金剛石磨粒具有高硬度、強耐磨性和極佳導熱性等優(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用。但是具有共價鍵結(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，而一般的機械鑲嵌、物理吸附?jīng)]有足夠把持力[1]。自20世紀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冶金結(jié)合，大大提高了結(jié)合劑對金剛石磨粒的把持強度，使砂輪使用壽命顯著提高[2-3]。

　　但是在試驗過程中發(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度、釬焊接頭殘余應力集中等釬焊質(zhì)量問題。同時，由于高效精密制造技術的發(fā)展，對金剛石磨粒釬焊技術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，如何將新要求科學地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸F焊質(zhì)量評判標準，以及如何改進金剛石釬焊技術滿足這些新要求是一項具有重大意義的工作。本文總結(jié)當前金剛石釬焊質(zhì)量評判方法，論述了有關金剛石釬焊質(zhì)量影響因素及影響機理的國內(nèi)外研究進展，并對未來金剛石釬焊技術的發(fā)展進行了展望。

　　從20世紀90年代初金剛石釬焊技術被提出以來，從事金剛石釬焊技術研究的學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、金剛石釬焊強度、金剛石釬焊接頭殘余應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出三者之間的化學冶金反應狀態(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。倘若釬焊接頭強度不足把持住高負荷加工狀態(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，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，當普通砂輪工作面上出現(xiàn)了較多脫落坑時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 金剛石釬焊強度

　　釬焊強度是高性能釬焊接頭的重要直接評判標準，根據(jù)受力方向分為抗拉 伸強度和抗剪切強度,抗拉伸強度雖然能直接反映材料界面上結(jié)合鍵的強弱，但抗剪切強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、不同保溫時間下的剪切強度，實驗 示意圖及結(jié)果如圖4所示[9]。

圖4 強度測試

　　1.4 金剛石釬焊接頭殘余應力

　　殘余應力是影響金剛石釬焊接頭性能的重要因素，殘余應力過大將導致釬焊接頭萌生裂紋，導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力的研究主要采用試驗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變反差現(xiàn)象。如圖2(b)B點所示，該現(xiàn)象發(fā)生是因為在釬焊過程中金剛石和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力進行了測試。隨著計算機技術及數(shù)值分析技術等的飛速發(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力進行了分析。如孫鳳蓮等人[11]通過有限元仿真試驗，分析了釬焊工藝參數(shù)對金剛石釬焊接頭內(nèi)部殘余應力分布及大小的影響，預報了焊后裂紋產(chǎn)生危險區(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。在設計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。熔點不能高于金剛石石墨化溫度，也不能過低，若熔點太低，則在磨削過程中，可能因為較高的磨削溫度導致釬料軟化，造成磨粒過早脫落。目前，Ni-Cr釬料應用最廣泛，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度和工具壽命[12]。而Ag-Cu釬料熔點低，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，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、擴散作用。 較好的浸潤、擴散作用可以保證釬料與金剛石磨粒之間形成牢固的化學冶金結(jié)合，提高釬焊強度。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]利用混料回歸設計建立了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)量分數(shù)對釬料性能的影響規(guī)律。

　　(4)釬料具有一定的強度和硬度。在磨削過程中，如果釬料強度和硬度不夠，那么將導致自身快速磨損，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度增大，耐磨性增大，但是Ti含量過多，會導致合金熔點升高，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致金剛石與釬料截面處產(chǎn)生較大的殘余應力。

　　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，實現(xiàn)金剛石與金屬之間的強力冶金結(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行釬焊實驗，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、保溫時間、釬焊氛圍等釬焊工藝參數(shù)來實現(xiàn)。

　　2.3.1 釬焊溫度以及保溫時間

　　釬料的熔化填充，以及熔化的釬料與金剛石表面的化學冶金反應的過程都離不開釬焊溫度大小和保溫時間作用。向?qū)O祖等[17]認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氣氛下進行的，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，進行了爐中釬焊金剛石磨粒的試驗研究，得出了不同的釬焊氣氛導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氣保護和真空氣氛下分別對金剛石進行釬焊試驗，發(fā)現(xiàn)在Ar氣保護和真空釬焊時，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、金剛石釬焊強度、金剛石釬焊接頭殘余應力進行分析。但是從高效精密加工的角度來看，金剛石釬焊強度并不是越大越好，過大的釬焊強度將導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系，那么將有可能實現(xiàn)上一層金剛石磨損后，下一層金剛石的及時補償。

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

　?。?）進一步研究分析金剛石釬焊強度的影響因素及影響機理，通過優(yōu)化組合相關釬焊工藝技術，實現(xiàn)對金剛石磨粒釬焊強度的控制方法。

　　（2）通過對金剛石釬料的選取和配方的優(yōu)化,實現(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。

　?。?）通過改進相關工藝,在實現(xiàn)砂輪基體材料 對磨粒有合適地持力的基礎上,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,實現(xiàn)工件的無熱損傷加工。