基于自蔓延高温合成的低能耗多层钎焊金刚石工具制备

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Preparation of multi-layer brazed diamond tool with low energy consumption via self-propagating high-temperature synthesis

　　

摘要钎焊金刚石工具由于金刚石磨粒与基体界面结合牢固，表现出优异的金刚石磨粒保持能力和高的金刚石磨粒突出高度。这些优势使得在加工硬脆材料时磨削力更低，材料去除效率更高。然而，由于钎焊循环过程中熔融钎料的流动行为不可控以及重力引起的下垂，多层钎焊工具的制备仍然具有挑战性。目前，大多数多层金刚石工具是通过粉末冶金工艺制造的，涉及热压烧结过程中的高能耗和大量的石墨模具消耗。在本研究中，基于 NiAl 自蔓延高温合成 (SHS) 开发了一种用于制造多层钎焊金刚石工具的节能工艺。为了构建多层钎焊结构，将三种钎料合金 (NiCr、CuSn 和 AgCu) 分别引入摩尔比为 3:1 的电阻点燃 NiAl SHS 系统中。系统研究了钎料合金添加对 SHS 衍生 NiAl 压块的反应行为、相演化、微观组织和力学性能的影响。进一步将金刚石磨粒引入 NiAl SHS 系统，以评估其对 SHS 反应行为的影响。基于优化配方，制造了一种多层钎焊金刚石工具。以商用热压烧结 FeCo 多层金刚石工具为参考，评估了 NiAl SHS 衍生多层钎焊金刚石工具的磨削性能和能耗。结果表明，添加钎料合金降低了燃烧温度并抑制了 SHS 衍生压块的变形。添加 20 wt% NiCr 钎料合金后，SHS 衍生 NiAl 基体表现出高相对密度和硬度。金刚石磨粒的加入使燃烧速度降低了约 40%，燃烧温度降低了 17%。与热压烧结 FeCo 多层金刚石工具相比，NiAl SHS 衍生多层钎焊金刚石工具在保持可接受磨削性能的同时，能耗降低了约 96%。

引言金属结合剂金刚石工具广泛用于磨削各种硬脆材料，包括陶瓷、玻璃、半导体晶圆、花岗岩和大理石 [1], [2]。大多数金属结合剂金刚石工具是通过粉末冶金工艺制造的 [3]。在此过程中，金刚石磨粒与预合金化金属粉末混合，在 700–850 °C 温度下于压力在石墨模具中压实，并在烧结温度下保持数十分钟 [4]。然而，这种常规热压烧结工艺存在几个固有缺点。该工艺涉及高能耗，因为工业热压设备通常功率额定值为 20–120 kVA，每小时消耗约 60 kWh 电力 [5]。此外，它需要漫长的加工周期，并导致石墨模具严重的热降解和消耗。这些模具同时作为加热元件和结构支撑，导致频繁更换和生产成本增加 [6]。此外，高烧结温度和延长保温时间可能导致金刚石磨粒的热降解 [7]。这些局限性促使了替代节能制造路线的开发。

自蔓延高温合成 (SHS) 是一种节能合成技术，点火后通过自持放热反应进行，仅需最少的外部能量供应。这一独特特性使其在表面工程、连接技术以及耐火化合物、陶瓷和多孔合金的制造中得到广泛应用 [8], [9]。得益于其反应速度快、能耗低和加工要求简单，SHS 在金刚石工具制备方面引起了广泛关注。Wu 等人 [10] 回顾了基于 NiAl、TiAl 和 FeAl 系统的 SHS 衍生金刚石工具材料的最新进展，强调了反应物组成、稀释剂添加、金刚石排列和点火方法对反应行为和工具性能的影响。Zhou 等人 [11], [12] 将金刚石磨粒引入 NiAl SHS 系统以制造含金刚石工具。Zhang 等人 [13] 采用 Ni–Cr–P、Cu 和 B 作为 NiAl SHS 反应中的稀释剂，以修饰 SHS 产物的微观组织并降低燃烧前沿速度和燃烧强度。除了 SHS 之外，其他节能制造技术也被探索用于金刚石工具制造。对于感应钎焊，Tian 等人 [14] 研究了稀土掺杂 Ni 基钎料合金对金刚石钎焊性能的影响。对于火花等离子烧结 (SPS)，Laptev 等人 [15] 系统回顾了 SPS 工具的设计和优化，指出尽管其具备快速压实能力，但大规模工业实施仍受到高工具成本和生产能力不足的限制。对于无压烧结，Tao 等人 [16] 研究了 CuSn 添加对 Fe–Cu–Co 基金刚石工具金刚石磨粒保持能力的影响。他们的结果表明，尽管无压烧结是节能的，但结合剂基体对金刚石磨粒的机械保持能力不足。

单层钎焊金刚石工具在磨削过程中表现出高结合强度和高磨粒突出高度。这些特性有助于降低磨削力并提高材料去除效率。然而，它们的使用寿命仍然有限。因此，人们付出了大量努力用于制造多层金刚石工具。例如，Wu 等人 [17], [18] 通过在工具尖端表面引入沟槽制造了一种多层钎焊金刚石微钻，从而提高了排屑效率。钎焊层表现出良好的结构完整性和强界面粘附力。Wu 等人 [19], [20] 将 Cu–Sn–Ti 钎料合金粉末与金刚石磨粒和石蜡粘合剂混合，将混合物压制成坯体，随后通过钎焊和烧结组合工艺制造了多层钎焊金刚石砂轮。尽管取得了这些进展，多层钎焊金刚石工具的磨削性能仍然不及单层钎焊和热压烧结金刚石工具。此外，它们的制造仍然涉及相当大的能耗。

在本研究中，我们通过在电阻加热引发的 NiAl (3:1 摩尔比) 自蔓延高温合成 (SHS) 系统中引入钎料合金，开发了一种用于多层钎焊金刚石工具的节能制造工艺。三种钎料合金 (NiCr、CuSn 和 AgCu) 分别被引入 SHS 系统，以调整结合剂基体的组成和力学性能并增强金刚石磨粒保持能力。系统研究了不同钎料合金对 NiAl SHS 系统反应行为、微观组织和力学性能的影响。基于优化配方，制造了一种多层钎焊金刚石工具。评估了制造工具在蓝宝石上的磨削性能，并与商用热压烧结 FeCo 金刚石工具进行了比较。此外，计算了与基于 SHS 的制造路线相关的能耗，并与热压烧结 FeCo 金刚石工具进行了比较。

章节片段实验细节起始材料的规格列于表 1。粉末混合物是通过将重量分数为 0、10、20、30 和 40 wt% 的三种商用钎料合金粉末 (NiCr、CuSn 和 AgCu) 添加到 Ni:Al 原子比为 3:1 的 NiAl 基础粉末中制备的。粉末混合在 KZS-01 真空手套箱中进行。混合前，手套箱被抽真空并回填 Ar 以建立惰性气氛。然后粉末混合物在 150 rpm 下球磨。

添加不同钎料合金对 NiAl SHS 过程的影响图 2(a) 显示了不同钎料合金添加量样品的燃烧前沿速度。添加钎料合金显著降低了 NiAl SHS 系统的燃烧前沿速度，最大降低幅度约为 49%。这种行为主要归因于燃烧前沿速度对燃烧温度的强烈依赖 [21]。在 SHS 反应过程中，钎料合金在燃烧前沿前方熔化和吸热，从而

结论使用 NiAl SHS 工艺制造了一种多层钎焊金刚石工具，将钎料合金引入反应系统中并通过感应加热点燃。通过评估反应样品的结构完整性和力学性能优化了结合剂组成。这种方法为制造具有可接受磨削性能的多层钎焊金刚石工具提供了一种替代的低能耗路线。主要结论总结如下。

(1) 该

CRediT 作者贡献声明宋瑞雪：写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，调查。张丰林：写作 – 回顾与编辑，写作 – 初稿，监督，构思。何涛：调查。曾俊勇：调查。周欣：资源，调查。杨伟健：调查。潘晓仪：调查。周雨美：资源，调查。

利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

宋瑞雪 | 张丰林 | 何涛 | 曾俊勇 | 周欣 | 杨伟健 | 潘晓仪 | 周雨美
中国广州 510006，广东工业大学机电工程学院