高频感应钎焊聚晶金刚石复合片对比试验

摘要：选用两种钎料（1#、2#）对两种硬质合金与聚晶金刚石复合片进行高频感应钎焊试验，用自制抗剪切强度测定装置测试了接头的抗剪切强度并分析了刀具的破坏形式；进而利用扫描电镜（SEM）观察了钎缝界面焊合状况及钎焊缺陷位置，并辅之以电子探针（EPMA）分析。结果表明：所焊刀具性能满足实际生产的需要，其中1#钎料和YD201搭配所焊刀具抗剪切强度最大；1#钎料形成的钎缝较致密，无明显缺陷，钎料和硬质合金中的元素发生相互扩散；2#钎料形成的钎缝内部含有孔洞和夹渣缺陷。

Abstract: Choose two kinds of Hans to anticipate(1#, 2#) to two kinds of hard quality metal alloys with gather the crystal diamond compound slice to carry on Gao to repeatedly respond Han Han to experiment, use self-made the anti- sheared to slice a strength measurement device to test the anti- dealing with contact to shear to slice strength and analyzed the breakage form that the knife has;Then make use of a scanning electricity the mirror(SEM) observed Han to sew interface Han to match condition and the Han Han blemish position, and assist it to analyze by electronics probe(EPMA).Express as a result:The demand that has function to satisfy to physically produce the Han knife, among them, 1# Hans anticipate to match a Han knife to have an anti- to shear to slice strength with YD201 biggest;1# Hans anticipate formative Han to sew more fine, have no obvious blemish, the Han anticipates to take place with the chemical element in the hard quality metal alloy mutual proliferation;2# Hans anticipate formative Han to sew inner part to imply hole and clip residue blemish.

关键词：聚晶金刚石复合片；高频感应钎焊；剪切强度；缺陷

Keyword:Gather crystal diamond compound slice;Gao repeatedly responds Han Han;Shear to slice strength;Blemish

中图分类号：TM924.5+2 文献标识码：A 文章编号：

0 引 言

聚晶金刚石复合片由PCD层和硬质合金基底组成。PCD层具有高硬度，硬质合金基底具有良好韧性，二者结合使聚晶金刚石复合片具有优异的切削性能，在金属切削加工和钻探等行业获得了广泛应用[1-2]。PCD刀具是将聚晶金刚石复合片切割成一定形状的刀头，选用合适的钎料、钎剂焊接在刀体上经过刃磨制成。因此本试验中PCD复合片与硬质合金的焊接实质是硬质合金之间的焊接。

众所周知，硬质合金的钎焊通常采用Mn基钎料，钎焊温度约为1000℃[3]，而聚晶金刚石复合片PCD层的耐热温度一般不超过750℃[4]，否则会引起PCD层石墨化，降低钎焊后刀具的性能和寿命。反之，钎焊温度太低则容易发生脱焊。因此如何选择合适的钎料、钎剂并选用相应的钎焊温度是PCD钎焊中的重要环节。本文作者选用钎剂QJ102，在670°C下进行高频感应钎焊试验，分析了两种不同钎料以及不同硬质合金刀具基底对PCD刀具钎焊性能的影响；利用扫描电镜（SEM）和电子探针（EPMA）对钎焊界面进行了观察和分析，为PCD刀具高频感应钎焊中钎料、硬质合金基底的搭配选则提供了参考。

1 试验条件与方法

1.1 试验材料

英国Element Six公司产PCD复合片CTB010，WC基硬质合金YD101、YD201，片状Ag-Cu钎料1#、2#，钎剂QJ102（含脱水氟化钾42%，氟硼酸钾23%，硼酐35%；活性温度650~850°C），丙酮溶液。

1.2 试验设备

超声波清洗器，自制剪切强度测定装置，PCD高频感应钎焊模糊控制及同步数据采集系统，HSM-672型红外测温仪，BDJP-902型聚晶金刚石镜面抛光机，GP15-CW6型高频感应加热设备，JSM-6360LV型扫描电镜，EPMA-1600型电子探针。

表1 硬质合金的化学成分和抗弯强度

表2 钎料的化学成分和熔化温度

试验中的PCD复合片CTB010经激光切割机切割成所需形状后，用聚晶金刚石镜面抛光机磨削硬质合金基底以去除氧化膜并倒角，放入超声波清洗器中用丙酮进行清洗后备用；同时将经锉削加工过的硬质合金和经砂纸打磨过的钎料片也放入超声波清洗器中进行清洗后备用。按顺序将糊状钎剂、钎料片、PCD复合片放置在硬质合金基体上，然后进行高频感应钎焊。钎焊中，根据CTB010的耐热温度[5]，钎料、钎剂的活性温度，用PCD高频感应钎焊模糊控制及同步数据采集系统控制钎焊温度为670°C，保温时间16s[6]。所得刀具在石膏粉中缓慢冷却后用喷砂机喷砂，去除表面残渣。

试验中，用两种不同的钎料和两种不同的硬质合金分别搭配进行钎焊。每组刀具焊四把，三把用来进行抗剪切强度测量试验，取平均值为刀具的抗剪切强度值；另外一把用专用金刚石磨床精磨后进行扫描电镜观察和电子探针能谱分析。

表3为用自制剪切强度测定装置测得的所焊刀具抗剪切强度值。可以看出，对于同一种钎料，以硬质合金YD201为基底的刀具的抗剪切强度明显高于以YD101为基底的刀具的抗剪切强度。这主要是因为YD201中结合剂Co的含量大于YD101，而硬质合金中Co含量越高，Ag-Cu钎料对其润湿性越好，形成的钎焊接头强度也就越高[5]。而对于同一种刀具基体，使用1#钎料时，刀具的抗剪切强度稍高，则是因为1#钎料对硬质合金的润湿性优于2#，如图1所示为不同温度下，两种钎料对硬质合金YD201的润湿角的变化曲线。故1#钎料和硬质合金YD201为优选搭配。

图1 在YD201上温度对钎料润湿角的影响

Fig.1 Effect of temperature on contact angle based on YD201

2.2 破坏形式

如图2所示，剪切试验中刀具的破坏形式可以分为三种：

(1) PCD复合片沿钎缝被剪切掉，可以看到钎缝中存在未焊透缺陷（2002-3、1002-2）；

(2) PCD复合片碎裂，刀头没有被剪下（2001-1、1001-1）；

(3) PCD复合片和部分硬质合金同时被剪切掉，刀具基体断裂（2002-2、1001-2）。

图2 刀具剪切破坏形式

Fig.2 The breakage formats of cutting tools

剪切试验中，PCD刀头沿钎缝界面直接被剪切掉的情况较少，而硬质合金基体处发生断裂或PCD片碎裂的情况较多，说明试验中所焊刀具钎缝抗剪强度大于硬质合金基体抗剪强度，刀具的性能可以满足实际生产中对刀具抗剪切力的需求。

图3 钎缝的扫描电镜照片

Fig.3 SEM micrograph of the joints

图4 2001钎缝的电子探针扫描照片

Fig.4 EPMA micrograph of the 2001 joint

2.3 钎焊界面分析

观察钎缝的扫描电镜照片，可知1#钎料对硬质合金的润湿性良好，所形成钎缝中间层与母材形成紧密的晶间结合，界面及钎缝内部难以看到缺陷。对2001靠近PCD层一侧的钎缝界面进行电子探针扫描（图4），发现硬质合金YD201中的W和Co都向钎缝内发生了不同程度的扩散；钎料中的元素Ag、Cu、Zn、Ni在界面处聚集，由Cu、Zn元素与Ag形成α固溶体的条件判断钎缝边界形成Ag-Cu-Zn-Niα固溶体[7]。

2#钎料也能与母材形成较平滑的钎缝，但是钎缝内部含有明显的孔洞与夹渣（图3），孔洞位于钎缝内部靠近PCD复合片一侧处。孔洞和夹渣的存在减小了钎缝的有效连接面积，因此降低了刀具的抗剪切力，与所作剪切试验结果相符。焊接孔洞与夹渣形成的原因有待于进一步试验研究。

3 结 论

(1) 其余钎焊条件相同时，YD201形成钎缝的抗剪切强度大于YD101形成钎缝的抗剪切强度；1#钎料形成钎缝的抗剪切强度大于2#钎料形成钎缝的抗剪切强度。

(2) 从刀具的破坏形态上看，试验中钎料和硬质合金搭配所焊刀具的性能可以满足生产实际需要。

(3) 1#钎料形成的钎缝较致密，钎缝边界处形成Ag-Cu-Zn-Niα固溶体；2#钎料也能形成较平滑的钎缝，但钎缝内部含有孔洞和夹渣。

参考文献

[1] H.–J. Gittel. Cutting tool materials for high performance machining[J]. Industrial Diamond Review, 2001, 1: 17-21.

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