金刚石工具钎焊用连接材料研究进展

龙伟民^1,2，郝庆乐¹，傅玉灿³，黄国钦⁴，吴铭方⁵，王裕昌⁶

1. 郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室3. 南京航空航天大学机电学院4. 华侨大学制造工程研究院5. 江苏科技大学材料科学与工程学院6. 河南黄河旋风股份有限公司

摘 要：金刚石在已知材料中具有最高的硬度,特别适合切割和磨削玻璃、石材、陶瓷等硬质材料。自1954年首颗人造金刚石被成功合成以后,金刚石工具就迅速在汽车制造、机械工程、石油钻探、国防军工等领域推广应用。金刚石颗粒需要被固结在金属基体上,其制备方法主要有三类,分别为电镀、热压烧结和钎焊。相对于其他两种方法,钎焊法是利用钎焊材料作为连接介质,在更高温度下实现金刚石与金属基体的连接技术。钎焊金刚石工具金刚石颗粒出露度高、锋利度更好。金刚石表面具有很高的化学惰性。为了设计出性能优良的钎焊材料,研究者在金刚石与金属的交互作用方面开展了大量的研究,发现过渡金属原子3d电子轨道上空位的多少决定其与金刚石的交互作用行为,并据此将过渡金属元素分为三类,即无交互作用类、促进石墨化类和反应生成碳化物类。钛（Ti）、铬（Cr）、钒（V）、锆（Zr）等金属元素与金刚石的碳反应形成碳化物,能够实现金刚石颗粒的牢固连接,可作为金刚石工具钎料中的活性元素,但这些元素往往具有较高的熔点,高温钎焊易导致金刚石石墨化。为了降低钎料熔点,常常将上述金属组合使用。目前金刚石工具钎料主要有银铜钛基（Ag-Cu-Ti）、铜锡钛基（Cu-Sn-Ti）、镍铬基（Ni-Cr）等,三者的熔化温度以及强度和耐磨性能依次上升。近年来,研究者对三类钎料在金刚石钎焊过程中的作用进行了深入研究,发现活性元素通过反应润湿实现金刚石与金属的冶金结合,反应润湿过程存在元素复杂的交叉扩散,反应物种类、形貌、数量、分布等强烈依赖工艺条件,并且熔融钎料也通过热量传递和材料侵蚀造成金刚石表面损伤。为了减少金刚石的强度损失,在成分设计上,研究者优化了三类钎料活性元素含量,通过加入铟、磷、稀土等元素,或利用铜辊急冷的方法将钎料制备成非晶钎料,成功实现钎料降熔。随着激光钎焊等高效钎焊方法的应用,Ni-Cr钎料受到了很大的关注,但快速热循环条件下金刚石与钎料连接界面易开裂,目前的研究初步阐明了裂纹启裂、扩展行为,并认为其与金刚石和钎料热膨胀系数的失配有关,其强韧化机理仍有待深入探讨。本文首先介绍了金刚石微粒的焊接特性,阐述了钎焊金刚石工具用钎料设计的基本原理及其连接机理,然后着重综述了国内外在Ag-Cu-Ti、Cu-Sn-Ti、Ni-Cr等三大类钎料钎焊金刚石工具方面的研究现状,最后介绍了近年来出现的新型钎焊材料,指出了钎焊金刚石工具用钎料的现存问题和研究方向。

关键词：金刚石;钎焊材料;银铜钛基;铜锡钛基;镍铬基;