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摘 要：超硬磨料钎焊工具已经成为现代磨削技术发展的需要，甚至成为解决某些重要零件加工难题的关键技术。该文从钎焊机理、钎焊的优势以及钎焊技术应用等方面进行了深入地分析。
关键词：钎焊工具 超硬磨料 钎焊工艺 金刚石 CBN
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0030-01
目前超硬磨料工具包括金刚石工具和立方氮化硼（CBN）工具，可以加工陶瓷、高温合金等难加工材料，但是超硬磨料工具的损耗十分严重，主要是因为在加工过程中超硬磨料容易从工具表面早期脱落。为了解决磨粒早期脱落，就需要提高磨粒的有效固结强度或把持能力，超硬磨料钎焊技术正是解决这一问题的关键技术。
1 钎焊机理的研究
磨粒的脱落主要是与结合剂对磨粒的把持能力有关，传统金刚石砂轮是由镍基电镀层或烧结金属结合剂把持磨粒，对磨粒的把持基本依靠机械式的包埋，力量非常弱，磨削过程中磨粒受到较强的冲击力时很容易被剥离出结合剂。而且传统金刚石砂轮，磨粒的排布随机性很强，磨粒的聚集会造成磨粒间距疏密不均，这样会造成聚集区域磨粒冗余性大，非聚集区域磨粒常常因过载而形成碎裂和脱落。
传统金属结合剂金刚石砂轮之所以没有形成牢固而有效的磨粒把持，就是因为金刚石具有良好的化学惰性，其可焊性非常差，对大多数金属基本上不浸润，金刚石真正的表面金属化就非常困难。然而可以找到某些对金刚石浸润的液态金属[1]，并在这种浸润金属液体中加入少量的活性合金元素，使其在一定的温度条件下可以和金刚石产生化学反应，生成新的梯度材料，这样就牢固地将金刚石牢固固结在砂轮表面上，因此，磨粒就不会在磨削过程中出现脱落。
目前使用最多的金刚石钎料有3种，一种是Ni-Cr；一种是Ag-Cu-Ti；一种是Cu-Sn-Ti。Ni-Cr钎料钎焊技术的研究最早，因为其熔融温度超过1000oC，在高温下钎料与金刚石的反应强烈[2]，磨削实验证明钎焊牢固可靠。但是它钎焊的温度太高了，在这么高的温度环境下还有Ni等触媒元素的作用，金刚石容易形成表面的石墨化[3]，石墨的剪切强度非常低，这样会造成钎焊效果的不稳定。Ag-Cu-Ti钎料的研究较多[4]，因为Ag-Cu-Ti合金能够在金刚石表面良好铺展，其钎焊温度一般在800℃～900℃，所以金刚石的石墨化相对较低，而且随着温度的升高，其界面反应更加强烈，钎焊的可靠性会大大增加。Cu-Sn-Ti钎料因为其成本的低廉而备受研究者的注目，而且Cu-Sn-Ti钎料有较高的强度和较好的抗腐蚀性能，但是Cu-Sn-Ti钎料的钎焊机理非常复杂，Cu-Sn-Ti对于生成的外延TiC层厚度非常敏感，这可能是由于界面应力环境的变化造成的。
金刚石砂轮只能用于有色金属和脆性材料的加工，而对于那些需要大去除率的黑色金属则需要选用CBN砂轮，CBN砂轮钎焊技术的研究也变得越来越多[5]。CBN超硬材料也具有典型的化学惰性，其可焊性比金刚石更差。但运用适当的钎料和钎焊工艺还是可以实现CBN与钎料的化学冶金结合。CBN的钎焊多用Ag-Cu-Ti钎料和Cu-Sn-Ti钎料，钎料中的活跃元素Ti与CBN中首先容易扩散迁移的N元素形成间隙化合物，随着反应的进行Ti元素逐渐向CBN表面富集，形成了CBN界面的梯度复合材料，实现了CBN的牢固固结。
综上所述，钎焊超硬磨料砂轮解决了磨粒可靠固结的问题，钎焊超硬磨料砂轮的实验表明磨粒在磨削过程中不出现脱落。钎焊超硬磨料砂轮可以应用于强力磨削，高效深切磨削，高速磨削等先进的磨削技术领域，完全适应了现代磨削技术的发展。
2 钎焊工具的优势
（1）钎焊工具具有磨粒的大出露，形成了较大的容屑空间，提高磨削液的冷却效率，实现了冷态磨削。磨粒大出露可以进行无修整磨削，这种砂轮具有更高的防堵塞性。
（2）钎焊砂轮可以使用模板对磨粒进行有序排布，磨粒的排布使得钎料在磨粒间的分布更加均匀，磨粒也不会由于钎料的表面张力而聚集在一起，形成了良好的砂轮磨削性能。
（3）钎焊砂轮从制作、使用到报废相对其他砂轮来说是非常绿色的[6]，首先钎焊砂轮制作过程中不产生像电镀液那样的废料；其次钎焊砂轮在使用过程中磨削液的使用量少；钎焊砂轮无修整损耗；磨粒大出露减小了砂轮表面与工件之间的摩擦，降低了加工能耗；所以钎焊砂轮的使用具有环境友好性。最后砂轮经使用报废后仅去掉表层磨耗的磨粒剩余部分即可回收利用，这样钎焊砂轮提高了砂轮整体的利用水平。
3 钎焊工艺的发展
近年来，出现了各种钎焊工艺如真空钎焊、Ar气保护钎焊[7]、高频感应钎焊[8]、激光钎焊[9]、玻璃钎焊等。钎焊工艺方法灵活多样，拓宽了各种钎焊工具的开发手段。
4 结语
通过以上分析，可以认为钎焊工具是最有发展潜力的现代磨削工具之一，钎焊工具的研究仍然是以后研究的热点。
参考文献
[1] K.Nogi，M.Nishikawa，H.Fujii，S.Hara. Wettablity of diamond by liquid pure tin[J].Acta Material，1998，46（7）.
[2] 肖冰，徐鸿钧，武志斌，等.Ni-Cr合金真空单层钎焊金刚石砂轮.焊接学报，2011，22（2）.
[3] Sheng-Fang Huang， Hsien-Lung Tsai， Shun-Tian Lin. Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix[Z]. Materials Chemistry and Physics，2004.
[4] 卢金斌，徐九华.Ag-Cu-Ti钎料钎焊金刚石的界面微观组织分析[J].焊接学报，2007，28（8）.
[5] 丁文锋，徐九华，卢金斌，等.高温钎焊立方氮化硼界面微结构.焊接学报，2004，25（5）：29-32.
[6] 武志斌，肖冰，徐鸿钧.单层钎焊超硬磨料砂轮与绿色制造[J].机械制造，2002，40 （455）： 10-11.
[7] 姚正军，徐鸿钧，肖冰，等.Ni-Cr合金Ar气保护炉中钎焊金刚石砂轮的研究[J].中国机械工程，2001，12（8）：956-958.
[8] 马伯江，徐鸿钧，傅玉灿，等.高频感应钎焊金刚石界面特征[J].焊接学报， 2005，26（3）：50-54.
[9] 杨志波.金刚石磨粒激光钎焊工艺与机理研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.
关键词：钎焊工具 超硬磨料 钎焊工艺 金刚石 CBN
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0030-01
目前超硬磨料工具包括金刚石工具和立方氮化硼（CBN）工具，可以加工陶瓷、高温合金等难加工材料，但是超硬磨料工具的损耗十分严重，主要是因为在加工过程中超硬磨料容易从工具表面早期脱落。为了解决磨粒早期脱落，就需要提高磨粒的有效固结强度或把持能力，超硬磨料钎焊技术正是解决这一问题的关键技术。
1 钎焊机理的研究
磨粒的脱落主要是与结合剂对磨粒的把持能力有关，传统金刚石砂轮是由镍基电镀层或烧结金属结合剂把持磨粒，对磨粒的把持基本依靠机械式的包埋，力量非常弱，磨削过程中磨粒受到较强的冲击力时很容易被剥离出结合剂。而且传统金刚石砂轮，磨粒的排布随机性很强，磨粒的聚集会造成磨粒间距疏密不均，这样会造成聚集区域磨粒冗余性大，非聚集区域磨粒常常因过载而形成碎裂和脱落。
传统金属结合剂金刚石砂轮之所以没有形成牢固而有效的磨粒把持，就是因为金刚石具有良好的化学惰性，其可焊性非常差，对大多数金属基本上不浸润，金刚石真正的表面金属化就非常困难。然而可以找到某些对金刚石浸润的液态金属[1]，并在这种浸润金属液体中加入少量的活性合金元素，使其在一定的温度条件下可以和金刚石产生化学反应，生成新的梯度材料，这样就牢固地将金刚石牢固固结在砂轮表面上，因此，磨粒就不会在磨削过程中出现脱落。
目前使用最多的金刚石钎料有3种，一种是Ni-Cr；一种是Ag-Cu-Ti；一种是Cu-Sn-Ti。Ni-Cr钎料钎焊技术的研究最早，因为其熔融温度超过1000oC，在高温下钎料与金刚石的反应强烈[2]，磨削实验证明钎焊牢固可靠。但是它钎焊的温度太高了，在这么高的温度环境下还有Ni等触媒元素的作用，金刚石容易形成表面的石墨化[3]，石墨的剪切强度非常低，这样会造成钎焊效果的不稳定。Ag-Cu-Ti钎料的研究较多[4]，因为Ag-Cu-Ti合金能够在金刚石表面良好铺展，其钎焊温度一般在800℃～900℃，所以金刚石的石墨化相对较低，而且随着温度的升高，其界面反应更加强烈，钎焊的可靠性会大大增加。Cu-Sn-Ti钎料因为其成本的低廉而备受研究者的注目，而且Cu-Sn-Ti钎料有较高的强度和较好的抗腐蚀性能，但是Cu-Sn-Ti钎料的钎焊机理非常复杂，Cu-Sn-Ti对于生成的外延TiC层厚度非常敏感，这可能是由于界面应力环境的变化造成的。
金刚石砂轮只能用于有色金属和脆性材料的加工，而对于那些需要大去除率的黑色金属则需要选用CBN砂轮，CBN砂轮钎焊技术的研究也变得越来越多[5]。CBN超硬材料也具有典型的化学惰性，其可焊性比金刚石更差。但运用适当的钎料和钎焊工艺还是可以实现CBN与钎料的化学冶金结合。CBN的钎焊多用Ag-Cu-Ti钎料和Cu-Sn-Ti钎料，钎料中的活跃元素Ti与CBN中首先容易扩散迁移的N元素形成间隙化合物，随着反应的进行Ti元素逐渐向CBN表面富集，形成了CBN界面的梯度复合材料，实现了CBN的牢固固结。
综上所述，钎焊超硬磨料砂轮解决了磨粒可靠固结的问题，钎焊超硬磨料砂轮的实验表明磨粒在磨削过程中不出现脱落。钎焊超硬磨料砂轮可以应用于强力磨削，高效深切磨削，高速磨削等先进的磨削技术领域，完全适应了现代磨削技术的发展。
2 钎焊工具的优势
（1）钎焊工具具有磨粒的大出露，形成了较大的容屑空间，提高磨削液的冷却效率，实现了冷态磨削。磨粒大出露可以进行无修整磨削，这种砂轮具有更高的防堵塞性。
（2）钎焊砂轮可以使用模板对磨粒进行有序排布，磨粒的排布使得钎料在磨粒间的分布更加均匀，磨粒也不会由于钎料的表面张力而聚集在一起，形成了良好的砂轮磨削性能。
（3）钎焊砂轮从制作、使用到报废相对其他砂轮来说是非常绿色的[6]，首先钎焊砂轮制作过程中不产生像电镀液那样的废料；其次钎焊砂轮在使用过程中磨削液的使用量少；钎焊砂轮无修整损耗；磨粒大出露减小了砂轮表面与工件之间的摩擦，降低了加工能耗；所以钎焊砂轮的使用具有环境友好性。最后砂轮经使用报废后仅去掉表层磨耗的磨粒剩余部分即可回收利用，这样钎焊砂轮提高了砂轮整体的利用水平。
3 钎焊工艺的发展
近年来，出现了各种钎焊工艺如真空钎焊、Ar气保护钎焊[7]、高频感应钎焊[8]、激光钎焊[9]、玻璃钎焊等。钎焊工艺方法灵活多样，拓宽了各种钎焊工具的开发手段。
4 结语
通过以上分析，可以认为钎焊工具是最有发展潜力的现代磨削工具之一，钎焊工具的研究仍然是以后研究的热点。
参考文献
[1] K.Nogi，M.Nishikawa，H.Fujii，S.Hara. Wettablity of diamond by liquid pure tin[J].Acta Material，1998，46（7）.
[2] 肖冰，徐鸿钧，武志斌，等.Ni-Cr合金真空单层钎焊金刚石砂轮.焊接学报，2011，22（2）.
[3] Sheng-Fang Huang， Hsien-Lung Tsai， Shun-Tian Lin. Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix[Z]. Materials Chemistry and Physics，2004.
[4] 卢金斌，徐九华.Ag-Cu-Ti钎料钎焊金刚石的界面微观组织分析[J].焊接学报，2007，28（8）.
[5] 丁文锋，徐九华，卢金斌，等.高温钎焊立方氮化硼界面微结构.焊接学报，2004，25（5）：29-32.
[6] 武志斌，肖冰，徐鸿钧.单层钎焊超硬磨料砂轮与绿色制造[J].机械制造，2002，40 （455）： 10-11.
[7] 姚正军，徐鸿钧，肖冰，等.Ni-Cr合金Ar气保护炉中钎焊金刚石砂轮的研究[J].中国机械工程，2001，12（8）：956-958.
[8] 马伯江，徐鸿钧，傅玉灿，等.高频感应钎焊金刚石界面特征[J].焊接学报， 2005，26（3）：50-54.
[9] 杨志波.金刚石磨粒激光钎焊工艺与机理研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.