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| 金刚石复合片钎焊技术的研究 | |
| 郑州机械研究所 李涛 龙伟民 乔培新 于新泉 | |
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摘要：针对金刚石复合片钎焊中存在的问题，通过添加强化元素，研制了一系列适宜不同应用对象的银基钎料，并对其熔点润湿性和强度等钎焊性能进行了研究，同时探讨了钎焊工艺对钎焊接头强度的影响。结果表明，针对PCD 不同的工作条件，应采用合理的钎焊工艺，选取适宜的钎料。
关键词：聚晶金刚石；钎料；钎焊工艺
0 前言
聚晶金刚石PCD 是由金刚石微粉与粘结剂在高温高压条件下烧结而成的复合晶体材料，由于PCD 材料具有高硬度、高耐磨性、高弹性模量等显著优点，近年来已成为高档机械加工刀具、地质及石油钻头、石材加工工具、混凝土工具等高耐磨工具的首选材料。但是PCD 的焊接工艺性差，钎焊是目前最常用的焊接方法。PCD 的钎焊主要依靠润湿其中的金属粉或硬质合金基体实现。但由于PCD 中金刚石允许的加热温度受限制(一般不允许超过760-800℃)，所以钎料必须选用银基钎料，而常规银基钎料的耐热温度较低、对金刚石和碳化物的润湿性差，因此PCD 工具在使用过程中的脱焊成为主要失效形式之一，选用高性能的钎料、选择合理的工艺是提高PCD 钎焊质量的关键。
1 钎料的研制
根据PCD 的钎焊特点钎料，应该满足下列条件：熔化温度不高于800℃，流铺性适宜钎料耐高温400℃以上，适宜通用的感应钎焊或火焰钎焊，对PCD 合金钢和硬质合金的润湿性好。
针对上述特点，对常用的银铜锌钎料进行了分析和选择，确定在含银量50 65 的银基钎料基础上添加强化元素，以改善钎料性能。可添加的元素有Co Ni Mn Si Sn In B Ti Re 等。通过分析这些元素在钎料中的作用，确定Co Ni Mn 作为主要添加元素，提高钎料接头强度。SiSn In B Ti Re 作为微量添加元素，改善流动性、增加润湿性和降低钎料的熔化温度。根据以上分析共研制了六种综合性能较好的合金。
2 钎焊工艺制定
钎缝强度主要取决于以下三个因素：被连接材料的组织和状态、钎料和钎剂、钎焊过程。
2.1 被连接材料的焊前处理
结合面设计：PCD 片的形状是由使用要求确定的，基体的槽型对钎焊强度和焊接内应力影响很大，最基本的设计原理是单面焊和最小应力焊接。
几何尺寸校验：最佳的装配间隙是0.1-0.15 mm，中部间隙应不大于四周间隙。
氧化层去除和去油：常用的清除表面氧化层的方法有磨削、喷砂、超声波清洗和化学处理等。磨削和喷砂可能带来焊缝加砂，化学处理明显腐蚀硬质合金表面的Co，所以化学处理时间要严格控制，并用氨水及时中和残酸。较理想的工艺是磨削或喷砂配合超声波清洗，除油污的溶剂有汽油酒精和丙酮。
2.2 钎料和钎剂的预备
钎料的选择既要满足刀具的使用条件又要符合刀片和基体材料的要求。钎料应裁剪成比刀片略大一点的相似形状。当刀具基体选用钢时应选用0.15-0.20 mm 厚度的钎料；当刀具基体选用硬质合金时，应选用0.18-0.25 mm 厚度的钎料。
焊剂经常选用普通的QJ102，焊接前将钎剂用去离子水调成糊状使用，如果钎剂已经吸水结块可以用去离子水煮成糊状。膏状钎剂和不吸潮钎剂使用更为方便。
2.3 钎焊过程
常用的钎焊方法有感应钎焊和火焰钎焊两种，感应钎焊的焊接温度便于控制、操作技巧便于掌握；火焰钎焊要求用还原性火焰。
钎焊时，首先加热涂过钎剂、加过钎料的刀柄，感应钎焊时可用清洁的陶瓷棒压紧钎料，当钎料开始熔化时加上刀片，当钎料自由流动后暂停加热。用陶瓷棒往复移动刀片可以起到排渣和除气作用，但当钎料失去光泽时焊缝温度已经下降到钎料的液相线，这时已不宜再移动刀坯，静止-保温-加压，直到钎缝变暗为止。
焊后应将刀具放在烘箱或石棉箱中缓冷，决不允许将刀具置入水或油中急冷。
焊后应及时清洗过量的钎剂和表面氧化皮。
3 钎料性能试验
六种钎料的性能试验结果见表1，从表中可以看出BAg611、BAg613 的钎焊温度最低，流动性最好；BAg612 的结晶间隔较大，可使用厚焊片焊接，适宜于钎焊振动条件下工作的刀具。后三种钎料BAg614 BAg615 BAg616 的钎焊温度较高，但钎料的连接强度较高，尤其是高温强度高，适宜于钎焊干切工具、粗加工刀具以及在振动场合下工作的刀具。六种钎料在不同温度下的强度可以参照图1，从图1 可以看出，BAg615 BAg616 的高温性能最好，BAg611 BAg613 的高温性能较差。 表1 钎料性能试验结果 （图片）（图片） | |
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