金刚石具有高硬度、高导热性、低摩擦因数、低热膨胀系数、高耐磨性等优异性能，广泛用于磨削、切削和精密加工等。但在实际使用过程中，颗粒状的金刚石磨粒和金刚石膜必须与基体连接才能用于上述加工。因此，开发出牢固连接金体金属的焊接工艺及焊接材料是十分必要的。本文将引用国内研究者对钎料刚石与基影响钎焊金刚石性能做一简要的介绍。

PART1.

界面结构的影响

关砚聪等人[1]采用Cu-Sn-Ti铜基钎料在钢基体上焊接金刚石颗粒，研究焊接界面微观组织，分析不同钎焊温度对焊接界面结构及结合强度的影响。得到了如下结果：

1.1从钎焊温度900C，保温时间10min的钎料钎焊金刚石颗粒的形貌可以看出，金刚石颗粒晶形完整且边缘被钎料合金包覆，这表明合金对金刚石颗粒表现出出良好的浸润性，金刚石颗粒与钎料合金的结合界面形成了均匀、连续而致密的结合作。

1.2从金刚石与钎料结合界面的定点成分分析可知，金刚石表面的元素Ti浓度明显高于钎料本身的浓度，表明在高温作用下Ti元素从钎料中向金刚石表面扩散，与金刚石发生界面反应并与金刚石中的C元素结合生成碳化物。

1.3金刚石与钎料界面在反应过程中发生三种现象，一是金刚石中的碳向界面扩散，二是钛元素向界面的上坡扩散，三是碳和钛碳化物的生成。

1.4通过钎焊界面微区的X衍射分析可以判断，金刚石颗粒表面新生化合物种类。CuTi,CuSnTi和CuSn是粉状铜基钎料在焊过程中元素间相互作用形成的金属化合物，TiC是新生产物，证明活性元素Ti与金刚石颗粒在钎焊过程中发生了化学反应。X射线主要衍射峰分别为金刚石、Cu、TiC、CuTi和CuSn，其中金刚石的衍射峰最强，其次为Cu、TiC、CuTi和CuSn，以及少量的CuSnTi，正是由于碳化物的形成，减小了金刚石与钎料的界面张力，提高了钎料的润湿性。

PART2.

界面微观结构

郭兆翠,苏宏华等人，基于对铜锡钛合金研究还不够深入，更缺乏对其界面反应及显微组织等研究的认知.。而着重分析了钎焊后的界面微观结构，以探索该钎料实现对金刚石牢固结合的可行性。得到了如下认识：

2.1钎料对金刚石显示出很好的润湿性，钎料在金刚石表面有明显的爬升，而金刚石边缘也被钎料包覆着，与毛细管现象类似;钎料在金刚石侧面爬升了一定的高度，并将整个金刚石包裹起来，金刚石截面呈山峰状。

2.2深腐蚀后的金刚石晶体形态完好无损，棱角清晰，没有出现裂纹和表面腐蚀坑等。

2.3金刚石表面有一层不连续、无规则形状的化合物，厚度约2um。对其进行能谱分析，碳和钛和的原子分数分别为40.26%和59.74%。这表明钎料与金刚石发生化学反应生成了TiC,但是两种元素的原子比不是1:1，这主要是因为EDS分析对轻元素含量的测量不准，再加上X射线可能穿过表面直接测量到金刚石的成分，故而导致测得碳元素含量偏高。

2.4对钎焊后的金刚石表面进行观察，还可发现有树枝状物质附于层上，经EDS分析该物质为含有锡钛的化合物，且该化合物上面附有少许钎料。这是因为在所钎焊过程中，液相钎料中有高含量的锡、钛，冷却过程中会导致Sn-Ti金属间化合物产生。

PART3.

颗粒形貌与力学性能的影响

自1975年James T Lowder和Edwin M Tausch41利用Ni-Cr合金制备钎释焊金刚石工具。此后利用Ni-Cr合金制备金刚石工具的报道越来越多，但是，关于钎焊后金刚石形貌和机械性能的研究不多。于是，蒋志鹏等人主要研究了Ni-Cr合金钎焊金刚石后，金刚石颗粒的形貌和力学性能，包括金刚石的石墨化程度、抗压强度、热冲击韧性值及钎焊残余应力大小。通过观察发现：

3.1金刚石四周由Ni-Cr合金包裹着，金刚石露出较高，包埋深度为50%。未钎焊的金刚石表面光滑、棱角分明;钎焊后，金刚石表面比较粗糙，说明钎焊过程中金刚石和Ni-Cr合金发生了化学反应，在金刚石表面有可能形成石墨。

3.2残余应力

当金刚石的断裂强度比钎焊过程中产生的应力值低时，金刚石表面就会产生裂纹。金刚石属于脆性材料，断裂之前只能承受较小的塑性变形，微裂纹很容易形成宏观裂纹。

3.3钎焊金刚石颗粒的残余应力分布。最大残余应力出现在金刚石尖角和钎料的界面处，最大残余应力值为464MPa，已超过金刚石的强度，因此导致金刚石颗粒表面产生裂纹。

PART4.

钎焊金刚石接头残余应力分析

大量磨削实验表明，单层钎焊金刚石工具损毁主要发生在金刚石及钎料和金刚石的界面结合处，因此孟普主要讨论这两处的应力分布。

4.1残余应力分布特征

金刚石包埋深度不同，残余应力分布情况基本相同。在金刚石中心轴线上，从上到下，残余应力逐渐增大;水平方向上，从金刚石芯部到钎料和金刚石界面结合处，残余庄应力逐渐增大;最大残余应力在钎料和金刚石六-八面体尖角界面结合处，这是因为在棱角处容易形成应力集中，很难释放。在金刚石中心轴线上，除金刚石自身缺陷外，物理性能相同，热膨胀系数差异引起的残余应力较小，主要由Cr3C2和金刚石发生晶格错配引起中心区域微弱变化形成。

4.2金刚石包埋深度对接头残余应力的影响

一般认为，残余应力过大是造成钎焊金刚石内部形成裂纹和接头失效的主要原因。测试发现，金刚石包埋深度较小时，最大残余应力随着金刚石包埋深度增加而减小，包埋深度为20%时，最大残余应力为717MPa;包埋深度达到30%以后，最大残余应力变化不大，在400--500MPa之间。

4.3钎焊冷却过程中，钎料收缩量最大，金刚石包埋深度较低时，钎料变形梯度较大，导致钎料加工硬化增加，变形困难，残余应力很难释收放;包埋得深度达到一定程度时，钎料变形梯度较小，残余应力可以得到一定程度释放;包埋深度进一步增加时，钎料总体积增加导致冷却时总收缩力增加，残余应力增加。

4.4钎焊接头中最大残余应力随着包埋深度不同而变化，说明金刚石包埋深度具有合适值。大量磨削实验表明，金刚石出露高度为40%(即金刚石包埋深度为60%)时，既可以保证钎料对金刚石具有较强把持力，同时，容屑空间大，工具最锋利。

PART5.

界面结构及残余应力

通过界面反应生成化合物，是单层钎焊砂轮对超硬磨料实现牢固把持的关键。然而，目前对超硬磨料进行超高频感应连续钎焊的研究工作甚少，尤其是钎焊过程中界面生成物的形成机理研究不够深入。另外，超高频感应连续钎焊过程中，钎焊接头经历快速的升温和降温过程，从而有可能形成较大的残余应力,造成金刚石磨粒内部等产生裂纹，使其在磨削过程中非正常失效。为此，李奇林，苏宏华等人，借助扫描电镜、激光拉曼光谱仪等现代化分析手段研究金刚石磨粒界面新生成化合物微观形貌特征，以及金刚石磨粒的残余应力，指出：

5.1扫描速度对界面生成物形貌的影响

5.1.1当扫描速度减小到1mm/s时，金刚石磨粒表面可以见到小球状的TiC生成，其尺寸大多在100nm以下，且磨粒表面零星的分布。当扫描速度为0.5mm/s时，TiC晶体尺寸变大，且比较致密地覆盖在磨粒表面。当扫描速度为0.25mm/s时，金刚石表面的TiC晶体变得更加致密，且相互连通形成自岛状，已将金刚石磨粒完整地覆盖和包裹。

5.1.2在理想平衡条件下，Ag-Cu-Ti钎焊金刚石最初生成的TiC为正八面体结构，之后会在金刚石表面形核结晶并沿着金刚石(110))晶面方向长大。

5.2钎料与基体界面显微组织形貌

超高频感应连续钎焊工艺能够细化Ag-Cu-Ti钎料晶粒.的的组织，有利于增强钎料层的强度，提高钎料对金刚石磨粒的把持力。枝晶似组织的产生，是由钎料层快速冷却，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，钎料合金的均匀化不够充分，因此形成了枝晶状的非平衡组织。

5.3拉曼光谱测试分析

文献中的最大残余拉应力位于金刚石磨粒的顶部，最大残余压应力位于磨粒底部，而本文研究中残余应力分布却刚好加相反。其原因在与超高频感应连续钎焊的热源集中在基体表面的局部区域内，且连续扫描移动，，而基体其他部位的温较低。扫描加热过后，基体表层的热量迅速道面通过热传导进入基体内部，导致温度急剧下降，从而造成钎料层熔区在与基体的界面处最先形核凝固，然后逐渐扩展至钎料熔区表层。凝固后的钎料层和磨粒在冷却降温过程中体积收缩。然而，Ag-Cu-Ti合金的线膨胀系数约为金刚石的20倍，因此，可以近似认为金刚石磨粒在降温过程中体积没有发全生变化。钎料层自下而上的凝固收缩使得磨粒在包埋深度内首先形成残余压应力。

PART6.

热损伤控制对金刚石冲击强度的影响

如所周知，虽然镍基钎料层对金刚石的把.持力很高，但金刚石遭受热损伤比较严重，钎焊后金刚石常温冲击强度比金刚石原料下降41%。文献指出，镍基钎料引起金刚石热损伤的原因一般有以下几点：

(1)钎料温度高，一般大于1000C，此时全.金刚石氧化、石墨化的趋势较强;

(2)触媒元素NiFe促进金刚石向石墨状态转变，此时部分C原子sp3结构在热场下解体为sp2结构，并向Ni-Cr合金钎料中溶解和扩散;

(3)活性元素Cr与金刚石反应生成碳化物，造成化学侵蚀;

(4)含合金刚石内部包裹体残留的金属和钎料合金层与金刚石的热膨大系数差异较大，在钎焊过程中会使金刚石承受张应力，导致微裂纹和破碎。

对于Ni-Cr钎料而言，们由于合金夜液相线温度较高，近通过直接降低温度来减少金石热损伤会影响钎料的润湿与铺展，所以可行性不大;.而钎料中含有少量亲碳元素Cr是形成化学冶金的关键，通空空过减少Cr含量来控制热损伤也不可取。

综合上述分析，欲缓解钎焊金刚石热损伤，必须从引起热损伤的其他因素(如氧含量、触媒元素、热应力等)进行改进。于是，刘凡等，提出以下四种热损伤控制方案并制备相应试样进行检测：

(1)先将真空炉抽至低真空状态，然后还入足量Ar，对炉内剩余气体进行稀释(降低氧含量)，重复抽真空----充Ar的3次，再抽至高真空进行钎焊;

(2)向Ni-Cr钎料中添加一定比例的Cu-Sn合金粉(降低触媒元素含量)，混合球磨后作为复合钎料使用;

(3)使用表面镀钛或复合钛镍镀层金刚石，并在保证钎料润湿金刚石的情况下减少保温时间;

(4)改用不含触媒元素的低熔点Cu-15Sn-10Ti钎料进行钎焊。

通过探究各方案控制热损伤的可行性。得到了如下结果：

(1)采用多次充Ar再抽真空的工艺来控制磨料热损伤未取得显著效果。金刚石的显微形貌如图2所示，金刚石整体较暗，可能是表面难溶于王水的碳化物层较厚，说明化学侵蚀比较严重。

图2降低氧含量钎焊后金刚石

(2)在高温环境下金刚石氧化反应相比触媒催化反应对磨料力学性能的影响更小。若对引起石墨化的触媒元素比例进行控制，热损伤程度可以得到缓解。从钎焊金刚石的形貌观察结果(图3)来看，与图2明显不同，整体色泽较亮，金刚石的出露的表面比较光滑，间接证明了加入Cu-Sn粉可对化学侵蚀起到一定的抑制作用。

图3 加30%Cu-Sn粉钎焊后金刚石

(3)直接使用表面镀钛金刚石来控制热损伤的效果并不明显。

(4)使用复合镀层金刚石。林增栋，冒爱琴等[13,14]学者指出，复合镀层结构可细分为碳化物层、合金层和电镀层，其中碳化物层可以填补金刚石表面缺陷与裂纹，起补强增韧作用，一般由Ti、Cr等亲碳元素组成;合金层赋予金刚石导电性、可焊性，最好选择与触媒元素熔溶解度较小的成分(如Cu、Ag等)，对石墨化反应进行抑制;而电镀层(如Ni、Co等金属)能很好地隔热，缓解金刚石与仟钎料层间的应力。现

(5)使用Cu-15Sn-10Ti钎料替代Ni-Cr基钎料的方案可以最大程度地保留磨料焊前力学性能。郭兆翠等指出，Cu基钎料真空钎焊金刚石基本上不会发生石墨化，主要与钎料中不含触媒元素，合金对碳.的溶解度极小有关。另外,Cu基钎料相比Ni基钎料纤钎焊温度更低，钎料层塑性较大，对金刚石造成的热应力更小，这些因素也能起到缓解热损伤的作用。

文章作者：郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 卫凤午

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