活性软钎料低温连接金刚石磨粒关键技术的基础研究

Joining diamond grits to metal substrates with minimum thermal damage and controllable interface morphology is of fundamental importance for the manufacturing of brazed abrasive tools. However, the extreme interface reaction induced by high brazing temperature makes the reliable joining of diamond grits unachievable. Thus, this project proposes active soldering to joint diamond grits at temperature below 450 degree C. The interface reaction behavior between diamond grits and Sn-Ti binary alloys will be investigated to identify the wetting conditions and growth rate/morphologies at low temperatures. The effects of soldering routine and additions of trace addition of alloying elements on the solidification of solder alloys will also be researched. Evaluation abrasive tools will be assembled to find the affecting factors for the performance of diamond grits during the cutting/polishing of variable materials ranged from stone to ceramics. The feasibility of proposed research has been evidenced by our preliminary experiments results, and the knowledge obtained during this research is of significance for the non-damage joining of diamond grits with controllable surface morphology, which is significant for the future development of high-performance abrasive tools.

实现钎焊过程中金刚石磨粒的少热损伤、反应形貌可控的连接是金刚石工具制备的核心问题。由于目前钎焊过程中普遍使用的高温和其导致界面反应过度，上述目标还难以实现。针对这一问题，申请人提出活性软钎焊连接金刚石磨粒的思路。通过设计Sn-Ti二元合金并准确控制其成分，实现金刚石与液态活性金属在低温度区域（<450摄氏度）的反应。通过低温界面反应行为的研究明确活性金属在金刚石表面的润湿条件和界面反应物生长形貌等焊接工艺设计的关键信息，实现金刚石磨粒的低温、少热损伤且反应界面形貌可控的牢固连接。通过研究焊接过程中合金元素对低温合金的凝固行为和合金元素的影响，制备评价工具，研究其摩擦磨损性能。从而实现高精度金刚石磨粒的少热损伤、可控反应形貌的连接。本思路的核心构思已在前期实验中得到验证。本项目的完成可为彻底解决金刚石钎焊存在的瓶颈问题探索一条可行的办法，具有明确的理论和实际意义。

本研究针对钎焊金刚石工具的热损伤问题，提出了低温钎焊金刚石工具的概念；利用低熔点金属锡（Sn）与典型活性元素钛（Ti）、铬（Cr）、钒（V）构建二元合金，通过分析不同二元合金在聚晶化学气相沉积（CVD）金刚石上的润湿行为，明确了不同活性元素与金刚石的界面反应温度窗口，揭示了Sn-Ti/V/Cr合金在金刚石上的润湿机制；参考CVD金刚石表面润湿研究，设计了金刚石磨粒焊接工艺曲线，研究了钎焊过程中金刚石表面碳化物生长形貌与机制，明确低温钎焊过程界面反应机理；分析了钎焊工艺、金刚石种类及钎料对金刚石磨粒冲击韧性的影响；对比了不同体系钎料钎焊后的金刚石磨粒界面形貌，系统阐释了钎焊金刚石磨粒热损伤的影响机制；在此基础上，制备了两种不同体系的三个砂轮，进行蓝宝石的磨削实验，对比分析了不同钎焊金刚石砂轮的磨粒磨损以及磨削力的变化规律；结合金刚石钎焊工具的应用场合，对焊料合金的选择提出了具体建议。.本研究主要发现主要包括以下几方面：1）设计了原位润湿实验，明确了Sn-Ti、Sn-V和Sn-Cr二元合金在聚晶CVD金刚石上的起始铺展温度，并明确其中活性元素低温吸附对合金在金刚石表面的反应润湿起重要作用；2）明确了不同活性元素与金刚石反应后的界面产物，并基于润湿特性和产物形貌。通过选取合金体系并控制焊接温度，可以在钎焊界面产生连续、均匀、致密，具有外延特征的碳化钛组织，并具有良好的连接强度；3)分析了峰值温度、保温时间、钎料体系、活性元素种类、金刚石粒度和品质对金刚石热损伤影响趋势。明确金刚石磨粒热损伤起关键性作用的强溶碳效应导致剧烈界面化学侵蚀及残余热应力是导致了Cr系钎料钎焊后的金刚石磨粒冲击韧性下降主要原因；4）分析了不同钎料合金在钎焊金刚石砂轮制备应用中的优缺点。同时，利用Sn-Cu相图中多种金属间化合物的存在，通过进一步调配Sn-Cu比例和焊接工艺，在满足可控热损伤的基础上，为后续划片刀、线锯等金刚石工具的低温钎焊制备工艺研究提供了新思路。