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加工PCD刀具/PCBN刀具/钻石/工业陶瓷的陶瓷金刚石砂轮

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PCD用钎料选择及PCD钎焊工艺的研究

2010.06.28  河南恒远超硬材料有限公司 www.kosuperhard.com  浏览次数:
PCD的广泛应用给钎焊技术提出了更高的技术要求,常规钎料已不能满足高周疲劳、高温抗剪的要求。根据 Ag、Cu、Zn、Cd、Ni、Co、Mn 等元素在钎料中的作用和特点,进行分析和选择从而配制了十几种牌号的钎料,并对其熔点、强度、钎焊工艺进行了研究,研制出一系列新型的银基钎料。研究和使用结果表明:研制的系列钎料分别适宜不同工作条件下的PCD工具的钎焊。关于聚晶金刚石,钎料,高温强度,润湿性的信息

引言

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、各相同性和相对高的热导率等显著优点,近年来已成为高档机械加工刀具、地质及石油钻头、陶瓷磨具、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 工艺。钎焊技术主要包含两方面的内容:钎焊材料和钎焊工艺,在通用银基钎料的基础上添加其他元素获得特殊性能的钎料、选择合理的钎焊工艺是改进 PCD 钎焊技术的两种途径。

PCD 的钎焊特点

PCD是由金刚石微粉与金属粉末(粘结剂)聚合而成,未经处理的金刚石极难被钎料润湿,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。河南胜创超硬材料有限公司供图

由于PCD允许的加热温度受限制(一般不允许超过 760~800 ℃),钎焊材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,PCD工具在使用过程中的脱焊成为主要失效形式之一。

在钎焊工艺合理的情况下,提高钎料高温强度和疲劳性能是防止脱焊的主要途径。获得高性能的银钎料是提高 PCD 钎焊稳定性的关键。

在研制高性能钎料的过程中,为了改善性能可以增加银的比例、添加强化元素,而不必计较钎料成本,这是由于钎料费用在整个 PCD 工具制造成本中所占比例很小,钎料的价格是次要的。

钎料的研制

PCD工具的主要特点是使用寿命长、工作过程焊缝受力状态以剪切应力为主并且焊缝区温度场不稳定,钎焊过程中 PCD 的温度不能超过750~800℃。河南胜创超硬材料有限公司供图

根据上述要求,钎焊 PCD 用钎料应该满足下列条件:钎料熔化温度不高于800℃并且越低越好,钎料耐高温(400 ℃以上),适宜通用的感应钎焊或火焰钎焊,流铺性适宜,对PCD、合金钢和硬质合金的润湿性好,性能稳定可靠性高。

针对上述特点,对常用的银钎料进行分析和选择,确定在含银量50~65%的银基钎料基础上添加其他元素,以改善钎料性能。根据每种元素的性能和相互作用,可添加的元素有Cu、Zn、Cd、Co、Ni、Mn、Si、Sn、In、B、Ti、Re、等,这些元素的主要作用如下。

Cu:能固溶多种元素形成α固溶体,导热性好,钎焊性优良,适合各种钎焊工艺。

Zn、Cd:在 Cu-Ag 合金中的固溶度较大,能大幅度降低 Cu-Ag 合金的熔点,改善 Cu-Ag合金的流动性和润湿性,在钎焊时可以降低进入钎缝中的气体量,但其总和超过 40%以后钎料塑性急剧下降。另外含 Zn、Cd 的钎料不能用于真空钎焊。

Co、Ni:Co 可以较大的提高钎料的高温强度,对 PCD 的润湿性好,能改善钎缝塑性,

Ni 可以通过增加润湿面积的途径提高连接强度,但 Co、Ni 的加入明显提高钎料的熔化温度。

Mn:在提高钎料高温强度的元素中只有 Mn 的锌当量是正值,因此 Mn 可以同时起到提高高温强度、降低钎料熔点、改善润湿性、不恶化钎料塑性、二次脱氧等综合作用,但 Mn 与氧的亲和性强,含 Mn 量高的钎料不适宜炉中钎焊和火焰钎焊。

河南胜创超硬材料有限公司供图 Si:加入Si可以大幅度降低钎料的熔化温度,提高钎料的抗氧化能力,细化晶粒,改善流铺性和润湿性,防止 Zn、Mn 的蒸发,但 Si 几乎不溶于 Ag 和 Cu,在 Zn 中的溶解度也

很小,Si 的加入会明显降低钎料的塑性。

Sn、In:Sn、In 是常用元素中熔点最低的,添加 Sn、In 可以大幅度降低钎料的熔化温度,同时也可以改善流动性、增加润湿性,但这两种元素使钎料的塑性明显降低。

B:B 的主要作用是改善钎焊工艺性,阻止钎料氧化并抑止气体向熔融钎料溶解的作用,其加入量应控制在 0.02%~0.2%之间,否则会带来其他不利影响。

Ti:微量的 Ti 可以提高钎料对 PCD 的润湿性能并减少成分偏析、细化晶粒、提高塑性、改善钎料的加工性。

Re:微量的 Re 可以防止钎焊过程中的氧化,在改善钎料的润湿性的同时净化钎缝晶界,从而提高钎缝的抗疲劳性能。

由以上简述可知:Ag、Cu、Zn、Cd、Co、Mn、Ni 可以作为主要组成元素,Si、Sn、In、B、Ti、Re 作为微量添加元素。

根据以上分析共配制了30多种合金,

经过综合比较合金的熔化温度、钎料抗拉强度、接头抗剪强度和钎焊工艺性,最后确定了六

种综合性能较好的合金作为研制的钎料。钎料的基本特性如表1:

钎料简介

上述六种钎料中,BAg611、BAg613 的钎焊温度最低,流动性最好;其中 BAg611 的含银量最低,因此价格较低;BAg612 的结晶间隔较大,可以使用厚焊片焊接,适宜于钎焊振动条件下工作的刀具,同时由于 BAg612 含有一定量的 Ni 也适宜于钎焊硬质合金基体。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。有关六种钎料在不同温度下的强度关系可以参照图 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。

BAg614、BAg616 含有较多的亲氧性元素不宜用火焰钎焊,可以使用感应加热,BAg615的价格较高,在有感应钎焊设备的情况下不要选用。

上述钎料在地质、石油、采矿等行业常以丝材形式使用,而在机械加工刀具、建筑建材、混凝土工程中常以片状形式使用。

所研制的钎料的经济性如表2所示:表中 1 表示最经济。

钎焊前的预备工作

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。

①被连接材料的焊前处理

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。常用钎料 L303、L304 的熔化温度较高(750~780℃),对刀片有热损伤;L312 的熔化温度较低(610 ℃)但连接强度有限。

BAg6××系列钎料是针对复合片刀具焊接研制的,这些钎料的焊接温度适中,熔化温度范围在 620~720℃之间,并有 6 种各具特色的型号供选择。BAg6××系列钎料很好的满足了复合片刀具的焊接要求。

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。钎料的清洗要求与刀片相同。

焊剂经常选用普通的J102,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。

钎焊及后处理

① 钎焊过程

河南胜创超硬材料有限公司供图
常用的钎焊工艺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。感应钎焊和火焰钎焊的焊接步骤如图 2 所示。

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。

② 焊后处理

焊后应及时清洗过量的钎剂和表面氧化皮。钎剂可以在热水中浸泡去除,最好的去除氧化皮的方法是喷砂。清理完毕要用放大镜检查钎缝,平滑、光洁、无气孔、无裂纹、圆弧状的钎缝最为理想。

结论

(1)复合片的应用越来越广泛,迫切需要研制一系列与之配套的钎焊材料。

(2)BAg6××系列钎料熔化温度适宜,抗剪强度高,钎焊工艺性优良的特点。

(3)BAg611、BAg612、BAg613 流动性好熔化温度低,适宜于工作温度不高的刀具的焊接;BAg614、BAg615、BAg616熔化温度适中,适宜于工作条件恶劣的刀具的焊接。

(4)BAg614、BAg616 最适宜感应钎焊工艺,用火焰钎焊时需要快速加热。

(5)焊缝强度取决于钎焊材料、钎焊过程和刀片与基体等三个方面。

(6)按刀具的使用要求选取钎料是满足连接要求的关键。

原文由龙伟民(河南省焊接学会理事郑州机械研究所钎焊材料技术公司副总经理)撰写。网络文档由河南胜创超硬材料有限公司网络编辑室整理

来源:    网络文档由陶瓷结合剂金刚石砂轮整理

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