4 單層釬焊金剛石砂輪

    為了充分發揮金剛石的作用，要設法增大結合劑對金剛石的把持力，提高砂輪的結合強度。單層高溫釬焊超硬磨料砂輪能克服電鍍砂輪的缺點，可以實現金剛石、結合劑、金屬基體三者之間的化學冶金結合，具有較高的結合強度，僅需將結合層厚度維持在磨粒高度的20%～30%就能在大負荷高速高效磨削中牢固地把持住磨粒，使釬焊砂輪的磨粒裸露高度可達70%～80%，因而增大了容屑空間，砂輪不易堵塞，磨料的利用更加充分。www.stonebuy.com

    在與電鍍砂輪相同的加工條件下，單層高溫釬焊超硬磨料砂輪的磨削力、功率損耗、磨削溫度更低，意味著可達到更高的工作速度，這在300～500m/s以上的超高速磨削中有著特殊的意義。單層高溫釬焊無鍍膜金剛石砂輪加Cr銀基釬料單層釬焊砂輪利用高頻感應釬焊方法，用添加有Cr的Ag-Cu合金作為釬料，在780℃的空氣中釬焊35s，自然冷卻，可實現金剛石與鋼基體間的牢固連接。經X射線能譜及X射線衍射分析發現，Cr與金剛石之間形成Cr3C2，與鋼基體之間形成(FexCry)C，經與不加Cr釬料的對比實驗證明，這是實現合金層與金剛石及鋼基體間都具有較高結合強度的主要因素，并通過磨削實驗證實了金剛石確有較高的把持強度。

    該工藝的優點是釬焊溫度低，對金剛石的損傷小。缺點是銀基釬料的熔點較低，耐磨削高溫性能較差，在高效重負荷磨削中的應用受到限制。

    Ni-Cr合金單層釬焊砂輪國外金剛石的釬焊工藝是：首先用氧乙炔焊炬在鋼基體上火焰噴涂上一層Ni-Cr合金層，這層活性金屬可作為釬料直接釬焊金剛石磨粒，然后在1080℃的氬氣中感應釬焊30s。

    在火焰噴涂合金層的過程中，由于鋼基體表面易氧化，釬焊后結合劑層厚度的一致性和磨料排布的均勻性尚難于有效控制。

    武志斌等將金剛石磨粒直接排布在Ni-Cr合金片或粉末上，用陶瓷塊壓住金剛石磨粒，然后在真空高頻感應機上釬焊30s，釬焊溫度為1080℃；或者在氬氣保護輻射加熱爐內進行釬焊，適當控制釬焊溫度、保溫時間和冷卻速度。www.stonebuy.com

    利用掃描電鏡X射線能譜及X射線衍射結構分析發現，在釬焊過程中，Ni-Cr合金中的Cr元素分離出來在金剛石表面形成富Cr層，并與金剛石表面的-元素反應生成Cr3C2和Cr7C3，合金層在與金剛石良好浸潤的同時與鋼基體反應生成(FexCry)C的碳化物，因此這種釬焊工藝可以確保合金層與金剛石及鋼基體之間都能獲得較高的結合強度。

    通過重負荷磨削實驗證明了金剛石為正常磨損，沒有整顆金剛石脫落。這種工藝的優點是：Ni-Cr合金本身的強度高，釬焊后可獲得比銀基合金釬焊更高的結合強度；Ni-Cr合金熔點高，耐磨削高溫性能好。但它仍有一定的局限性，因釬焊溫度高(1080℃)，易造成金剛石熱損傷而降低金剛石的強度，采用真空條件或氬氣保護進行釬焊可盡量減小金剛石的熱損傷和氧化。

    馬楚凡等選用NiCr13P9合金為活性釬料，同時加入少量Cr粉，在真空爐內加壓加熱到950℃進行釬焊，研制了牙科專用的單層高溫釬焊金剛石砂輪。

    利用掃描電鏡觀察顯示在金剛石的周圍有銀白色的合金包繞，X射線衍射分析證實有Cr3C2生成，正是這個碳化物層實現了金剛石與鋼基體間較高的結合強度。磨削實驗也證實金剛石確有高的把持強度，單層高溫釬焊金剛石砂輪的壽命及磨削效率較電鍍砂輪有了明顯的提高。

    單層高溫釬焊鍍膜金剛石砂輪由于金剛石的熱穩定性差，800℃時就會發生石墨化轉變，所以較高的釬焊溫度勢必會造成金剛石的熱損傷而使金剛石強度下降；同時結合劑中的有害元素會使金剛石腐蝕和石墨化，因此可在金剛石表面先鍍上一層活性金屬及其合金后再進行釬焊。超硬磨料的鍍覆技術主要有化學氣相沉積、離子鍍、熱蒸鍍、真空微蒸發鍍等。

    化學氣相沉積Cr、真空微蒸發鍍Ti等可有效改善金剛石的表面性能。在釬焊過程中，憑借鍍層的中介作用，除了更易實現金剛石與結合劑間的強力冶金化學結合外，由于鍍層對熱空氣中氧的阻隔作用而使金剛石表面的碳原子與氧的反應速度大大降低，同時鍍層中的強碳化物形成元素與金剛石表面的碳原子反應生成碳化物，封閉了金剛石表面的懸鍵，增大了氧化反應的阻力，從而抑制了結合劑中的Fe、Co、Ni等元素對金剛石的腐蝕和金剛石本身的石墨化過程，使釬焊后的磨料仍能保持原來的強度和晶型。www.stonebuy.com

    釬焊時首先在鋼基體上預鍍覆一層Ni-P合金(熔點為880℃)，然后將鍍膜金剛石排布在合金層上，在1050℃的氬氣中釬焊5min，再冷卻至室溫。磨削試驗表明，由于鍍膜金剛石與結合劑良好的浸潤性，有效地避免了磨粒的脫落，大大改善了砂輪的磨削性能，實現了砂輪壽命和加工效率的大幅度提高。

    但應指出，由于鍍膜金剛石與結合劑間存在著適應性問題，因此只有合適的結合劑和工藝才能使鍍膜金剛石達到最佳的物理力學性能。單層高溫釬焊砂輪存在的問題及應對措施國內外對單層高溫釬焊砂輪的研究雖已取得了較好的實驗結果，但其制造工藝還有待于進一步完善。目前存在問題主要表現為：一是采用何種釬料和釬焊工藝才能使金剛石結合界面上產生具有較高結合強度的化學冶金結合；二是結合劑層適宜的厚度與均勻性的控制；三是磨料合理有序的排布。對于提高金剛石與釬料結合強度來說，其關鍵是釬焊過程中金剛石、釬料、金屬基體三者間能夠產生化學冶金結合，因此合金釬料中應含有強碳化物形成元素，(如Ti、Cr、V等)，并爭取在較低的溫度下進行釬焊，盡量減小對金剛石的損傷。

    研制合理的釬料合金配方是開發單層釬焊砂輪應首先解決的問題。在工業化生產釬焊砂輪過程中，嚴格控制結合劑層的厚度及均勻性十分必要。釬焊前應對金屬基體表面進行去氧化膜處理，對金剛石和釬料應去油去污。釬料中含有強碳化物形成元素并添加適量的B和Si可降低釬料熔點，提高釬料的流動性和浸潤性；采用粉狀釬料，在真空條件(或惰性氣體保護)下進行釬焊。

    釬焊前磨料的有序排布和釬料布料厚度的一致性對提高釬焊后結合劑層厚度的均勻性亦十分重要。砂輪工作面上磨料的合理有序排布一直是磨具行業致力追求的目標，并有望在單層超硬磨料砂輪上實現。www.stonebuy.com

    在開發釬焊砂輪的過程中，首先按照加工條件的要求，優化設計出砂輪的最佳地貌，然后根據優化結果排布磨料就有可能使開發出的釬焊砂輪的磨削性能達到更高水平。在模板上加工出孔徑與金剛石磨粒直徑相當、深度為金剛石高度70%的有規律排布的孔，按孔排布好金剛石，合金釬料熔化后的厚度約為金剛石高度的30%。這種利用孔模板來實現的釬焊工藝不僅可以保證磨粒的有序排布(等高性好)，而且還可保證金剛石有70%的出露高度。但其在工業生產中的推廣應用尚需進一步研究。