金剛石厚膜焊接刀具制造及釬料選擇

本文針對金剛石膜(CVD)在切削刀具中的應用，討論了金剛石膜焊接復合刀具對刀體材料要求和制造方法。根據金剛石良合刀具制造工藝及使用要求，對真空自活性釬焊所用釬料的化學成分的選擇進行了分析，提出了確定活性針料化學成分的原則及常用針料的化學成分。

0．前 言

金剛石膜具有硬度高、耐磨損，摩擦系數小，導熱性好等特點，是制造切削有色金屬和非金屬材料刀具的理想 材料。人造金剛石膜的刀具分為兩種類型：金剛石膜涂層刀具，金剛石膜焊接刀具。粘結力較弱是金剛石涂層刀具最突出的問題。粘結力較弱的原因有兩個：一是化 學氣相沉積（CVD）附口過程中，產生很大的熱應力；二是基體材料存在著許多降低接頭強度的因素。近年來，利用生長基體金屬同金剛石膜的熱膨脹系數相差較 大粘附強度低，在基體上沉積金剛石膜，隨著基體的冷卻，金剛石膜自動脫落，得到獨立的金剛石厚膜。文獻采用等離子體時流CVD法在Mo基體上沉積金剛石 膜，獲得獨立的金剛石厚膜（0.3-1.3mm）。利用這種膜與刀體材料焊接簾（備切削刀具兼有單晶金剛石刀具和金剛石薄膜涂層刀具的優點，是一種應用前 景極為廣闊的新型刀具。

1.金剛石厚膜焊接刀具的制造方法

1-1金剛石厚膜的成型

由于金剛石厚膜硬度高，耐磨性好、而且不導電。所以常見的機械切削、線切割、超聲波加工等工藝方法均不 適用于金剛石厚膜的切割加工，常用的方法是激光切割。激光切割不僅能將金剛石厚膜切割成所需要的形狀和尺寸，還能直接切出刀具的后角和修正厚膜表面。一般 金剛石車刀的前角以0°為標準，根據需要可在+5°的范圍內選取。在強調車刀的耐磨性和尖刀強度的情況下。也可以采用負前角（-20°左右）。負后角一般 以5°為標準，根據使用條件可在2.5~10°范圍內選取。由前刀面和后刀面構成的鍥角在85°以上，可得到高精度的刀尖。

1-2刀體材料的性能和焊接

作為刀體材料盡管在切削加工中不與被切削體直接接觸，但由于基體要對金剛石膜起支撐作用，因此要求其具 有較高的剛性，熱膨脹系數與金剛石膜相近以及良好的焊接性等。目前常用刀具材料有硬質合金（YG3、YG6、YG8等）、陶瓷（Si3N4、A12O3 等）、CBN、高速鋼等，硬質合金是最有發展前途且目前研究最多的刀體材料。硬質合金是理想的基本材料，它的硬度高，又因其為燒結體，紅硬性更好，室溫下 硬度一般在HRA83~93之間；500 ℃以下硬度保持不變。抗壓強度最高可達到6000MPa，一般為3400~5600MPa；室溫抗彎強度在750~2500MPa之間，彈性模量高，通常 為（4~7）×105MPa；室溫下剛性較好，無明顯塑變，對金剛石膜可起很好的剛性支撐作用。

金剛石厚膜與刀體材料的連接主要有方法兩種：金剛石表面金屬化釬焊法和活性釬料焊法。前者是利用表面處 理技術（如離子束濺射等），在金剛石表面鍍覆金屬（如Ti、Cr等），使其表面具有金屬或類金屬的性能。金屬化的金剛石膜表面對Ag-Cu基針料具有良好 的可焊性，可采用金屬間針焊工藝焊接。這種方法需進行金剛石膜表面金屬化處理，增加了制備難度。活性釬料焊接法則是在針料中加入適量的能與金剛石膜表面碳 原子反應生成碳化物的元素，利用針焊過程中碳化物形成元素對金剛石膜待焊表面的活化作用，使針料潤濕金剛石膜實現其釬焊過程。

1-3 刀體與基體金屬的連接

將得到的金剛石厚膜硬質合金復合刀片連接到基體金屬上，其連接方法大致有以下幾種：⑴釬焊 ⑵機械加固 ⑶樹脂粘接劑連接 ⑷熱裝壓入。其中，釬焊的辦法使用最多。釬焊金剛石厚膜/硬質合金復合刀片使用的釬料就強度來說，一般使用銅基針料、銀基針料等。但考慮到防止氧化的焊接 裂紋以減少金剛石向石墨轉化的趨勢，盡可能的使用低熔點的釬料為好，主要是使用硬質合金針焊專用的銀基針料。為了更好地保護金剛石不向石墨轉化，最好也是 在真空或惰性氣氛條件下針焊。

1-4 金剛石厚膜刀具的刃磨

金剛石厚膜刀具的刃磨方法主要有機械磨削（包括金剛石砂輪磨削和金剛石粉研磨）。熱金屬盤研膳，激光 束、離子束加工和等離子體刻蝕等。用金剛石粉研磨效率低，金剛石砂輪磨削效率高，并可采用不同粒度的砂輪進行粗加工，是金剛石厚膜刀具獲得較好的表面光潔 度。熱金屬盤研磨是在高溫條件下，利用鐵族元素與 金剛石反應使金剛石石墨化的原理除去金剛石。用此種方法研磨表面粗糙度可達鏡面水平。用激光對厚膜表面進行光整加工，加工效率很高但加工表面質量不高，只 適合于粗加工和半精加工。

2、活性釬料成分選擇

活性釬料釬焊法釬焊金剛石與硬質合金所用的活性釬料，除要考慮釬料對金剛石膜與硬質合金的潤濕條件，還必須考慮接頭應力和真空加熱條件下釬料成分的狀態對釬焊過程的影響。

2-1 釬料中的基本成分

金剛石膜和硬質合金都是高硬度高鋼性的材料，兩種材料的線膨脹系數也有一定的差別，兩者釬焊界面會產生 很大的內應力，可能造成金剛石膜開裂和連接界面分離。因此釬料的成分必須在保證強度的條件下，應具有一定的變形能力。Ag-Cu合金不但有較好的強度及對 硬質合金能很好的濕潤，同時Ag-Cu面心立方的晶格結構使其固浴體合金具有很好的塑性。所以，Ag-Cu合金是金剛石膜與硬質合金釬焊首選的基體成分。

2-2 釬料中的活性成分

金剛石膜與一般金屬及其合金之間有很高的界面能，致使金剛石膜不能被一般低溶點合金所浸潤，潤濕性較 差。因此必須在釬料中加入一些強碳化物形成元素作為活性金屬，以改善金剛石膜與硬質合金之間的潤濕性。但添加強碳化物形成元素也存在一定的局限性，一方面 加入過多的碳化物形成元素就有可能使金剛石膜與釬料間形成過厚的脆性化合物層，影響結合性能。另一方面為了控制釬料的熔點必須對釬料中的強碳化物形成元素 友誼頂的要求，如Ti、Cr、Zr、V、B、Mo、W等，這些元素的溶點分別為：1672℃、1863℃、1865℃、1929℃、2300℃、 2623℃、3387℃。相比較而言，Ti、Cr、Zr、V更適合一些。這些元素少量的加入Ag-Cu基釬料中，一般釬焊溫度可控制在850℃左右，工藝 性能較好。.

另外，在釬料中胸口少量的IN、SN等低熔點金屬能有效地降低釬料的熔點，但過多則會產生脆化性化合物。同時金剛石膜與刀體材料的焊接是在真空狀態下進行的，釬料中應避免含有MN、ZN等蒸汽壓較高的易發揮元素。

上面分別從釬料的熔點、潤濕性、蒸汽壓、熱膨脹，焊后是否生成脆性化合物等方面考慮了釬料中元素的選 擇。對活性釬料成分的選擇需要綜合考慮，釬焊金剛石厚膜所添加的強碳化物形成元素多種多樣。目前國內外尚未見到商品金剛石焊料，一般由應用單位自行配制。 有下列一些，Cu-10%Ti，Cu-15%Sn-3%Ti，Ag-15%Ti，Cu-30%Ag-5%Ti，Cu-15%Sn-2%Cr，Cu- 1%V，Cu-Au，Ag-30%Cu-4%Ti，Ag-26.5%Cu-3%Ti等釬料成分可供選擇。

3．結 論

1.金剛石厚膜與硬質合金片之間采用釬焊的方法能有效地解決粘結力較弱的問題。

2.金剛石厚膜與硬質合金片的釬焊中，采用自反應活性針料進行針焊，工藝方法簡單成本低。
3.金剛石厚膜自反應活性釬焊釬料，可在Ag-Cu合金針料中添加適量的Ti，Zr和Cr等碳化物形成元素進行制備。