3.8　金刚石与金属基体的钎焊

3.8.1　金刚石与金属基体的钎焊机理

金刚石与一般金属和合金之间具有很高的界面能，因此金刚石的钎焊性能很差，主要是大多数常用钎料对金刚石的润湿性很差；金刚石的线胀系数低于大多数金属材料；钎焊温度受到金刚石石墨化转变温度的限制，难以得到高强度接头。因此，金刚石工具（如钻头、锯片、砂轮）的金刚石颗粒都是仅仅将金刚石颗粒机械镶嵌在金属基体内，在使用过程中极其容易脱落。镶嵌式金刚石工具金刚石的利用率只有60%左右。我国年耗金刚石近亿克拉，这意味着我国每年有数千万克拉金刚石流失，浪费十分惊人。因此改善金刚石颗粒与金属基体的联系，是提高我国金刚石工具制造技术的重要步骤。

（1）金刚石表面与金属和合金的润湿性

①非过渡族金属元素对金刚石的润湿性。在非过渡族金属元素中，只有Al能够润湿金刚石，但是也是在1000℃以上才能润湿金刚石（1000℃Al对金刚石的润湿角为75°），而在此温度下，Al对金刚石具有明显的侵蚀作用；在1000℃以下，Al就不能润湿金刚石（见表3-1）。

②过渡族金属元素对金刚石的润湿性。过渡族金属元素（W、Ti、Zr、Cr、V、Ta、Mo）都是碳化物形成元素，都能够润湿金刚石，但是它们的熔化温度都高于1600℃，这个温度将使金刚石严重石墨化。

③金属元素对金刚石润湿性的改善。对金刚石呈惰性的低熔点金属（如Cu、Ag、Sn、Pb等）中加入少量活性元素（如Ti、Cr、V等过渡族强碳化物形成元素），可以改变金刚石的表面状态，使合金熔液对金刚石表面具有良好的润湿性（见表3-2）。

④活性元素改善对金刚石润湿性的机理。活性元素改善对金刚石润湿性的机理主要是它们可以在接触界面上发生偏析，并且与金刚石发生激烈的化学反应，形成连续的碳化物薄层，从而，降低了液态金属与金刚石之间的表面能，使合金对金刚石的润湿和焊合转变为合金对生成碳化物界面的润湿和焊合。

（2）钎料与金刚石结合界面的结构

①活性元素在钎料与金刚石结合界面的浓度分布。分析发现，在不加入活性元素的Ag-Cu、Cu-Sn钎料中，钎料元素不会发生偏析，而是均匀分布，但是在Ag-Cu钎料中加入强碳化物形成元素Cr之后就发生了明显的Cr的偏析。图3-87给出了金刚石与含Cr的Ag-Cu钎料的界面浓度偏析。

②界面生成物的结构。在光镜下观察，在钎料与金刚石结合界面上有一层白色带状物，经过X光谱和X衍射分析，证实是CrC。

（3）影响金刚石钎焊质量的因素

①钎焊温度的影响。金刚石在高温下容易氧化，因此，金刚石钎焊必须在真空中或者在惰性气体保护下进行，而且，钎焊温度不得高于金刚石的石墨化温度。

②钎焊条件的影响。钎焊温度、保温时间、冷却速度对钎缝的结晶组织形态和钎缝金属与金刚石界面的组织结构具有明显的影响。在短时间保温条件下，冷却速度慢的接头强度大于冷却速度快的接头强度；适当延长保温时间，接头强度会有所提高；但是如果进一步延长保温时间，接头强度就会急剧降低。

③线胀系数差异的影响。由于金刚石的线胀系数很小，与大多数金属的线胀系数的差异很大（见表3-4），钎焊时会产生很大的应力，从而影响接头性能。因此金刚石钎焊接头的形式非常重要，在设计钎焊接头形式时应采取尽量减小接头应力的措施，如减小钎焊，采用线胀系数与金刚石差异较小的材料（如Mo、W等）作为中间过渡材料，采用钎焊应力对金刚石产生压应力的接头形式等。

3.8.2　切割石材金刚石锯的钎焊

（1）在结合剂中加入钎料以改善金刚石烧结体（刀头）性能　金刚石锯片一般是由65锰钢基体和金刚石烧结体（刀头）焊接而成，刀头是由金刚石与作为结合剂的金属粉末均匀混合之后经过热压烧结而成。在我国，作为结合剂的金属粉末通常是纯金属粉末，金刚石锯片的生产完全由粉末冶金完成，金属粉末之间完全依靠机械啮合作用连接，工艺参数对性能影响很大，金属粉末之间的连接很弱，刀头强度很低，耐磨性很差，金刚石锯片寿命不长和使用性能不佳。

采用铜基钎料HLCu-14（见表3-35）加入金属粉末制成结合剂，其配比在表3-36中给出。这些结合剂的力学性能和对金刚石的黏结力（以金刚石脱落的百分比来衡量）在表3-37中给出，可以看到，在结合剂中加入钎料HLCu-14的力学性能和对金刚石的黏结力都有改善。

（2）采用低银钎料钎焊金刚石锯片　用于切割石材的圆盘锯和带状锯主要是由人造金刚石压条与65锰钢基体钎焊而成，使用的钎料银含量达50%。使用的钎料银含量达50%，银是贵重金属，使用低银钎料具有一定的经济意义。但是，降低银含量的同时，必须加入其它元素才能满足要求。

在Ag-Cu-Zn三元合金中加入Mn可以降低熔化温度、脱氧和提高耐热强度；Si能够明显降低熔化温度、改善流动性；Ti能够改善钎料对人造金刚石的润湿性、减少偏析、细化晶粒、提高塑性；Sn可以降低熔化温度、改善润湿性和流动性；Ni可以改善润湿性、不降低塑性而提高强度；稀土元素（混合Ce-La）可以净化晶界、提高塑性和强度。因此，加入这些元素总量为1.5%～4.0%，Ag20%～24%，Zn30%～38%，余量为Cu的钎料，其熔化温度为602～768℃，钎焊温度为750～790℃。钎料的组织主要是电子型金属间化合物为基体的固溶体，具有良好的塑性。钎料的强度在439MPa以上。采用此钎料钎焊的人造金刚石与65Mn接头的剪切强度为61.9MPa，而采用304钎料的钎焊接头的剪切强度为41.7MPa，提高了50%。图3-88所示为人造金刚石与65Mn钎焊接头的显微组织，可以看到，钎料与基体都形成了良好的冶金结合。