金刚石刀具银钎焊方法

麻东升，阎 兵，韩敬华

(天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300000)

金刚石物理性能稳定、晶粒组织致密，属于超高硬度材料、耐磨损、切削性能好，是制作刀具最为理想的材料。目前国内生产金刚石刀具的方法有锡钎焊、银钎焊和铜钎焊。铜钎焊接头处的强度很高，钎焊料在市场上很容易获得，钎焊在900～1 100℃高温下进行，会使金刚石金相组织发生变化，降低了金刚石刀具的切削性能和自锐性;银钎焊的加热温度(600～700℃)相对很低，钎焊接头处抵抗冲击力的能力较高，但银钎料在市场上的价格较高，钎料的品种较少，造成金刚石刀具的生产成本升高;锡钎焊所需的温度(200℃)最低，而钎焊接头处的所能承受冲击强度无法满足金属切削加工的要求，目前很少采用［1］。本文主要研究金刚石刀具钎焊中对银钎料、钎焊剂、加热设备的合理选择、钎焊工艺过程控制，以及钎焊接头处所承受应力、强度的计算等，可以有效预防或避免钎焊接头处缺陷的产生，有利于获得优质的钎焊接头，延长金刚石刀具的使用寿命。

1 银钎料的选择

银钎料是一种银基固熔体的合金，主要组成元素有银、铜、锌、镉。其中银元素占40% ～50%，钎料的熔点为600～750℃，常用厚度为0.1～0.5 mm。表1为国内、外常用几种银钎焊料。

表1 国内、外银钎焊料的主要参数

综合考虑选用牌号为313银钎料。

2 钎焊剂的选择

钎焊剂主要用于清理和去除钎焊接头处因氧化而产生的化合物，特点是熔点低，液体密度小，溶化后很容易薄敷在熔合区，可有效隔离空气，防止钎焊材料高温氧化，同时要增强液态钎料的流动性，有利于渗入钎焊接头处的间隙中，冷却后形成钎焊接头。选择常用的102钎焊剂。

3 加热设备的选用

采用高频反应加热设备进行加热，加热速度快，热量均匀而集中，便于钎焊温度的控制，无噪音、无污染、结构简单、便于观察和钎焊操作等，是目前理想的金刚石刀具加热设备。

4 钎焊工艺过程

4.1 金刚石基体材料和钎焊缝尺寸的选择

1)金刚石基体材料直接影响钎焊接头的强度，对钎料的润湿性有决定性作用。目前国内市场生产的有金刚石孕镶块和金刚石复合片作为金刚石膜，硬质合金材料作为金刚石基层的底垫，图1为金刚石孕镶块或金刚石刀头的结构［2］。

2)焊缝层尺寸决定了金刚石刀具钎焊强度的大小。以圆棒对接钎焊为例，分析金刚石刀具钎焊处应力的大小。已知刀具基体是硬质合金材料，直径为D0;钎焊层由钎料组成，其厚度为H0，直径D0，如图2所示。

取垂直于圆柱体轴线的任意横截面，应用力学公式，求出圆柱体的轴向拉应力［3］，公式为:

式中:σy—圆柱体的轴向拉应力;σs—圆柱体横截面的拉应力;Sr—比例系数(钎焊层的相对强度)，—钎焊层钎料的强度—硬质合金基体的强度;r—圆柱体的半径。

通过公式(1)得出:圆柱体轴向拉应力对称分布，在圆柱体轴心处(r=0)，应力值最大。

圆柱体的计算强度(σN)D=(σy)max，则

公式(4)得出，钎焊接头处的承载强度随钎焊层的厚度减小而增大，而随钎焊接头处的钎料强度增加而增大决定了钎焊接头处的承载能力。

金刚石刀具钎焊后所能承载的最大冲击能力与钎焊层厚度大小有关，钎焊层越薄，钎焊接头处承载应力越大，反之承载应力越小，而钎焊层的薄厚是由装配间隙的大小决定的。如果钎焊接头处的装配间隙过小，会影响液态钎料的渗入，阻碍液态钎料的润湿和相互扩散性能，造成焊层不完整等缺陷，降低了金刚石刀具的使用性能。

目前常采用切削试验法来选择和确定装配间隙的大小。在天津职业技术师范大学机械工程学院对牌号为313的银钎料，钎焊温度为850℃条件下完成的钎焊接头进行了切削试验，试验件的组装形式见图3，其实验结果见表2［4］。

从表2可见，当钎焊温度为850℃时，钎焊缝尺寸为0.15 mm，焊层的抗剪强度最大，其平均值为221 MPa。

表2 钎焊缝尺寸与抗剪强度

4.2 加热方式

高频反应设备在进行加热时，主要选用环形和矩形的感应器，如图4所示。

1)环形感应器:它用于钎焊尺寸不大的孕镶块钻头、薄壁钻头和复合片切削具等。图5a)为钎焊孕镶块钻头的方式;图5b)为钎焊薄壁钻头的方式;图5c)为钎焊复合片切削具的方式。

当圆锯片直径为250～500 mm，厚度为1.6～2.5 mm时，钎焊方式如图6所示。

2)矩形感应器

当锯片直径大于500 mm，厚度大于3 mm，其钎焊方式，如图7。

当钎焊大直径钻头时，由于受感应圈尺寸的限制，同时为了提高钎焊质量，可以在35～50 kW的真空炉中加热进行银钎焊。常采用真空碳管炉，真空度的要求为133.3×10－5Pa。设备的机械泵和油扩散泵常采用如图8所示的串联系统。

4.3 钎焊注意事项

1)金刚石刀具钎焊前，必须做好接触面的清理工作，并露出金属光泽;

2)严格对金刚石孕镶块和硬质合金基体的装配位置、间隙大小进行校正;

3)将钎焊接头处放置加热感应器中，尽量保证受热均匀;

4)钎焊完成并冷却到室温后，对刀具进行切应力和冲击力的试验，保证刀具最低的使用强度;

5)锯片式的钎焊，端面公差为 ±0.2 mm，圆周公差为 ±1.0 ～1.4 mm，见图9。

5 结束语

通过采用牌号为313银钎料和102钎焊剂，利用高频环形感应器加热对金刚石圆锯片进行银钎焊，该圆锯片直径300 mm，厚度2 mm，钎焊温度控制在850℃，钎焊缝尺寸为0.15 mm，钎焊后经过切削强度试验，焊层的抗剪强度最大，其平均值为221 MPa，通过光学显微镜和UT(超声检测)，对钎焊接头处的表面和内部进行观察和无损检测，没有发现可见缺陷特征，有效预防或避免钎焊接头处缺陷的产生，满足了切削强度的要求，从而获得了优质的钎焊接头，延长金刚石刀具的使用寿命。

［1］周玉梅，吕智，章兼植，等.钎焊技术在金刚石工具中的应用［J］.工具技术，2004(3):9－12.

［2］李飞.钎焊金刚石磨具加工石材的磨损和工艺参数优化［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2009.

［3］孟金龙.金刚石刀具高频感应钎焊工艺的研究［D］.大连:大连理工大学，2009.

［4］王立，李嫚，贾乾忠，等.金刚石刀具钎焊工艺的研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2008(3):66－69.