金剛石磨粒具有高硬度、強(qiáng)耐磨性和極佳導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能，在加工硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、寶石等高硬脆性難加工材料方面得到廣泛的應(yīng)用。但是具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的金剛石與一般的金屬之間有很高的界面能，難以焊接，而一般的機(jī)械鑲嵌、物理吸附?jīng)]有足夠把持力[1]。自20世紀(jì)90年代初以來，國外及我國臺灣地區(qū)先后研究采用高溫釬焊工藝開發(fā)新一代金剛石工具，利用活性金屬元素（如Ti、Cr、Mo、W等）在金屬釬料與超硬磨粒界面處形成化學(xué)冶金結(jié)合，大大提高了結(jié)合劑對金剛石磨粒的把持強(qiáng)度，使砂輪使用壽命顯著提高[2-3]。

　　但是在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，釬焊金剛石工具仍存在金剛石易石墨化、金剛石釬焊界面脆性金屬間化合物影響釬焊強(qiáng)度、釬焊接頭殘余應(yīng)力集中等釬焊質(zhì)量問題。同時(shí)，由于高效精密制造技術(shù)的發(fā)展，對金剛石磨粒釬焊技術(shù)又提出了釬料能夠根據(jù)磨粒磨損狀態(tài)智能地控制金剛石脫落、釬料與金剛石之間磨損率匹配、提高釬焊接頭散熱性能和增大容屑空間等新要求[4]。

　　因此，如何將新要求科學(xué)地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸F焊質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)，以及如何改進(jìn)金剛石釬焊技術(shù)滿足這些新要求是一項(xiàng)具有重大意義的工作。本文總結(jié)當(dāng)前金剛石釬焊質(zhì)量評判方法，論述了有關(guān)金剛石釬焊質(zhì)量影響因素及影響機(jī)理的國內(nèi)外研究進(jìn)展，并對未來金剛石釬焊技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　從20世紀(jì)90年代初金剛石釬焊技術(shù)被提出以來，從事金剛石釬焊技術(shù)研究的學(xué)者們主要從金剛石釬焊微觀形貌特征、釬焊金剛石刀具摩擦磨損性能、金剛石釬焊強(qiáng)度、金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力等方面來評判金剛石釬焊質(zhì)量。

　　1.1 釬焊金剛石微觀形貌特征

　　金剛石釬焊微觀形貌特征主要包括：金剛石表面形貌和釬料形貌，以及金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌等。其中，金剛石表面形貌可以反映出其熱損傷或石墨化程度，釬料形貌可以反應(yīng)出釬料對金剛石的潤濕鋪展程度，金剛石、釬料和基體三者之間的界面化合物形貌可以反應(yīng)出三者之間的化學(xué)冶金反應(yīng)狀態(tài)。

       鄧朝暉等[5]通過掃描電鏡觀察了金剛石釬焊接頭的微觀形貌特征。如圖1所示，圖1(a)部分釬料粉末沒有完全熔化，釬料對金剛石的潤濕鋪展不充分；圖1(b)金剛石仍晶形完整、棱角分明，沒有出現(xiàn)明顯的熱蝕痕跡，并且釬料與金剛石結(jié)合致密，釬料粉末鋪展充分；而圖1(c)金剛石出現(xiàn)一定程度的熱刻蝕現(xiàn)象。Khalid等[6]通過透射電鏡(TEM)觀測金剛石與釬料之間形成的界面化合物TiC形態(tài)分為兩層,在第二層TiC呈脆性拉長柱狀形態(tài)(圖2)。

　　圖1不同溫度下真空釬焊10min金剛石表面形貌

圖2 TEM金剛石釬焊界面化合物TiC分層形貌

　　1.2 釬焊金剛石磨粒摩擦磨損性能

　　在磨粒磨削加工過程中，磨粒承受來自工件的沖擊作用和接觸產(chǎn)生的熱載荷。倘若釬焊接頭強(qiáng)度不足把持住高負(fù)荷加工狀態(tài)的磨粒，磨粒將產(chǎn)生非正常脫離。根據(jù)此原理，開展金剛石磨粒摩擦磨損試驗(yàn)，其結(jié)果可以用來評判釬焊性能。伍俏平等[7]采用Dino-Lite數(shù)碼顯微鏡觀測了新型釬焊金剛石纖維砂輪及普通樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪表面磨損情況。如圖3所示，當(dāng)普通砂輪工作面上出現(xiàn)了較多脫落坑時(shí)而釬焊金剛石纖維砂輪少有金剛石整顆脫落的情況。黃輝等[8]也通過Hirox型三維視頻系統(tǒng)對比觀察釬焊金剛石砂輪和普通燒結(jié)砂輪磨粒磨損狀態(tài)。

　圖3 砂輪工作表面情況

　　1.3 金剛石釬焊強(qiáng)度

　　釬焊強(qiáng)度是高性能釬焊接頭的重要直接評判標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)受力方向分為抗拉 伸強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度,抗拉伸強(qiáng)度雖然能直接反映材料界面上結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，但抗剪切強(qiáng)度更符合磨粒磨削加工過程中受力狀態(tài)。瑞士SebastianBuhl等在平行于接觸面上50μm的高度施加載荷，分析了在不同釬焊溫度、不同保溫時(shí)間下的剪切強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn) 示意圖及結(jié)果如圖4所示[9]。

圖4 強(qiáng)度測試

　　1.4 金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力

　　殘余應(yīng)力是影響金剛石釬焊接頭性能的重要因素，殘余應(yīng)力過大將導(dǎo)致釬焊接頭萌生裂紋，導(dǎo)致磨粒在加工過程中產(chǎn)生不正常脫落或磨損。目前對金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力的研究主要采用試驗(yàn)測量和有限元仿真分析。Khalid等人[6]通過透射電鏡發(fā)現(xiàn)在TiC層與金剛石接觸界面存在應(yīng)變反差現(xiàn)象。如圖2(b)B點(diǎn)所示，該現(xiàn)象發(fā)生是因?yàn)樵阝F焊過程中金剛石和TiC因熱膨脹系數(shù)不匹配，相互之間熱變形受到約束。

       Buhl[9]、丁文峰[10]等人使用拉曼光譜儀 器對釬焊金剛石接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值分析技術(shù)等的飛速發(fā)展，許多研究人員采用數(shù)值模擬的手段對金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析。如孫鳳蓮等人[11]通過有限元仿真試驗(yàn)，分析了釬焊工藝參數(shù)對金剛石釬焊接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力分布及大小的影響，預(yù)報(bào)了焊后裂紋產(chǎn)生危險(xiǎn)區(qū)域。

      在釬焊金剛石工具制備的過程中，釬料粉末、鍍覆金剛石類型、釬焊工藝參數(shù)（包括釬焊溫度、保溫時(shí)間、釬焊氣氛等），都對金剛石釬焊性能有很大影響。

　　2.1 釬料成分

　　在金剛石釬焊過程中，金剛石依靠熔化的釬料連接起來，釬料自身的性能很大程度上影響金剛石釬焊接頭的性能。在設(shè)計(jì)釬料成分及配比的過程中，需考慮以下基本要求：

　　(1)釬料具有合適熔點(diǎn)。熔點(diǎn)不能高于金剛石石墨化溫度，也不能過低，若熔點(diǎn)太低，則在磨削過程中，可能因?yàn)檩^高的磨削溫度導(dǎo)致釬料軟化，造成磨粒過早脫落。目前，Ni-Cr釬料應(yīng)用最廣泛，但其釬焊溫度較高（900℃以上），金剛石有石墨化的傾向，影響釬焊金剛石的強(qiáng)度和工具壽命[12]。而Ag-Cu釬料熔點(diǎn)低，焊后接頭使用溫度不能超過500℃，且釬料中含有貴金屬，成本較高，使用也受到一定的限制。銅基釬料相對Ag基釬料，具有燒結(jié)溫度低、成本低、好的成形性和可燒結(jié)性，以及與其他元素相容性好等特點(diǎn)，但是Cu對金剛石幾乎不潤濕[7]。

　　(2)釬料對金剛石具有良好的浸潤、擴(kuò)散作用。 較好的浸潤、擴(kuò)散作用可以保證釬料與金剛石磨粒之間形成牢固的化學(xué)冶金結(jié)合，提高釬焊強(qiáng)度。張鳳林等通過在釬料合金中添加Cr、Ti金屬粉，改善了釬料合金對金剛石的潤濕性能[13]。

　　(3)釬料應(yīng)具有穩(wěn)定、均勻的成分，以減少釬焊過程中的偏析現(xiàn)象和易揮發(fā)元素的損耗。孫鳳蓮等[14]通過優(yōu)化配比活性金屬的加入量，防止過量高脆性金屬化合物的產(chǎn)生。王毅等[15]利用混料回歸設(shè)計(jì)建立了Cu-Ni-Sn-Ti活性釬料成分與釬焊性能的回歸方程，分析釬料元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對釬料性能的影響規(guī)律。

　　(4)釬料具有一定的強(qiáng)度和硬度。在磨削過程中，如果釬料強(qiáng)度和硬度不夠，那么將導(dǎo)致自身快速磨損，失去對磨粒把持能力。Khalid等[6]通過分析金剛石、釬料和基體三者之間的界面，發(fā)現(xiàn)Ti元素的加入也使釬料本身的強(qiáng)度增大，耐磨性增大，但是Ti含量過多，會導(dǎo)致合金熔點(diǎn)升高，以及金屬化合物增多，釬焊接頭脆性增大。

　　(5)避免由于物理性能的不匹配導(dǎo)致金剛石與釬料截面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

　　2.2 金剛石鍍膜

　　金剛石鍍膜是指在金剛石表面鍍覆一層親和性金屬，并且使鍍層與金剛石之間發(fā)生牢固的化學(xué)鍵合，降低金剛石的表面能，使之易于被金屬結(jié)合劑所浸潤，改善金剛石表面的可焊性，實(shí)現(xiàn)金剛石與金屬之間的強(qiáng)力冶金結(jié)合。馬伯江等[16]通過使用表面鍍覆了一層非晶態(tài)碳膜的金剛石顆粒進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)浸沒在釬料層下面的金剛石表面生成了形核質(zhì)點(diǎn)分布較均勻的鉻碳化合物，釬料對金剛石具有良好的釬焊效果。鄧朝暉等[5]利用Cu-10Sn-5Ti釬料粉末在鋼基體上真空釬焊鍍Ti金剛石，發(fā)現(xiàn)金剛石由于鍍Ti層的保護(hù)隔離作用，大大降低了熱損傷和石墨化，且金剛石的晶型完整。

　　2.3 釬焊工藝參數(shù)

　　雖然按金剛石釬焊過程加熱不同，釬焊工藝可分為高溫爐中釬焊，高頻感應(yīng)釬焊，激光燒結(jié)釬焊等，但是不論那種釬焊工藝，對金剛石釬焊性能的影響都主要通過釬焊溫度、保溫時(shí)間、釬焊氛圍等釬焊工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　2.3.1 釬焊溫度以及保溫時(shí)間

　　釬料的熔化填充，以及熔化的釬料與金剛石表面的化學(xué)冶金反應(yīng)的過程都離不開釬焊溫度大小和保溫時(shí)間作用。向?qū)O祖等[17]認(rèn)為釬焊溫度對釬焊接頭質(zhì)量和磨粒分布均勻性，以及釬料在磨粒表面的爬升高度產(chǎn)生重要影響。徐正亞等[18]研究了不同保溫時(shí)間的釬焊金剛石試樣磨削性能，得出了如果缺乏保溫階段，界面反應(yīng)產(chǎn)物的量很少，只在金剛石磨粒的局部有少量的化合物生成，磨粒易脫落。

　　2.3.2 釬焊氣氛

　　由于金剛石在高溫下易氧化和石墨化，金剛石的釬焊工藝一般是在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行的，但不同的釬焊氣氛對金剛石釬焊形貌、中間碳化物生成情況、金剛石石墨化及磨粒破損形式等的影響不同。陳燕等[19]在真空和Ar氣兩種不同的氛圍中，進(jìn)行了爐中釬焊金剛石磨粒的試驗(yàn)研究，得出了不同的釬焊氣氛導(dǎo)致不同金剛石磨耗特性等結(jié)論。伍俏平等人[20]利用Cu-10Sn-5Ti釬料粉末，在空氣、Ar氣保護(hù)和真空氣氛下分別對金剛石進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在Ar氣保護(hù)和真空釬焊時(shí)，釬料充分潤濕和鋪展，金剛石石墨化程度很小。

　　從目前砂輪的研究現(xiàn)狀來看,對金剛石釬焊質(zhì)量主要通過金剛石釬焊微觀形貌特征、釬焊金剛石刀具摩擦磨損性能、金剛石釬焊強(qiáng)度、金剛石釬焊接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行分析。但是從高效精密加工的角度來看，金剛石釬焊強(qiáng)度并不是越大越好，過大的釬焊強(qiáng)度將導(dǎo)致磨鈍的金剛石磨粒無法脫落，而磨鈍的磨粒將帶來磨削燒傷、磨削裂紋等加工質(zhì)量問題。此外，對于多層金剛石釬焊砂輪，如果釬料磨損率與金剛石磨損率之間具備一定匹配關(guān)系，那么將有可能實(shí)現(xiàn)上一層金剛石磨損后，下一層金剛石的及時(shí)補(bǔ)償。

        另外，磨削加工技術(shù)對加工刀具散熱性能和容屑性能也有較高要求。而這些要求在當(dāng)前金剛石釬焊質(zhì)量評判方法中較少有文獻(xiàn)給出。因此,隨著高效精密制造技術(shù)的發(fā)展，對金剛石釬焊技術(shù)提出的要求也日益提高。而對于如何開展下一步研究，筆者認(rèn)為有如下幾點(diǎn)是需要重點(diǎn)考慮的：

　?。?）進(jìn)一步研究分析金剛石釬焊強(qiáng)度的影響因素及影響機(jī)理，通過優(yōu)化組合相關(guān)釬焊工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對金剛石磨粒釬焊強(qiáng)度的控制方法。

　?。?）通過對金剛石釬料的選取和配方的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)基體材料與磨粒之間磨損性能的匹配,使磨粒在磨削過程中自動均勻的出露,無需修整。

　?。?）通過改進(jìn)相關(guān)工藝,在實(shí)現(xiàn)砂輪基體材料 對磨粒有合適地持力的基礎(chǔ)上,引入造孔劑提高基體材料的孔隙率,增大容屑空間和散熱能力,實(shí)現(xiàn)工件的無熱損傷加工。