摘要：从金刚石钎焊质量主要评价方法和主要影响因素两方面综述了国内外金刚石钎焊技术的研究进展，并展望了未来金刚石磨粒钎焊技术的发展方向。
关键词：钎焊；钎焊质量；金刚石；磨粒
金刚石磨粒具有高硬度、强耐磨性和极佳导热性等优异性能，在加工硬质合金、陶瓷、玻璃、宝石等高硬脆性难加工材料方面得到广泛的应用。但是具有共价键结构的金刚石与一般的金属之间有很高的界面能，难以焊接，而一般的机械镶嵌、物理吸附没有足够把持力[1]。自20世纪90年代初以来，国外及我国台湾地区先后研究采用高温钎焊工艺开发新一代金刚石工具，利用活性金属元素（如Ti、Cr、Mo、W等）在金属钎料与超硬磨粒界面处形成化学冶金结合，大大提高了结合剂对金刚石磨粒的把持强度，使砂轮使用寿命显着提高[2-3]。
但是在试验过程中发现，钎焊金刚石工具仍存在金刚石易石墨化、金刚石钎焊界面脆性金属间化合物影响钎焊强度、钎焊接头残余应力集中等钎焊质量问题。同时，由于高效精密制造技术的发展，对金刚石磨粒钎焊技术又提出了钎料能够根据磨粒磨损状态智能地控制金刚石脱落、钎料与金刚石之间磨损率匹配、提高钎焊接头散热性能和增大容屑空间等新要求[4]。
因此，如何将新要求科学地转变为金刚石钎焊质量评判标准，以及如何改进金刚石钎焊技术满足这些新要求是一项具有重大意义的工作。本文总结当前金刚石钎焊质量评判方法，论述了有关金刚石钎焊质量影响因素及影响机理的国内外研究进展，并对未来金刚石钎焊技术的发展进行了展望。
1金刚石钎焊质量评价方法
从20世纪90年代初金刚石钎焊技术被提出以来，从事金刚石钎焊技术研究的学者们主要从金刚石钎焊微观形貌特征、钎焊金刚石刀具摩擦磨损性能、金刚石钎焊强度、金刚石钎焊接头残余应力等方面来评判金刚石钎焊质量。
1.1 钎焊金刚石微观形貌特征
金刚石钎焊微观形貌特征主要包括：金刚石表面形貌和钎料形貌，以及金刚石、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌等。其中，金刚石表面形貌可以反映出其热损伤或石墨化程度，钎料形貌可以反应出钎料对金刚石的润湿铺展程度，金刚石、钎料和基体三者之间的界面化合物形貌可以反应出三者之间的化学冶金反应状态。
通过扫描电镜观察了金刚石钎焊接头的微观形貌特征。(a)部分钎料粉末没有完全熔化，钎料对金刚石的润湿铺展不充分；(b)金刚石仍晶形完整、棱角分明，没有出现明显的热蚀痕迹，并且钎料与金刚石结合致密，钎料粉末铺展充分；(c)金刚石出现一定程度的热刻蚀现象。Khalid等[6]通过透射电镜(TEM)观测金刚石与钎料之间形成的界面化合物TiC形态分为两层,在第二层TiC呈脆性拉长柱状形态。
不同温度下真空钎焊10min金刚石表面形貌
TEM金刚石钎焊界面化合物TiC分层形貌
1.2 钎焊金刚石磨粒摩擦磨损性能
在磨粒磨削加工过程中，磨粒承受来自工件的冲击作用和接触产生的热载荷。倘若钎焊接头强度不足把持住高负荷加工状态的磨粒，磨粒将产生非正常脱离。根据此原理，开展金刚石磨粒摩擦磨损试验，其结果可以用来评判钎焊性能。伍俏平等[7]采用Dino-Lite数码显微镜观测了新型钎焊金刚石纤维砂轮及普通树脂结合剂金刚石砂轮表面磨损情况。当普通砂轮工作面上出现了较多脱落坑时而钎焊金刚石纤维砂轮少有金刚石整颗脱落的情况。黄辉等[8]也通过Hirox型三维视频系统对比观察钎焊金刚石砂轮和普通烧结砂轮磨粒磨损状态。
砂轮工作表面情况
1.3 金刚石钎焊强度
钎焊强度是高性能钎焊接头的重要直接评判标准，根据受力方向分为抗拉 伸强度和抗剪切强度,抗拉伸强度虽然能直接反映材料界面上结合键的强弱，但抗剪切强度更符合磨粒磨削加工过程中受力状态。瑞士SebastianBuhl等在平行于接触面上50μm的高度施加载荷，分析了在不同钎焊温度、不同保温时间下的剪切强度。
强度测试
1.4 金刚石钎焊接头残余应力
残余应力是影响金刚石钎焊接头性能的重要因素，残余应力过大将导致钎焊接头萌生裂纹，导致磨粒在加工过程中产生不正常脱落或磨损。目前对金刚石钎焊接头残余应力的研究主要采用试验测量和有限元仿真分析。Khalid等人[6]通过透射电镜发现在TiC层与金刚石接触界面存在应变反差现象。如图2(b)B点所示，该现象发生是因为在钎焊过程中金刚石和TiC因热膨胀系数不匹配，相互之间热变形受到约束。
使用拉曼光谱仪 器对钎焊金刚石接头残余应力进行了测试。随着计算机技术及数值分析技术等的飞速发展，许多研究人员采用数值模拟的手段对金刚石钎焊接头残余应力进行了分析。如孙凤莲等人[11]通过有限元仿真试验，分析了钎焊工艺参数对金刚石钎焊接头内部残余应力分布及大小的影响，预报了焊后裂纹产生危险区域。
2金刚石钎焊性能主要影响因素
在钎焊金刚石工具制备的过程中，钎料粉末、镀覆金刚石类型、钎焊工艺参数（包括钎焊温度、保温时间、钎焊气氛等），都对金刚石钎焊性能有很大影响。
2.1 钎料成分
在金刚石钎焊过程中，金刚石依靠熔化的钎料连接起来，钎料自身的性能很大程度上影响金刚石钎焊接头的性能。在设计钎料成分及配比的过程中，需考虑以下基本要求：
(1)钎料具有合适熔点。熔点不能高于金刚石石墨化温度，也不能过低，若熔点太低，则在磨削过程中，可能因为较高的磨削温度导致钎料软化，造成磨粒过早脱落。目前，Ni-Cr钎料应用最广泛，但其钎焊温度较高（900℃以上），金刚石有石墨化的倾向，影响钎焊金刚石的强度和工具寿命[12]。而Ag-Cu钎料熔点低，焊后接头使用温度不能超过500℃，且钎料中含有贵金属，成本较高，使用也受到一定的限制。铜基钎料相对Ag基钎料，具有烧结温度低、成本低、好的成形性和可烧结性，以及与其他元素相容性好等特点，但是Cu对金刚石几乎不润湿[7]。
(2)钎料对金刚石具有良好的浸润、扩散作用。 较好的浸润、扩散作用可以保证钎料与金刚石磨粒之间形成牢固的化学冶金结合，提高钎焊强度。张凤林等通过在钎料合金中添加Cr、Ti金属粉，改善了钎料合金对金刚石的润湿性能[13]。
(3)钎料应具有稳定、均匀的成分，以减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的损耗。通过优化配比活性金属的加入量，防止过量高脆性金属化合物的产生。利用混料回归设计建立了Cu-Ni-Sn-Ti活性钎料成分与钎焊性能的回归方程，分析钎料元素质量分数对钎料性能的影响规律。
(4)钎料具有一定的强度和硬度。在磨削过程中，如果钎料强度和硬度不够，那么将导致自身快速磨损，失去对磨粒把持能力。通过分析金刚石、钎料和基体三者之间的界面，发现Ti元素的加入也使钎料本身的强度增大，耐磨性增大，但是Ti含量过多，会导致合金熔点升高，以及金属化合物增多，钎焊接头脆性增大。
(5)避免由于物理性能的不匹配导致金刚石与钎料截面处产生较大的残余应力。
2.2 金刚石镀膜
金刚石镀膜是指在金刚石表面镀覆一层亲和性金属，并且使镀层与金刚石之间发生牢固的化学键合，降低金刚石的表面能，使之易于被金属结合剂所浸润，改善金刚石表面的可焊性，实现金刚石与金属之间的强力冶金结合。通过使用表面镀覆了一层非晶态碳膜的金刚石颗粒进行钎焊实验，发现浸没在钎料层下面的金刚石表面生成了形核质点分布较均匀的铬碳化合物，钎料对金刚石具有良好的钎焊效果。利用Cu-10Sn-5Ti钎料粉末在钢基体上真空钎焊镀Ti金刚石，发现金刚石由于镀Ti层的保护隔离作用，大大降低了热损伤和石墨化，且金刚石的晶型完整。
2.3 钎焊工艺参数
虽然按金刚石钎焊过程加热不同，钎焊工艺可分为高温炉中钎焊，高频感应钎焊，激光烧