单晶金刚石刀具的装卡与焊接

摘　要：介绍了将单晶金刚石刀头装卡到刀杆上的三种工艺方法及其优缺点。
关键词：单晶金刚石刀具　装卡　粘结法　镶嵌法　钎焊法

Abstract: The three technologies to clamp single-crystal diamond cutting heads on toolholders are introduced, and merits and demerits of the technologies are presented.
Keywords: single-crystal diamond cutter　clamping　bonding process　inlaying process　welding process

　　将单晶金刚石刀头牢固、可靠地装卡在刀杆上，是制造金刚石刀具的关键步骤，其装卡质量直接影响金刚石刀具的使用性能。目前常用的装卡方法主要有三种，即粘结法、镶嵌法和钎焊法。

1．粘结法

　　粘结法是采用环氧树脂或502胶等有机粘结剂，将金刚石刀头粘结在刀杆上与金刚石刀头大小相匹配的凹槽中。这种方法操作简便，不需要专用设备与夹具，可获得一定的粘结强度。但由于有机粘结剂的耐温性一般不超过200℃，研磨刀头时或采用较大切削用量进行切削加工时产生的高温均可能使粘结剂失效，所以粘结式金刚石刀具只适用于切削用量较小的超精密加工，且不能在刀杆上直接研磨金刚石刀头。当刀具需要修磨时，需要用丙酮等溶剂先将粘结胶化开，对金刚石刀头进行修磨后再重新粘结到刀杆上。此外，粘结过程中金刚石刀头的位置精度较难保证。

2．镶嵌法

　　镶嵌法是首先将金刚石刀头与金属粉末一起烧结，再通过压板将金刚石刀头机械地固定在刀杆上。镶嵌法是目前应用最为广泛的金刚石刀具装卡方法，其工艺过程如下：
　　1将金刚石粗磨成上大下小的形状，并确定刀刃及后刀面的位置。
　　2将金刚石大面朝下放置在如
　　1润湿性能：钎焊时，钎料必须润湿被焊材料才能保证焊接部位无缺陷。由于金刚石的表面能很高，润湿性差，因此找到对于金刚石和金属基体表面均具有良好润湿性的钎料是钎焊成功的关键。
　　2粘结性能：钎料不仅应具有良好的润湿性，还要能与被焊材料产生化学反应，形成化学键连接，才能实现具有足够粘结力的焊接。
　　3残余应力：金刚石与金属的热膨胀系数相差近十倍，在焊接后的冷却过程中会形成很大的残余应力，从而影响焊接强度甚至损坏金刚石。
　　4金刚石的腐蚀：金刚石在高温下会氧化或石墨化，某些金属对金刚石还具有侵蚀作用，因此必须选择合适的工作环境与钎料，将金刚石的腐蚀现象减小到最低程度。
　　大量研究发现，含有钛、锆、铌、钽等活性元素的钎料在真空中可以直接润湿金刚石表面，这些活性元素还能与金刚石表面的碳原子反应生成稳定的碳化物，形成化学键连接。金属钼或钴基硬质合金与金刚石有较为相近的热膨胀系数，用作焊接基体既可以不损坏金刚石又能保证钎焊强度。在此研究基础上开发了真空条件下的金刚石钎焊技术。近年来又进一步开发了在保护气体氛围中钎焊金刚石的新技术。与真空钎焊技术相比，保护气体钎焊技术具有设备成本低，操作简便，工艺周期短等优点，并保持了与真空钎焊相当的焊接强度。这一技术的出现较圆满地解决了长期存在的金刚石钎焊技术难题。
　　保护气体钎焊金刚石所用钎料为银铜钛合金，合金中银、铜、钛的成份比例分别为
68.8%、26.7%和4.5%。保护气体为氩95％与氢5％的混合气体。焊接在如
　　1充分清除金刚石和金属基体表面上的氧化物；
　　2在保护气氛中加热基体及钎料，直至钎料熔化并均匀散布于基体的指定位置，然后冷却；
　　3在基体的正确部位放置需焊接的金刚石，充入保护气体后重新加热至钎料熔化温度，再缓慢冷却至室温。

焊接强度高，焊接面的剪切强度可达340MPa，可将重量仅为0.02克拉的金刚石刀头牢固地焊接在刀杆上；可在钎焊后对金刚石刀头再进行精磨，以保证刀具几何角度的加工精度；可使刀具前刀面高于刀杆，从而保证切屑排出顺畅，使切削过程及工件表面质量更加稳定可靠；可大幅度提高金刚石刀具的系统刚性。