钎焊镀钛金刚石钻头的研制及其钻进性能分析

管海军, 肖 冰, 高先哲, 肖 博, 刘思幸

(南京航空航天大学 机电学院， 南京210016)

钎焊金刚石钻头由于把持力强、出露高度高，在钻削硬脆材料时显示出优异的加工性能[1]。但无镀层金刚石会在钎焊中产生一定的热损伤，从而使制作的钻头使用性能受到影响[2-3]。为了提高钎焊金刚石钻头的钻进性能，选用镀钛金刚石为磨粒，利用镀层来保护金刚石，降低其热损伤程度。金刚石表面镀钛之后，会对其钎焊性能产生较大的影响，需要选择合适的钎料来钎焊镀钛金刚石。Ni-Cr、Cu-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti系合金是最为常用的钎料，但Ag-Cu-Ti钎料由于在高温下易软化，在重负荷工作条件下易磨耗，且该钎料中银含量较高，成本偏高，使用受到一定的限制。因此，我们尝试分别使用Ni-Cr和Cu-Sn-Ti等2种合金钎料制作钎焊镀钛金刚石钻头，以期获得较好的钻进性能。

1 试验条件与过程

1.1 试验材料和条件

试验选用中南钻石有限公司生产的ZND2190和ZND2190-Ti(镀钛)系列金刚石，粒度均为40/45；基体材料为45#钢，钎焊前超声清洗表面并烘干；钎料选用Ni-Cr和Cu-Sn-Ti系合金；钎焊设备为高温真空钎焊炉。对Ni-Cr钎料，钎焊温度选用1050 ℃，而对Cu-Sn-Ti钎料，钎焊温度选用960 ℃。保温时间均为15 min，冷却方式为随炉冷却。钻进平台自行搭建，钻机功率650 W，额定转速2 500 r/min，恒压进给。钻进对象为冠军牌玻化砖，型号为P60125。Ni-Cr钎料常用来干钻，试验时在其所制钻头内孔中加入石蜡并进行干钻试验。Cu-Sn-Ti钎料由于其熔点低，易软化，不适合干钻，因此对其所制钻头采用水冷方式进行湿钻。

1.2 试验过程

对同种钎料钎焊的镀钛金刚石和无镀层金刚石钻头进行钻进试验，验证金刚石镀钛后是否可以提高钎焊金刚石钻头的寿命和效率，并对其机理进行分析。图1是制作的钎焊金刚石钻头头部示意图与钻头实物图。

(a)钻头头部示意图

(b)实物图

1.3 试验分析方法

每种钻头制作5支，对玻化砖进行钻孔试验，当钻进时间过长，钻进困难时认为钻头失效，记录钻孔数和每个孔的钻进用时，测量值取多次测量平均值；用Rigaku Ultima IV型X射线衍射仪对镀钛金刚石镀层物相进行分析；用GENESIS 2000 XMS60型能谱仪对镀钛金刚石钎焊界面进行线扫分析，观察元素之间的扩散情况；用Renishaw Invia型拉曼光谱仪对钻进后金刚石表面石墨化情况进行检测，分析镀钛层对金刚石的保护作用。

2 试验结果与分析

2.1 4种钎焊钻头的钻进试验结果

图2是Ni-Cr钎料制作的2种钻头的钻孔数据对比图。结果显示：使用Ni-Cr钎料制作的无镀层金刚石钻头平均钻进36个孔，而镀钛金刚石钻头平均只能钻进21个孔，平均钻进寿命下降了41.7%，说明Ni-Cr钎料钎焊镀钛金刚石效果差，不适合用于镀钛金刚石的钎焊。

图3是Cu-Sn-Ti钎料制作的2种钻头的钻孔数据对比图。由图3可知：Cu-Sn-Ti钎料制作的无镀层金刚石钻头平均打孔数为49个，镀钛金刚石钻头平均打孔数为47个，两者平均寿命相当。说明Cu-Sn-Ti

图2 Ni-Cr钎料制作的钻头钻孔数据对比图

钎料对镀钛金刚石也可以实现牢固结合，适合用于镀钛金刚石的钎焊。同时还发现，对Cu-Sn-Ti钎料而言，其制作的镀钛金刚石钻头加工单个孔所用的时间要小于无镀层金刚石钻头，说明镀钛金刚石钻头的钻进效率更高。

图3 Cu-Sn-Ti钎料制作的钻头钻孔数据对比图

2.2 Ni-Cr钎料与镀钛金刚石结合界面分析

图4是镀钛金刚石X射线衍射谱。图4中同时存在C(金刚石)、TiC和Ti 3种衍射峰。TiC衍射峰的存在，说明钛与金刚石镀覆时已发生化学反应，在金刚石表面形成TiC层。Ti衍射峰的存在，说明金刚石表层依然存在少量未反应的Ti。

图4 镀钛金刚石X射线衍射谱

图5是Ni-Cr钎料钎焊镀钛金刚石界面形貌及线扫图。图5中，在金刚石界面处C、Cr、Ni元素的质量浓度均缓慢过渡，说明镀钛金刚石与Ni-Cr钎料之间存在明显的元素扩散现象，形成了化学键结合。

(a)形貌图(b)线扫图图5 Ni-Cr钎料钎焊镀钛金刚石界面线扫图

用王水对Ni-Cr钎料钎焊的2种金刚石磨粒进行腐蚀，所得磨粒形貌如图6所示。图6中金刚石表面均有生成物产生，无镀层金刚石表面的生成物致密完整，但镀钛金刚石表面的生成物杂乱稀疏且不完整。

(a)无镀层(b)镀钛图6 腐蚀后金刚石形貌图

对图6中金刚石表面的生成物局部放大，得到图7的金刚石表面碳化物形貌图。图7中2种金刚石表面生成物均呈棱柱状和片状。由文献[4]可知，棱柱状生成物为Cr7C3化合物，片状生成物为Cr3C2化合物。从磨粒表层的碳化物整体分布来看，无镀层金刚石表面以片状碳化物为主，而镀钛金刚石表面以棱柱状碳化物为主。

(a)无镀层(b)镀钛图7 金刚石表面生成的碳化物形貌

综上所述，Ni-Cr钎料钎焊镀钛金刚石，金刚石界面处存在元素扩散，形成化学键结合；但由于镀层的阻挡，减缓了碳原子的扩散，导致镀钛金刚石表面主要生成了含碳量相对较少的Cr7C3。无镀层金刚石表面的生成物致密完整，有利于钎料的爬升，界面结合强度高；而镀钛金刚石表面的生成物杂乱稀疏且不完整，导致钎料对镀钛金刚石的把持力低，易脱落，最终导致其制作的钻头寿命下降明显。

2.3 Cu-Sn-Ti钎料与镀钛金刚石结合界面分析

图8是Cu-Sn-Ti钎料钎焊镀钛金刚石界面形貌及线扫描图。图8a中镀层没有出现有关文献[5]中提到的开裂现象，说明镀层与金刚石结合牢固。图8b中，在金刚石界面处C、Sn、Ti、Cu元素的质量浓度均呈缓慢的过渡变化，说明镀钛金刚石与Cu-Sn-Ti钎料之间存在明显的元素扩散现象，形成了化学键结合。

(a)形貌图(b)线扫描图图8 Cu-Sn-Ti钎料钎焊镀钛金刚石界面形貌及线扫描图

对Cu-Sn-Ti钎料钎焊的镀钛金刚石进行电解腐蚀，对其表面残留的生成物进行能谱分析，结果如图9所示。图9所示生成物由Ti、C等2种元素组成，说明镀钛金刚石钎焊界面处的生成物为TiC，这与无镀层金刚石钎焊界面处生成的物质[6]一致。

图9 Cu-Sn-Ti钎料钎焊镀钛金刚石表面生成物能谱图

综合起来，Cu-Sn-Ti钎料钎焊镀钛金刚石，金刚石界面处存在元素扩散，形成化学键结合，且与钎焊无镀层金刚石相同，生成物均为TiC。有资料显示[7]，Cu-Sn-Ti钎料中的Ti能够有效降低Cu和Sn对TiC的润湿角，这就提高了该钎料对镀钛金刚石的润湿性，增加了结合强度，因而镀钛层的存在对Cu-Sn-Ti钎料的影响较小，制作的钻头平均寿命相似。

2.4 镀钛金刚石表面石墨化分析

钎焊金刚石在钻进玻化砖时，加工温度较高，金刚石容易石墨化[8]，石墨化后的金刚石刃口容易钝化，降低钻进效率，因此降低金刚石石墨化程度是提高其钻进效率的措施之一。对Cu-Sn-Ti钎料钎焊的2种金刚石钻头加工25个孔后的磨粒进行石墨化分析，图10给出了2种金刚石磨粒拉曼光谱图。

已知金刚石的拉曼峰位于1332 cm-1附近，而石墨的拉曼峰位于1580 cm-1附近。从图10可知：无镀层金刚石拉曼光谱中石墨峰较高，说明其表面发生了石墨化现象，金刚石切削刃口容易磨平而钝化，导致其加工效率逐渐下降；镀钛金刚石拉曼谱中石墨峰很低，说明镀钛金刚石由于镀层的保护，内部金刚石不易石墨化，磨粒的刃口保持锋利的时间长，加工效率更高。

(a)无镀层

(b)镀钛

3 结论

(1)Ni-Cr钎料钎焊镀钛金刚石后，表面生成了稀疏杂乱且不完整的碳化物层，导致钎料对镀钛金刚石的把持力低，易脱落。制作的钎焊金刚石钻头平均寿命下降了41.7% ，不适合制作镀钛金刚石钻头。

(2)Cu-Sn-Ti钎料钎焊制作镀钛金刚石钻头与无镀层金刚石钻头相比较，镀钛层的存在对Cu-Sn-Ti钎料影响较小；2种金刚石表面生成物同为TiC，2种钻头钻进平均寿命相当。

(3)由于镀钛金刚石存在镀层保护，内部金刚石不易发生石墨化，金刚石刃口可较长时间保持锋利，因此用Cu-Sn-Ti钎料钎焊制作的镀钛金刚石钻头钻进效率高于无镀层金刚石钻头。

[1] 张子煜. 钎焊金刚石薄壁小孔钻研制 [J]. 机械制造与研究, 2011, 40(4): 57-61.

ZHANG Ziyu. Research on brazing diamond minor diameter thin-walled drill [J]. Machine Building and Automation, 2011, 40(4): 57-61.

[2] 陈燕. 高温钎焊金刚石磨料热损伤分析及其控制对策的基础研究 [D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008.

CHEN Yan. Fundamental research on thermal damage of brazed diamond and its control strategy [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008.

[3] 卢金斌, 汤峰. Ni-Cr合金真空钎焊金刚石的热损伤分析 [J]. 焊接学报, 2010, 31(8): 25-28.

LU Jinbin,TANG Feng. Thermal damage analysis of vacuum brazing diamond with Ni-Cr alloy [J]. Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(8): 25-28.

[4] 肖冰. 单层超硬磨料工具高温钎焊的基础研究 [D]. 南京: 南京航空航天大学, 2001.

XIAO Bing. Basic research on high temperature brazing of single-layer super hard abrasive tools [D]. Nanjing: Nanjing University of Aero-nautics and Astronautics, 2001.

[5] 邓朝晖. 铜基钎料真空钎焊镀钛金刚石 [J]. 硅酸盐学报, 2011, 39(2): 343-348.

DENG Zhaohui. Vacuum brazing of Ti-coated diamonds with Cu-based alloy powder [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2011, 39(2): 343-348.

[6] 刘心宇, 张汉城. 铜基钎料真空钎焊金刚石 [J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2007(3): 26-28.

LIU Xinyu, ZHANG Hancheng. Experimental research on vacuum brazing of diamond with active Cu-based alloy [J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2007(3): 26-28.

[7] FRAGE N, FROUMIN N, DARRIEL M P. Wetting of TiC by non-reaction liquid metals [J]. Acta Materialia, 2002, 50: 237-245.

[8] HAN Y J, XU X P. An experimental investigation of temperatures and energy partition in grinding of cemented carbide with a brazed diamond wheel [J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2012, 61(1-4): 117-125.