金刚石及金刚石工具的钎焊性探讨

金刚石的钎焊性较差，其难点主要在于：

1）大多数常用钎料对它难于润湿或不能润湿。

2）金刚石的线胀系数低于大多数金属材料，容易在钎焊热应力和周围介质作用下改变性能。

3）钎焊温度受到石墨化转变温度的限制。

关于金刚石的润湿性问题，许多学者以石墨为替代物做了详细研究。研究结果表明，在非真空条件下，金刚石的钎焊性很差。

由于单晶金刚石的直接钎焊极其困难，工业生产中选择了将金刚石与其他金属粉末预先制造成粉末冶金复合体，这些复合材料的钎焊相对容易得多。

应用最为广泛的是用粉末冶金方式压制烧结的金刚石“刀头”，这类复合体的钎焊较为容易。

刀头与基体的钎焊性主要取决于刀头底层的组成元素。目前，刀头配方主要有钴基、钨基、铜基、铁基、碳化钨基和预合金基等几类，但是刀头底层主要由Fe、Cu、雾化6-6-3锡青铜粉、Zn、Sn、Cd、WC、W₂C、Al、Pb、C、P和特殊铜合金等组成。在不单独设计底层时，可能有Ni、Mn、Cr、Ti、Zr、V、Mo、Co、B、Ag、Be、Si、W、Bi、B₄C、CBN、Al₂O₃、SiC、Cr₂O₃、TiH、TiC、TiN、Si₃N₄、hBN和MoS₂等组分存在。

在上述组分中，Pb和Bi容易引发钎缝热裂纹，Sn、P和Cd容易产生脆性疲劳源，强碳化物形成元素影响钎着率，Pb和C影响润湿性。应当指出，Pb和游离C对钎缝强度有致命影响：在钎焊过程中，它们形成钎焊粘渣，严重破坏润湿性及钎料流动，导致刀头焊不上；另一方面，当铅含量达到3%～5%（质量分数）时，铅形成的脆性相和晶界效应产生的热裂纹源大大降低钎缝强度，甚至破坏刀头。(www.xing528.com)

聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond，简称PCD）是由许多细颗粒单晶在高温高压下烧结而成。聚晶中的晶粒呈无序排列，其硬度、耐磨性在各方向相对接近，同时具有良好的断裂韧度，因此可根据不同的使用条件制成不同的形状。

为了更好地发挥PCD的性能，人们将聚晶金刚石薄层与硬质合金基体烧结在一起形成复合体，这就是聚晶金刚石复合片PDC（Polycrystalline Dia-mond Composite）。

聚晶金刚石和复合片都已广泛用于制造金属切削刀具、石油钻头、地质钻探钻头和石材加工工具等。由于PCD和PDC允许的钎焊温度低，碳化钨等材料的钎焊性也比较差，这类产品的钎焊性并不好，但是钎焊是制造这类工具的关键技术之一。PCD和PDC钎焊的主要问题是润湿性、钎缝强度和钎焊温度。

由于金刚石工具中的金刚石烧结体（刀头、PCD和PDC的通称）的材料千差万别，甚至同一个制造商的同一个配方也存在变动，给钎料和钎剂的选用带来极大困难。经常有不同批次的刀头的钎焊性存在很大差异的现象发生。

PDC的钎焊面是碳化钨类硬质合金，YG类硬质合金的钎焊性还可以，但是由于受钎焊温度的限制，PDC的钎焊润湿性就不如硬质合金。PCD和刀头中经常含有Cr、Ti、Pb等难钎焊金属，其钎焊润湿性也不好。

由于刀头的烧结温度仅仅比钎焊温度高几十度，再加上刀头的孔隙度比较高，钎焊过程中钎料与刀头的相互作用极为显著。研究表明，不到20s的钎焊时间内，钎料可以因毛细作用渗透到刀头内部8～12mm，而刀头内的Sn、Pb、Zn等低熔点金属可以从刀头内部5～8mm处扩散到钎缝中。

刀头中添加的炭粉和石墨模具残留的碳对钎焊过程有不利影响。