1 概述
    由金剛石和立方氮化硼（CBN）制作的超硬磨料工具被廣泛應用于各類金屬材料的磨削加工，石材、陶瓷、光學玻璃等硬脆材料的加工，以及公路養護、地質采礦、油氣鉆探等眾多工程領域，市場需求量很大。目前生產中使用的超硬磨料工具一般是利用多層燒結或單層電鍍工藝來制作，磨粒只是被機械地包埋、鑲嵌在結合層中，把持力不大，在負荷較重的加工中容易因把持力不足而導致磨料過早脫落，造成浪費。另一方面，在燒結和電鍍工具中磨料為隨機分布，磨粒的出露高度不大，容屑空間較小，在磨削加工時容易產生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用壽命。
    由于多層燒結和單層電鍍磨料工具存在上述缺陷和弊端，使其在高效磨削和高速/超高速磨削中的應用受到較大限制。為此，近十幾年來國內外許多學者開始研究采用釬焊工藝來制作單層超硬磨料工具，其出發點是希望借助高溫釬焊時在磨料、釬料和基體界面上發生的熔解、浸潤、擴散、化合等相互作用（即通常所說的化學冶金作用），從根本上改善基體和釬料合金對磨料的把持強度。圖1所示為釬焊金剛石單顆磨粒與結合劑界面的微觀形貌。可以看出，釬料對金剛石磨粒表現出很好的浸潤性，結合緊密，無間隙和溝槽存在。金剛石磨粒晶粒完整，表面無裂紋，出露高度大。與傳統的多層燒結超硬磨料工具和單層電鍍超硬磨料工具相比，釬焊超硬磨料工具具有以下特點：①磨料、釬料和基體三者之間能實現冶金化學結合，從而提高了結合強度，工具使用壽命長；②磨粒的出露高度大（可達磨粒高度的70%～80%），容屑空間大，不易堵塞，磨料的利用更加充分；③磨削力、功率消耗和磨削溫度更低；④具有環保意義，符合當今倡導的綠色制造發展趨勢。
    釬焊超硬磨料工具因具有獨特的優越性而成為當今超硬磨料工具研究的一個熱點。本文從釬焊的釬料、工藝及方法等方面概述了國內外釬焊超硬磨料工具的研究現狀和研究成果，分析了不同的釬料、工藝及方法對磨粒結合強度和界面微觀結構的影響。在此基礎上，討論了磨粒的優化排布問題以及在單層釬焊超硬磨料工具表面實現磨粒有序排布的方法。
    2 釬焊金剛石工具的研究現狀
    金剛石與一般的金屬、合金之間有很高的界面能，其表面不易被熔化的金屬或合金所浸潤。根據理論分析及文獻報道，在一定的條件下，某些過渡族元素如Ti、V、Cr、Zr、Mo、W等，在一定條件下可與金剛石的碳元素在表面形成碳化物，而通過這層碳化物的作用，金剛石、釬料和鋼基體三者就能通過釬焊實現牢固的冶金結合，這就是金剛石高溫釬焊的原理。金剛石釬焊的質量在很大程度上取決于所使用的釬料、釬焊工藝及方法。因此，提高對金剛石磨粒把持力的關鍵就是尋求與之相適應的活性釬料、釬焊方法和釬焊工藝。
    2.1 鎳基合金釬料釬焊金剛石的工藝及方法
    瑞士的A K Chattopadhyay采用的釬焊工藝為：先用火焰噴鍍法（氧－乙炔焊槍）將釬料合金（主要成分為72%Ni、14.4%Cr、3.5%Fe、3.5%Si、3.35%B和0.5%O2）鍍于工具鋼基體上，并將金剛石排布于焊料層面上，然后在1080℃、氬氣保護下高頻感應釬焊30秒實現金剛石與鋼基體的結合。釬料合金中的Cr作為一種強碳化物元素，在釬焊過程中向金剛石表面富集而實現金剛石的表面金屬化。
    德國的A Trenker等采用真空爐中釬焊的方法，在高溫釬焊過程中分別采用了活性釬料和鎳基釬料來實現金剛石與基體的結合。在加工玻璃的實驗中，與電鍍金剛石工具相比，高溫釬焊金剛石工具的性能更為優異，釬焊工具的起始磨削性能是電鍍工具的3.5倍以上，壽命是電鍍工具的3倍以上。
    南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釬焊方法，用Ni-Cr合金釬料真空感應釬焊30秒，釬焊溫度1050℃，將金剛石牢固地釬焊在鋼基體上。經X射線衍射分析發現，合金釬料與金剛石在界面生成Cr7C3和Cr23C7，因此這種釬焊工藝可以確保合金釬料層與金剛石之間的高強度結合。在后續的大負荷磨削實驗中，未發生金剛石整顆脫落，說明釬料對金剛石具有較高的把持強度。姚正軍等利用Ar氣保護爐中釬焊的方法，以Ni-Cr合金粉末作為釬料，控制釬焊溫度1050℃、保溫時間6min和冷卻速度30℃/min，實現了金剛石與鋼基體的牢固連接。利用掃描電鏡和X射線能譜，結合X射線衍射結構分析，發現釬焊過程中Ni-Cr合金中的Cr元素分離出來在金剛石界面形成富Cr層，并與金剛石表面的C元素反應生成Cr3C2和Cr7C3，這是實現合金層與金剛石的較高結合強度的主要因素。重負荷磨削實驗表明，金剛石為正常磨損，無整顆金剛石脫落，能夠適用于高效磨削加工。盧金斌等利用真空爐中釬焊的方法，以Ni-Cr合金作為釬料，金剛石直接排布在Ni-Cr合金上，適當控制釬焊工藝，實現了金剛石與鋼基體之間的牢固連接。通過對金剛石與釬料界面微觀結構的分析，發現釬焊過程中釬料會在金剛石界面形成富Cr層并與金剛石表面的C元素反應生成Cr3C2和Cr7C3，其中Cr7C3呈筍狀生長，Cr3C2呈片狀生長。最后通過磨削對比實驗驗證了金剛石與釬料有較高結合強度。馬伯江等利用高頻感應釬焊的方法，在相同的釬焊工藝條件下，采用兩種不同成分的Ni-Cr釬料釬焊鍍Ti金剛石和無鍍膜金剛石。試驗使用了兩種鎳基活性釬料，兩者相差4%Cr（質量分數），在Ar氣保護下進行高頻感應釬焊，釬焊溫度小于1100℃，保溫數秒。結果表明，釬料成分不同、金剛石鍍Ti與否，使金剛石表面生成的碳化物成分和形態各異，影響了它們與金剛石結合強度的高低。在此基礎上，分別采用真空爐中釬焊和氬氣保護下的高頻感應釬焊工藝制作了單層釬焊金剛石工具。結果表明，這兩種工藝制作出來的工具都可在金剛石－釬料界面上生成對提高金剛石把持力起關鍵作用的碳化物，但其界面結構存在差異。在電阻爐中釬焊條件下，生成物有兩層結構，內層產物是Cr3C2，外層產物是Cr7C3；在高頻釬焊條件下，僅有單層產物Cr3C2。
    第四軍醫大學的馬楚凡等利用真空爐中釬焊的方法，以NiCr13P9合金作為釬料，同時加入少量Cr粉，在高溫（950℃）加壓及真空度為0.2Pa的條件下進行釬焊，實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合，研制出用于牙科CEREC CAD/CAM系統的專用單層釬焊金剛石砂輪。掃描電鏡觀察顯示，銀白色的合金包繞在金剛石周界，釬料在金剛石磨粒間分布均勻，金剛石已被牢固釬焊，金剛石出刃高度大。X射線衍射分析能觀察到Cr3C2衍射峰，表明有Cr3C2生成。正是通過金剛石界面上的碳化物層，合金材料實現了對金剛石的高把持力。磨削實驗證實了金剛石確有高把持強度，釬焊金剛石砂輪的耐用度及磨削效率較普通電鍍砂輪明顯提高。
    華僑大學的黃輝等利用高頻感應釬焊的方法，以Ni-Cr合金為釬料，嘗試在空氣中直接進行金剛石磨粒的釬焊。通過適當控制釬焊電流和釬焊時間，實現了金剛石與鋼基體的牢固焊接。磨削實驗表明，采用該方法制造的金剛石工具在金剛石磨粒與基體之間有著較高結合強度，金剛石磨粒在整個加工過程中未出現脫落，金剛石磨粒的磨損過程為正常磨損。另外，還嘗試在自制真空爐中利用高頻感應釬焊金剛石節塊。通過調整加熱時間與加熱功率來控制釬料加熱溫度，實現金剛石與基體的牢固連接，并制作了金剛石磨盤。在磨削加工花崗石的過程中，對金剛石磨粒的出露高度、磨粒的磨損狀態進行了跟蹤，揭示了釬焊金剛石工具在加工過程中的磨損性能。
    2.2 銀基合金釬料釬焊金剛石的工藝及方法
    南京航空航天大學的肖冰等利用高頻感應釬焊的方法，以添加Cr粉的Ag-Cu合金作為釬料，在空氣中感應釬焊35秒，釬焊溫度780℃，實現了金剛石與鋼基體間的牢固結合。經X射線能譜及X射線衍射分析，發現金剛石界面上有Cr3C2生成。與不加Cr粉的Ag-Cu合金釬料的對比試驗表明，合金釬料正是通過金剛石界面上的這一碳化物層而強有力地把持住金剛石。
    哈爾濱工業大學的孫鳳蓮等利用真空爐中釬焊的方法，以Ag-Cu-Ti活性釬料合金箔作為填充材料，對CVD金剛石厚膜進行了釬焊實驗。實驗參數：真空度5×10-3Pa，釬焊溫度920℃，升溫和降溫速度為30℃/min，保溫時間20min。經X射線衍射分析，確定了金剛石與釬料結合界面處的新生化合物為TiC層。正是該碳化物層使釬料與金剛石之間產生了冶金結合，使金剛石厚膜與基體金屬之間形成牢固連接。在此基礎上，討論了不同的釬焊溫度（850℃、880℃、910℃、940℃和970℃）對金剛石結合強度的影響。試驗結果表明，在940℃時剪切強度最大，達133MPa。可見，釬焊溫度直接影響到釬料、金剛石與基體之間的結合強度。
    哈爾濱理工大學的李丹等利用真空爐中釬焊技術對Ag-Cu-Ti釬料在金剛石表面的潤濕狀況進行了試驗研究。使用了3種Ag-Cu-Ti釬料，Ti的質量分數分別占5%、10%和15%。釬焊工藝參數：真空度6.65×10-3Pa，升溫和降溫速度30℃/min，釬焊溫度950℃，保溫時間25min。試驗發現，Ti占10%的Ag-Cu-Ti釬料對金剛石具有較好的潤浸性能，結合強度較高。關硯聰等利用真空感應釬焊的方法，對Ag-Cu-Ti釬料釬焊金剛石磨粒進行了釬焊工藝試驗研究，探討了釬焊溫度和釬料狀態對結合強度的影響。釬焊工藝：采用二級加熱工藝，釬焊溫度分別為890℃、910℃和940℃，真空度為0.2Pa。試驗結果表明，釬焊溫度比釬料熔化溫度高50℃（940℃）時，結合界面的結合強度最大，X射線衍射分析表明，在金剛石與釬料結合界面間新生的化合物為TiC。在釬焊溫度為940℃時真空釬焊無鍍膜金剛石，用Ag-Cu-Ti釬料合金箔的結合強度比用Ag-Cu共晶合金箔與Ti箔的結合強度更高。
    廣東工業大學的王成勇等利用高頻感應釬焊的方法，在空氣中或局部氣體保護下高頻釬焊金剛石。主要釬焊工藝：在基體上放置釬焊片（主要為Ag-Cu-Zn、Ag-Cu-Ti或其它Ag-Cu基合金）和102焊劑，再將金剛石包裹上金屬粉（鉻粉和鈦粉）放置在釬焊片上，或在放置了金剛石磨粒的釬焊片上均勻撒上金屬粉，然后進行高頻釬焊，實現了金剛石、釬料與基體之間牢固的化學冶金結合。
    2.3 銅基合金釬料釬焊金剛石的工藝及方法
    巴基斯坦的F A Khalid等利用真空爐中釬焊的方法，以Cu-14.4Sn-10.2Ti-1.5Zr合金作為釬料，研究了金剛石界面的微觀結構。釬焊工藝：真空度2×10-8Pa，釬焊溫度930℃，保溫時間10min，冷卻速度20℃/min。掃描電鏡和X射線能譜分析表明，在金剛石－釬料界面生成的碳化鈦有兩層結構，第一層是立方形TiC，第二層是細長形或柱形TiC。
    西安交通大學的孟衛如等應用真空爐中釬焊的方法，對金剛石釬料的適應性進行了試驗研究。分別采用3種含有強碳化物形成元素Cr、Ti的BNi2（NiCrSiB）、BNi7（NiCrP）及自制的CuSnNiTi釬料，在各自的釬焊溫度分別為1050℃、950℃和900℃、保溫時間10min及真空度0.13Pa的條件下，單層釬焊金剛石圓鋸片（φ125mm）。通過掃描電鏡觀察形貌和X射線能譜分析成分，表明3種釬料對金剛石有很好的潤濕性，釬料中的Cr、Ti元素會向金剛石表面擴散，并與金剛石中的C元素結合生成碳化物。碳化物的形成使金剛石、釬料與基體之間產生了化學冶金結合，提高了對金剛石的把持力，但結合狀況及鋸切性能隨釬料的不同而存在差異。試驗證實，自制的銅基釬料釬焊溫度低，釬焊時金剛石的熱損傷小，對金剛石有很好的把持力，而且釬料與所切割的石材有很好的適應性，有效提高了金剛石的利用率。
    臺灣大學采用Cu-15Ti-10Sn合金釬料，比較了真空爐中釬焊方法（釬焊溫度925℃、保溫5min）和激光釬焊方法（釬焊時間10秒）對金剛石界面微觀結構的影響。在真空爐中釬焊條件下，金剛石表面形成一層連續的過渡層（TiC薄膜）；而在激光釬焊條件下，金剛石表面形成的是一層不連續的過渡層。
    上述研究表明，不同的釬料合金（包括釬料的成分、含量、狀態等）、釬焊方法和釬焊工藝參數直接影響到釬料與基體及金剛石之間的相互作用、生成物的形態以及結合界面的微觀結構，從而影響結合強度以及釬焊工具的質量和性能。
    3 釬焊CBN工具的研究現狀
    金剛石工具只適合加工非鐵族金屬，而CBN工具則適合高效磨削鐵族金屬，二者在適用加工對象上具有互補性。但CBN的化學穩定性極高，對其進行釬焊比金剛石釬焊更加困難。目前，國內外文獻資料中關于CBN釬焊研究的報道相對于金剛石釬焊要少得多。
    國外有關CBN釬焊的試驗研究始于20世紀90年代初，釬焊工藝通常是：首先用化學氣相沉積法（CVD）在CBN磨料表面預先沉積一層TiC薄膜，沉積溫度1000℃，沉積時間90min；然后采用Ni-Cr合金在1040℃下進行真空感應釬焊，Ni-Cr合金釬料能有效浸潤鍍膜CBN磨粒，從而將鍍膜CBN成功焊接在基體上。另外，采用不含Cr的鎳基釬料（如Ni-P合金：Ni90%，P10%）同樣也能良好地浸潤鍍膜CBN磨粒。
    近年來，國內南京航空航天大學也在進行CBN釬焊的研究，并取得了一些進展。采用的工藝是：以Ag-Cu-Ti合金為釬料（主要成分為：67%Ag，20%Cu，12%Ti），在真空電阻爐中加熱至釬焊溫度（1000℃）并保溫適宜時間再隨爐冷卻至室溫，取得了成功。用掃描電鏡、X射線能譜儀及X射線衍射儀對CBN與釬料結合界面微觀組織進行觀察和分析，發現合金釬料中的元素Ti向CBN表面擴散富集，生成了針狀TiB2和TiN，在CBN磨粒與釬料界面形成化學冶金結合，這是CBN與Ag-Cu-Ti釬料間有良好浸潤性和高結合強度的主要原因。后續的磨削對比試驗表明，釬焊CBN砂輪比電鍍CBN砂輪具有更高的磨粒把持強度。在相同磨削條件下，單層釬焊CBN砂輪的磨削溫度比電鍍CBN砂輪明顯降低，特別在大切深條件下其降溫效果更為顯著。因此，釬焊砂輪在降低磨削溫度、提高磨料結合強度、延長砂輪使用壽命等方面比電鍍砂輪具有明顯優勢。
    4 超硬磨料的優化排布問題
    為了更充分地發揮釬焊超硬磨料工具的優越性，提高工具的加工性能和加工效果，工具表面磨粒的排布和三維形貌設計是一個重要因素。磨料的擇優有序排布能夠有效改善工具的加工性能。例如，在金剛石鋸片加工四川紅花崗石板（莫氏硬度7～8，厚度20mm）的性能對比試驗中，經過磨料擇優排布的高溫單層釬焊金剛石鋸片的壽命分別為未經優化的單層高溫釬焊金剛石鋸片和多層燒結金剛石鋸片的120%和81.7%，加工效率則分別為1.5倍和4.9倍。我國臺灣的中國砂輪公司推出的單層均布金剛石高溫釬焊串珠，在不降低工具壽命的前提下，可使金剛石用量減少一半，切割速度增加兩倍。據稱，如果單層釬焊技術能夠應用于石材加工工具，將是金剛石加工工具設計的一次革命，其結果不僅是生產效率的大幅度提高，并且可使加工成本大幅度降低。
    磨料的優化排布包括磨粒在工具表面的排布方式、磨粒的粒度和濃度、磨粒的出露高度和等高性、動態有效磨粒間距、磨粒數等一系列靜、動態參數和幾何參數。其中，有效磨粒間距直接決定了單顆磨粒的工作負載，不合適的磨粒間距通常會導致磨料過早失效等問題，從而降低工具的加工效率和使用壽命，因此它是需要優化的參數中對加工狀態具有最大影響力的參數。在許多加工情況下，工具的不同部位需要采用不同的磨粒粒度和濃度，以便更有效地利用磨料。因此，需要根據具體應用場合和加工要求來優化磨粒排布，以制作出具有最佳使用性能的超硬磨料工具。磨料優化排布技術除可有效控制和提高加工質量，還能對工具壽命進行預估，更好地評價釬焊超硬磨料工具的性能。
    目前，實現磨料有序排布的技術主要有復制技術、模板方式和激光快速成型技術等，但這些技術在工業生產中的推廣應用尚需進一步深入研究。如何實現磨粒的自動、有序排布是釬焊工具發展的一個重要課題。
    （1）復制技術
    復制技術適用于小粒徑及微粉級的金剛石工具制造。由于用該技術成型的有序排布金剛石規格同一，間隙一致，形同復制，故稱為復制技術。復制技術的原理是通過制作定尺寸的壓塊，在Si模板上刻印出成型所需有序排布的規則模孔，然后采用CVD法在模孔內沉積金剛石薄膜，最后清除Si模板并將金剛石薄膜粘結到基體上，從而實現金剛石的有序排布，其工具基體可以為任意曲面。
    （2）一次性使用殼模布料法
    該方法的原理參照熔模鑄造中的型殼材料及其制作工藝，先在工具的工作面上均勻掛涂一層耐火涂層（厚度控制在磨料高度的一半左右），待其固化后在涂層上加工出間距與有效磨粒間距相符的布料槽（條布）或孔（點布）；然后在涂料層的槽或孔中填放調成膏狀的釬料合金，并撒布磨粒，再將磨粒壓實到基體表面；最后在已布有磨料和釬料的涂層上再封蓋一層耐火涂料，進一步固定磨粒的位置，在充分硬化和高溫焙燒后送入真空爐內釬焊；釬焊后去除和清理外層型殼，即可得到具有優化形貌的單層釬焊工具制品。該布料技術可以滿足端面、圓柱面和各種任意復雜異形面工具的需要。
    （3）利用孔模板實現磨粒有序排布
    按照優化排布要求，在陶瓷模板上加工出孔徑與金剛石（或CBN）磨粒直徑相當、深度為磨粒高度70%的規律排布的孔，再按孔排布好磨粒。合金釬料熔化后的厚度約為磨粒高度的30%，由于陶瓷模板不具有可焊性，釬焊后易于去除。該釬焊工藝不僅能保證磨粒的有序排布，等高性好，而且可以保證磨粒有70%的出露高度。
    （4）有序陣列法
    該方法是首先采用焊接或膠接方式在基體上固定一層釬料，然后在釬料上固定一層石蠟，石蠟的高度與超硬磨粒高度相同，用機械力將鋼柱壓入石蠟，形成比超硬磨粒稍大的孔洞，以鋼柱或基體步進的方式有規律地調整鋼柱位置，可在基體上得到不同密度的孔洞，將超硬磨粒刷過基體，未掉入孔洞的超硬磨粒組成“有序陣列”，釬焊時石蠟被燒掉，超硬磨粒在釬焊后即形成有序排布狀態。也可采用激光束來形成有序陣列。
    （5）利用激光快速成型技術實現磨粒有序排布
    從優化的結果出發，借鑒激光快速成型技術的SLS法，采用CAD數據處理軟件進行切片處理，激光器以一定的掃描速度對預先隨機排布在工件表面結合劑層上的磨粒按給定的形貌要求進行掃描，通過有效控制激光強度、脈沖周期和光斑直徑，保證一定的焊接溫度和時間，使被激光掃描到的磨粒按照形貌要求有序地釬焊到基體上，將未被激光掃描到的磨粒去除后，即可得到磨粒有序排布的單層釬焊工具。
    （6）點膠法
    借鑒點膠機的原理，選用適當的噴嘴尺寸以形成大小合適的膠滴。控制噴嘴將粘接劑按照給定的形貌要求噴灑在基體上，再將磨料撒布在基體表面，去掉多余磨料后就可在基體上形成磨粒的有序排布，膠干后將釬料粉均勻布置于磨粒間再進行釬焊。
    5 結語
    高溫釬焊技術可以實現金剛石（或CBN）、釬料和金屬基體三者界面之間的化學冶金結合，具有較高結合強度。與電鍍和燒結工具相比，釬焊超硬磨料工具具有許多優勢，今后將會成為一種新的發展趨勢。目前，歐洲、日本等少數國家（包括我國臺灣地區在內）已經開始小批量試制單層釬焊超硬磨料工具，但要實現大批量工業化生產和在加工中推廣應用，其制造工藝——無論是釬焊工藝還是磨料排布——仍存在許多需要進一步解決的難題。總之，釬焊超硬磨料工具有著很好的應用前景，可帶來巨大的社會效益和經濟效益，應加大研究開發力度，盡快實現產業化。