金剛石砂輪的優(yōu)越性

Ni-Cr合金單層釬焊砂輪國(guó)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(yīng)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(jié)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(yīng)機(jī)上釬焊30s，釬焊溫度為1080℃；或者在氬氣保護(hù)輻射加熱爐內(nèi)進(jìn)行釬焊，適當(dāng)控制釬焊溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度。

利用掃描電鏡X射線能譜及X射線衍射結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，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(yīng)生成Cr3C2和Cr7C3，合金層在與金剛石良好浸潤(rùn)的同時(shí)與鋼基體反應(yīng)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(jié)合強(qiáng)度。

通過重負(fù)荷磨削實(shí)驗(yàn)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(yōu)點(diǎn)是：Ni-Cr合金本身的強(qiáng)度高，釬焊后可獲得比銀基合金釬焊更高的結(jié)合強(qiáng)度；Ni-Cr合金熔點(diǎn)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(qiáng)度，采用真空條件或氬氣保護(hù)進(jìn)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(shí)加入少量Cr粉，在真空爐內(nèi)加壓加熱到950℃進(jìn)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(shí)有Cr3C2生成，正是這個(gè)碳化物層實(shí)現(xiàn)了金剛石與鋼基體間較高的結(jié)合強(qiáng)度。磨削實(shí)驗(yàn)也證實(shí)金剛石確有高的把持強(qiáng)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(wěn)定性差，800℃時(shí)就會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，所以較高的釬焊溫度勢(shì)必會(huì)造成金剛石的熱損傷而使金剛石強(qiáng)度下降；同時(shí)結(jié)合劑中的有害元素會(huì)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(jìn)行釬焊。超硬磨料的鍍覆技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積、離子鍍、熱蒸鍍、真空微蒸發(fā)鍍等。

化學(xué)氣相沉積Cr、真空微蒸發(fā)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(shí)現(xiàn)金剛石與結(jié)合劑間的強(qiáng)力冶金化學(xué)結(jié)合外，由于鍍層對(duì)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(yīng)速度大大降低，同時(shí)鍍層中的強(qiáng)碳化物形成元素與金剛石表面的碳原子反應(yīng)生成碳化物，封閉了金剛石表面的懸鍵，增大了氧化反應(yīng)的阻力，從而抑制了結(jié)合劑中的Fe、Co、Ni等元素對(duì)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(qiáng)度和晶型。

釬焊時(shí)首先在鋼基體上預(yù)鍍覆一層Ni-P合金(熔點(diǎn)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(yàn)表明，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑良好的浸潤(rùn)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(shí)現(xiàn)了砂輪壽命和加工效率的大幅度提高。

但應(yīng)指出，由于鍍膜金剛石與結(jié)合劑間存在著適應(yīng)性問題，因此只有合適的結(jié)合劑和工藝才能使鍍膜金剛石達(dá)到最佳的物理力學(xué)性能。單層高溫釬焊砂輪存在的問題及應(yīng)對(duì)措施國(guó)內(nèi)外對(duì)單層高溫釬焊砂輪的研究雖已取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但其制造工藝還有待于進(jìn)一步完善。目前存在問題主要表現(xiàn)為：一是采用何種釬料和釬焊工藝才能使金剛石結(jié)合界面上產(chǎn)生具有較高結(jié)合強(qiáng)度的化學(xué)冶金結(jié)合；二是結(jié)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(duì)于提高金剛石與釬料結(jié)合強(qiáng)度來說，其關(guān)鍵是釬焊過程中金剛石、釬料、金屬基體三者間能夠產(chǎn)生化學(xué)冶金結(jié)合，因此合金釬料中應(yīng)含有強(qiáng)碳化物形成元素，(如Ti、Cr、V等)，并爭(zhēng)取在較低的溫度下進(jìn)行釬焊，盡量減小對(duì)金剛石的損傷。

研制合理的釬料合金配方是開發(fā)單層釬焊砂輪應(yīng)首先解決的問題。在工業(yè)化生產(chǎn)釬焊砂輪過程中，嚴(yán)格控制結(jié)合劑層的厚度及均勻性十分必要。釬焊前應(yīng)對(duì)金屬基體表面進(jìn)行去氧化膜處理，對(duì)金剛石和釬料應(yīng)去油去污。釬料中含有強(qiáng)碳化物形成元素并添加適量的B和Si可降低釬料熔點(diǎn)，提高釬料的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性；采用粉狀釬料，在真空條件(或惰性氣體保護(hù))下進(jìn)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(duì)提高釬焊后結(jié)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(yè)致力追求的目標(biāo)，并有望在單層超硬磨料砂輪上實(shí)現(xiàn)。

在開發(fā)釬焊砂輪的過程中，首先按照加工條件的要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)出砂輪的最佳地貌，然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果排布磨料就有可能使開發(fā)出的釬焊砂輪的磨削性能達(dá)到更高水平。在模板上加工出孔徑與金剛石磨粒直徑相當(dāng)、深度為金剛石高度70%的有規(guī)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(shí)現(xiàn)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(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用尚需進(jìn)一步研究。