(tài)釬料填充預(yù)留間隙，能形成良好的釬焊接頭。

（2）釬焊加熱溫度選擇。加熱溫度過高，會造成釬焊縫氧化，單晶金剛石表面和基層硬質(zhì)合金材料熱燒損；而釬焊溫度過低，液態(tài)釬料因流動性能不足，使液態(tài)釬料潤濕和擴(kuò)散性能下降，造成釬焊縫存留氣孔或夾渣等缺陷，都會使接頭處脫焊，影響單晶金剛石刀具的使用壽命。通常釬焊的加熱溫度高于釬料的熔點(diǎn)30～50℃，此時(shí)液態(tài)釬料的流動性、潤濕性、擴(kuò)散性最好，最容易獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊縫[5]。

9 結(jié)束語

合理選擇單晶金剛石刀具的釬焊方法，嚴(yán)格執(zhí)行釬焊工藝內(nèi)容，并控制好釬焊過程，可以有效預(yù)防或避免釬焊接頭處缺陷的產(chǎn)生，有利于獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，延長金剛石刀具的使用壽命。

[1]孟金龍.金剛石刀具高頻感應(yīng)釬焊工藝的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[2]王適.金剛石熱穩(wěn)定性及其刀具受熱損傷的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[3]李智,馬勇.單晶金剛石刀具的加工 [J].煤礦機(jī)械，2003（5）：50-51.

[4]張競敏，黃松筠.單晶金剛石刀具的選料與定向[J].工具技術(shù)，1999（7）：11-13.

[5]王立，李嫚，賈乾忠，等.金剛石刀具釬焊工藝的研究[J].金剛石與磨料磨具工程，2008（3）：66-69.