【摘要】：采用真空釬焊工藝,分別以不同成分的Cu基釬料(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀、(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈以及(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀制備了鍍鈦金剛石套料鉆,并進(jìn)行了花崗巖鉆削試驗(yàn)。采用三維視頻顯微鏡、掃描電鏡觀察了各種釬料釬焊金剛石套料鉆的磨損情況。結(jié)果表明:3種配比的釬料對(duì)金剛石均已實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合;(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀合金較(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈合金和(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀合金釬焊金剛石套料鉆有更長的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】： 真空釬焊 釬焊金剛石套料鉆 Cu-Sn-Ti釬料 

　　金剛石工具適宜加工高硬脆性的難加工材料，如硬質(zhì)合金、光學(xué)玻璃、石材、半導(dǎo)體、以及各種結(jié)構(gòu)與功能的陶瓷材料等；^[1]。在石材的加工中，目前主要采用的是燒結(jié)金剛石工具^[2-4]；燒結(jié)金剛石工具中，金剛石磨粒在胎體中呈隨機(jī)分布。燒結(jié)金剛石工具在使用過程中，金剛石在結(jié)合劑表面的出露高低不齊，同時(shí)，由于金剛石與一般金屬及合金之間具有很高的界面能，在燒結(jié)條件下，金剛石與金屬胎體之間很難形成真正意義上的化學(xué)結(jié)合，因此，胎體對(duì)金剛石的把持力較弱，在加工過程中，常出現(xiàn)金剛石過早脫落現(xiàn)象。而釬焊金剛石工具則實(shí)現(xiàn)了金剛石與基體之間強(qiáng)力的化學(xué)冶金結(jié)合，使金剛石顆粒的出露高度達(dá)到2/3粒徑而在工作時(shí)不脫落，并且金剛石在基體中的分布可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，金剛石工具在加工工件時(shí)切削刃能夠保持較長時(shí)間的鋒利度，而且切屑容易排除。釬焊工具可以有效克服燒結(jié)工具中胎體對(duì)金剛石的把持力較弱的劣勢。通常采用的釬料有Ni-Cr、Ag-Cu-Ti及Cu-Sn-Ti3種釬料。Ni-Cr合金用來釬焊金剛石磨料已有幾十年的歷史，其耐磨性、耐高溫性能好，本身強(qiáng)度高。但是Ni-Cr合金的熔點(diǎn)高（＞1000℃），在釬焊金剛石磨料過程中，由于高溫影響，金剛石本身的強(qiáng)度可能會(huì)降低。而且，釬焊過程不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，特別是殘余拉應(yīng)力有可能導(dǎo)致金剛石上微裂紋的產(chǎn)生。另外，Ni-Cr合金中含有觸媒元素Ni、Fe等，可能導(dǎo)致金剛石向石墨轉(zhuǎn)變，造成金剛石的熱損傷。肖冰、陳燕[5－7]等人對(duì)Ni-Cr釬料釬焊金剛石磨粒的生成物、微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理以及在工具中的應(yīng)用和存在的問題等做了深入而詳細(xì)的研究探討；盧金斌等人[8－10]對(duì)Ag-Cu-Ti釬料釬焊金剛石磨粒的生成物、微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等進(jìn)行了深入研究，并已將該釬料制作的釬焊金剛石砂輪應(yīng)用于加工高溫合金和鈦合金等難加工材料，收到了很好的效果。人們不斷探索新的釬料用于釬焊超硬磨料，以進(jìn)一步降低釬焊工具成本，提高釬焊工具使用性能。在銅基釬料中，Cu-Sn-Ti三元合金受到了廣泛的注意，該釬焊性能與銀基釬料相近，而成本遠(yuǎn)低于銀基釬料，現(xiàn)已有釬焊金剛石磨粒的研究報(bào)道[11，12]，但是用于釬焊金剛石工具的研究仍較少，更缺乏對(duì)其使用性能等的研究。

　　本研究采用不同成分配比的Cu-Sn-Ti釬料對(duì)金剛石磨料進(jìn)行釬焊試驗(yàn)、制備套料鉆并進(jìn)行石材鉆切試驗(yàn)，分析了不同成分配比的釬料對(duì)釬焊金剛石的影響，以得到較優(yōu)配比的釬料釬焊金剛石套料鉆。

　　1      試驗(yàn)材料及工藝方法

　　套料鉆基體材料為45#鋼；金剛石磨料為MBS-970鍍鈦金剛石，粒度為40/45目；釬料為(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈　、(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀和(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀合金粉；鉆切石材為安溪紅花崗巖。試驗(yàn)過程中，首先對(duì)套料鉆基體和金剛石磨粒進(jìn)行去油、去污處理，接著將金剛石磨粒有序排布于套料鉆基體表面，將釬料布于金剛石之上；在VAF-20型真空爐將套料鉆試樣加熱至900℃，并保溫8min；最后試樣隨爐冷卻至室溫。在釬焊的加熱冷卻過程中保持真空爐中的真空度始終低于1×10^－2Pa。最終制得的套料鉆端面形貌如圖1a所示，從圖中可以看到采用的Cu基釬料可實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石磨料顯微鏡形貌觀察結(jié)果表明不同的釬料體系對(duì)于套料鉆宏觀形貌基本沒有影響。圖1b是釬焊金剛石套料鉆的整體形貌。

　　采用自制的金剛石套料鉆，在Ｚ5125型立式鉆床上鉆切安溪紅花崗石，鉆床主軸轉(zhuǎn)速800r/min，進(jìn)給速度為0.056mm/r，加工石材過程中采用外供水的冷卻方式對(duì)釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行冷卻，鉆切過程如圖2所示。在該鉆削參數(shù)下，釬焊金剛石套料鉆已屬于重負(fù)荷工作狀態(tài)。由于僅當(dāng)在難加工材料的高效重負(fù)荷加工中，才能突出新一代釬焊工具的加工優(yōu)勢，因此對(duì)比試驗(yàn)有意選擇在重負(fù)荷條件下進(jìn)行。每種釬料制作套料鉆各4支進(jìn)行試驗(yàn)。

 圖　1　釬焊金剛石套料鉆形貌

　　運(yùn)用KH-7700三維視頻顯微鏡、Quanta200型掃描電鏡(SEM)對(duì)套料鉆的磨損情況及釬焊金剛石磨粒進(jìn)行微觀形貌觀察；HXS-1000AK型顯微硬度儀測試釬料的顯微硬度（測試條件：載荷0.2kg，保載時(shí)間15s）；采用DKY-2型單顆粒抗壓強(qiáng)度測定儀測定釬焊前后金剛石的靜壓強(qiáng)度。

圖2　鉆削過程

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為考察套料鉆的使用壽命，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，在相同的鉆削參數(shù)下，統(tǒng)計(jì)釬焊金剛石套料鉆失效時(shí)的平均累計(jì)鉆進(jìn)深度h。鉆削試驗(yàn)一直進(jìn)行到套料鉆失去鉆削能力為止。圖3為不同釬料釬焊的金剛石套料鉆的累計(jì)鉆進(jìn)深度對(duì)比，圖3a為分別采用3種釬料釬焊的3個(gè)金剛石套料鉆的累積鉆進(jìn)深度，圖3b為每種釬料釬焊的金剛石套料鉆的平均鉆進(jìn)深度。

圖3　不同釬料釬焊套料鉆鉆進(jìn)深度對(duì)比

　　由圖3a可知，3種釬料釬焊的金剛石套料鉆壽命均不同，為了排除偶然因素帶來的影響，每種釬焊工藝下制備了3種釬焊金剛石套料鉆，取其平均壽命，如圖3b所示。由圖3可見，(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀釬料釬焊的金剛石套料鉆壽命比(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈、(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀釬料釬焊的金剛石套料鉆壽命均長；(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀釬料釬焊的金剛石套料鉆使用壽命次之；(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈合金釬焊的金剛石套料鉆在同等鉆削條件使用壽命最短。

　　采用大景深三維視頻顯微鏡觀察鉆削過程中金剛石套料鉆上的磨粒磨損形態(tài)及金剛石套料鉆鉆削失效時(shí)套粒的最終形貌如圖4所示。

　　鉆削時(shí)3種釬料釬焊的金剛石工套料鉆上的磨粒均為破碎磨損，沒有出現(xiàn)磨粒脫落現(xiàn)象，說明3種釬料對(duì)金剛石已達(dá)到牢固結(jié)合。

圖4　釬焊金剛石套料鉆失效時(shí)磨粒最終形貌對(duì)比圖

　　釬料是釬焊時(shí)的填充材料，它在釬焊過程中起著非常重要的作用。釬料自身的性質(zhì)對(duì)釬焊效果來說有很大影響，因此，采用HXS-1000AK型顯微硬度儀對(duì)釬料的顯微硬度進(jìn)行測試，各種釬料平均硬度值見表1。

表1　釬料顯微硬度 

　　由表1可見，(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀顯微硬度要比(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈、(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀合金顯微硬度低很多，則經(jīng)其釬焊后的金剛石與釬料之間存在的焊接殘余應(yīng)力也要小。

　　制備套料鉆過程中在釬焊時(shí)金剛石已經(jīng)受到損傷，可以從測定的釬焊前后金剛石磨粒的靜壓強(qiáng)度值中得到驗(yàn)證，釬焊前后金剛石強(qiáng)度對(duì)比表見表2。

表2　釬焊前后金剛石磨粒靜壓強(qiáng)度對(duì)比

　　由表2可以看到3種釬料釬焊的金剛石比原始金剛石靜壓強(qiáng)度值均下降，只是(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀釬料釬焊的金剛石靜壓強(qiáng)度值降低得較少，其他兩種釬料釬焊的金剛石靜壓強(qiáng)度有很大程度的減弱，一方面有可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器誤差引起（儀器力值誤差為±1%），另一方面也可能是因?yàn)?Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀釬料顯微硬度相對(duì)于另外兩種釬料要小很多，由其塑性就好些，從而釬料釬焊金剛石過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就要小一些，因此(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀釬料釬焊后的金剛石靜壓強(qiáng)度減弱的少。而且金剛石附近釬料上一定的塑性變形，可以用作加工硬化，有利于提高釬焊金剛石工具的加工精度^[14]。 

3結(jié)論

（1）3種配比的Cu基釬料對(duì)金剛石均已實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合；鉆削試驗(yàn)后金剛石套料鉆上的磨粒磨損形式均為破碎磨損；

（2）(Cu₈₀Sn₂₀)₉₀Ti₁₀合金較(Cu₉₀Sn₁₀)₈₂Ti₁₈和(Cu₉₀Sn₁₀)₈₀Ti₂₀合金釬焊金剛石套料鉆有更長的壽命；

（3）釬料自身的性能決定了釬焊金剛石工具的質(zhì)量。

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作者簡介

郭兆翠，女，1986年生，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生，研究方向：高效精密加工技術(shù)。