单晶金刚石刀具的装卡与焊接（二）

HEATS

 镶嵌法可以牢靠地固定金刚石刀头，耐高温性也较好，可以在装卡后直接研磨刀头的后刀面，从而达到较高的角度精度。修磨时只需打开压板，取出金刚石刀头，修磨合格后再重新装配，十分方便。

    镶嵌法的缺点是工艺过程较复杂，同时金刚石刀头只能露出少部分前刀面，其后部的压板会妨碍切屑流出，容易使切屑堵塞在刀刃附近而破坏已加工表面。由于镶嵌法装卡的金刚石与烧结块窝孔面之间无化学键连接，仅靠压力压紧，在加工中有可能产生微小位移，因此不太适合超精加工刀具的要求。此外，镶嵌法要求金刚石具有较大体积，这一方面导致金刚石的利用率较低，另一方面难以制作用于小孔加工的小直径刀具。

    3.钎焊法

    用钎焊法直接焊接金刚石刀具一直是一个颇受关注的问题。由于金刚石具有很高的化学稳定性，很难与其它金属发生化学反应而实现焊接，因此，如何可靠地实现金刚石与金属的牢固连接，成为金刚石工具制造业的技术难点和亟待解决的研究课题。

    实现金刚石刀具的钎焊需要解决以下问题：

    (1)润湿性能：钎焊时，钎料必须润湿被焊材料才能保证焊接部位无缺陷。由于金刚石的表面能很高，润湿性差，因此找到对于金刚石和金属基体表面均具有良好润湿性的钎料是钎焊成功的关键。

    (2)粘结性能：钎料不仅应具有良好的润湿性，还要能与被焊材料产生化学反应，形成化学键连接，才能实现具有足够粘结力的焊接。

    (3)残余应力：金刚石与金属的热膨胀系数相差近十倍，在焊接后的冷却过程中会形成很大的残余应力，从而影响焊接强度甚至损坏金刚石。

    (4)金刚石的腐蚀：金刚石在高温下会氧化或石墨化，某些金属对金刚石还具有侵蚀作用，因此必须选择合适的工作环境与钎料，将金刚石的腐蚀现象减小到最低程度。

    大量研究发现，含有钛、锆、铌、钽等活性元素的钎料在真空中可以直接润湿金刚石表面，这些活性元素还能与金刚石表面的碳原子反应生成稳定的碳化物，形成化学键连接。金属钼或钴基硬质合金与金刚石有较为相近的热膨胀系数，用作焊接基体既可以不损坏金刚石又能保证钎焊强度。在此研究基础上开发了真空条件下的金刚石钎焊技术。近年来又进一步开发了在保护气体氛围中钎焊金刚石的新技术。与真空钎焊技术相比，保护气体钎焊技术具有设备成本低，操作简便，工艺周期短等优点，并保持了与真空钎焊相当的焊接强度。这一技术的出现较圆满地解决了长期存在的金刚石钎焊技术难题。

    保护气体钎焊金刚石所用钎料为银铜钛合金，合金中银、铜、钛的成份比例分别为

    68.8%、26.7%和4.5%。保护气体为氩(95%)与氢(5%)的混合气体。焊接在如图3所示的半开放式腔体中进行。钎焊工艺过程如下：

    (1)充分清除金刚石和金属基体表面上的氧化物；

    (2)在保护气氛中加热基体及钎料，直至钎料熔化并均匀散布于基体的指定位置，然后冷却；

    (3)在基体的正确部位放置需焊接的金刚石，充入保护气体后重新加热至钎料熔化温度，再缓慢冷却至室温。

图3钎焊装置示意图

 

    采用钎焊法装卡金刚石刀头具有以下优点：焊接强度高，焊接面的剪切强度可达340MPa，可将重量仅为0.02克拉的金刚石刀头牢固地焊接在刀杆上；可在钎焊后对金刚石刀头再进行精磨，以保证刀具几何角度的加工精度；可使刀具前刀面高于刀杆，从而保证切屑排出顺畅，使切削过程及工件表面质量更加稳定可靠；可大幅度提高金刚石刀具的系统刚性。