3.4 金刚石的焊接
3.4.1 金刚石的钎焊
（1）单层金刚石的钎焊
①对钎料的要求。钎焊金刚石的钎料必须满足下述两点要求：必须含有强碳化物形成元素，以便改善钎料对金刚石的润湿性；必须是低熔点，以避免金刚石的石墨化。因此，可以采用Cu-Sn-Ti、Cu-Cr、Ni-Cr-P、Ni-Cr-Ag、Ag-Cu-Ti等。
②钎焊工艺。图3-53给出了采用粉末钎料钎焊金刚石的一般流程。钎焊金刚石的基体材料表面需要粗化，粗糙度为Ra0.4～1.6μm。金刚石的粒度应根据实际需要。
图3-53 钎焊金刚石的一般流程
图3-54所示为金刚石的涂覆和钎焊之后的形态。钎料除了采用粉末状态之外，也可以采用其它状态（如丝状、片状等），当然，这样的钎焊工艺流程也要根据钎料状态的改变而变化。钎焊可以在真空中、在惰性气体保护下，或者在大气中采用钎剂保护进行。
图3-54 金刚石的涂覆和钎焊之后的形态
与电镀相比金刚石钎焊的平均寿命将提高50%。
（2）采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊金刚石
①Ag-Cu-Ti钎料对金刚石的润湿性。采用三种Ag-Cu-Ti钎料：A1钎料成分为95%（BAg72Cu）-5%Ti、A2钎料成分为90%（BAg72Cu）-10%Ti、A3钎料成分为85%（BAg72Cu）-15%Ti。钎料BAg72Cu为Ag-Cu共晶合金，熔点为779℃。润湿性试验条件：真空度6.65×10-3Pa，加热温度950℃，保温时间25min。各取2g钎料在石墨板表面进行润湿性试验。结果：A1钎料的平均铺展面积为0.37cm3，平均浸润角为36°；A2钎料的平均铺展面积为0.58cm3，平均浸润角为12°；A3钎料的平均铺展面积为0.57cm3，平均浸润角为18°。说明A2钎料的润湿性最好。A1钎料的Ti含量太低，A3钎料的Ti含量太高，熔点提高，因此，A2钎料最好。图3-55所示为润湿界面的X射线衍射分析结果，可以看到在界面处除去钎料成分Ag、Cu、Ti之外，还有TiC的存在，这说明，在钎料熔化及润湿过程中，发生了Ti与C的反应，就是由于这种反应实现了钎料对金刚石（石墨）的润湿。
图3-55 润湿界面的X射线衍射分析结果
②钎焊用材料。采用化学气相沉积膜厚度为110m的金刚石，钎料为90%（Ag-Cu）共晶-10%Ti合金箔，基体材料是40Cr。
③钎焊工艺。在真空辐射加热炉中进行钎焊，真空度为5×10-3Pa，加热温度为920℃，保温时间为20min。
④钎焊接头界面组织。表3-24为与石墨-钎料界面不同距离处能谱分析的结果。可以看到，Ti在靠近石墨表面的含量最大，而远离石墨表面的Ti含量很小。由于Ag、Cu、Ti中Ti的密度最小，Ti应当浮在钎料的表面，而事实上，Ti却沉在靠近石墨的底部，这说明Ti与C有较大的亲和力。事实是，Ti与C形成了TiC，这在图3-56的连接界面的断口处X射线衍射图像中可以看出。连接界面断口处，还多了Cu2Ti和CuTi，这是钎料中的组织，说明钎料并未全部参与界面反应。图3-57给出了断口上TiC的形态。A处为TiC与金刚石之间的界面；B处为TiC的断口，呈韧窝状，说明TiC与金刚石结合的强度很大，甚至大于TiC的强度；C处的金刚石颗粒只在一个晶面上形成了TiC；D处的金刚石颗粒被TiC所包围。这些现象在照片中多处可见，这说明初始形成的TiC在金刚石表面上的生长具有一定的方向性，只在金刚石某一个晶面上进行了C原子和Ti原子的化合而形成TiC，TiC在金刚石表面的生长方向受到晶向指数和晶面指数的影响。当在某一个晶面上形成的TiC达到一定厚度之后，才能够逐渐向其它方向延伸，最终将整个金刚石颗粒包围。
表3-24 与石墨-钎料界面不同距离处能谱分析的结果 %（摩尔）
注：与石墨-钎料界面的距离编号1<编号2<编号3<编号4。
图3-56 连接界面的断口处X射线衍射图像
图3-57 断口上TiC的形态
⑤Ag-Cu-Ti钎料钎焊金刚石时在金刚石表面TiC的成长机制。从Ti-C二元合金相图可知，金刚石在一定钎焊温度之下进行一定时间的保温时，根据二元扩散系统不出现双相区的原理，在金刚石-Ti界面向Ti元素内部依次为γ相、α相、δ相。γ相为间隙相，在950℃温度下，C在Ti中的溶解度为10%～20%。TiC的结构为NaCl型，由两个面心立方点阵叠加而成，C原子占据Ti的八面体的间隙位置。
金刚石中的C原子可以分为溶解到熔化了的钎料和未溶解到熔化了的钎料两个部分，它们与Ti的反应如下。
［Ti］+C（S）
TiC（S） （3-9）
［Ti］+［C］TiC（S） （3-10）
其中C（S）是金刚石中的固态C。式（3-9）是一种固态反应，熔化的液态钎料围绕在金刚石周围，并且在界面上发生反应形成TiC。式（3-10）是通过熔化的液态钎料中的Ti与溶解在液态钎料中的C发生反应形成TiC。这两种反应的生成自由能都小于零，都能够发生。
金刚石表面形成的TiC为豆腐块状，尺寸大多小于1μm，如图3-58所示。TiC为面心立方结构。
图3-58 金刚石表面TiC的形貌
（3）复合镀Ti-Ni金刚石的钎焊 金刚石表面分别采用真空微蒸发镀覆技术和金刚石滚镀方法将其表面镀Ti和Ni，镀后增重20%，其中Ti含量≤0.5%。选用Ag基钎料，其钎焊温度为650～900℃。表3-25给出了不同加热温度下的最佳钎焊时间。在最佳钎焊条件下金刚石与基体之间的结合强度可达140MPa。
表3-25 不同加热温度下的最佳钎焊时间
3.4.2 采用熔射法焊接金刚石
采用Fe-Ag-Cu-Co-Ti合金粉末作为胎体材料将金刚石烧结到胎体材料中，然后用王水腐蚀使表层金刚石露出约50%，对这个表面用酒精清洗，热风吹干之后，采用图3-59的方法，以80～160目的Ti粉末熔射到制备好的表面上。然后在熔射与胎体材料的界面上断开。
图3-59 采用熔射法焊接金刚石的示意图
熔射的断口和胎体材料的断口的分析表明，Ti金属与金刚石之间已经发生了牢固的连接，其强度超过了Ti的强度。没有发现胎体材料剥落现象，说明胎体材料烧结时并没有发生金刚石与胎体材料的界面反应，在熔射过程中金刚石也没有发生石墨化。红外测温仪测定到的温度只有280～300℃，因此在熔射过程中不会发生金刚石的石墨化。
熔射速度的控制对产品质量的影响较大。熔射的熔滴温度很高，但是，因为其质量很小，总热量较低，金刚石导热性较好，在熔射的熔滴与金刚石接触的瞬间，热量迅速传递到胎体基体，不会使金刚石升温过高；由于熔射的熔滴温度极高，而且又以极高的速度轰击金刚石表面，形成局部的接触高压，在如此高温和高压的作用下，熔射的熔滴中的Ti与金刚石中的C也以极高的速度发生反应，迅速形成稳定的化学键结合。如果熔射的速度太高，热量来不及传走，致使金刚石温度过高，有可能使金刚石发生石墨化。因此，熔射的速度不能太高。