PCD刀具真空钎焊工艺研究

作者:刘云;刘松;段黎明;陈子豪;魏志敏 刊名:工具技术 上传者:欧军让

【摘要】钎焊是刀具制作过程中的重要环节;焊接质量直接影响刀具连接强度;通过在真空环境中加热;以YG8硬质合金和PCD复合片为焊接母材进行钎焊试验;对比3种钎料在不同焊接温度和保温时间下钎料润湿性和焊接强度的变化;确定3种钎料的最佳焊接参数及适用范围;并分析了阻流剂的使用对钎料阻流的效果;试验表明;使用阻流剂能有效控制钎料溢流至非焊接面;

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1 引言 聚晶金刚石 (Polycrystalline Diamond,PCD)刀具适用于有色金属及其合金和难加工非金属(如木材、强化地板、石墨、陶瓷、石材等)材料的加工[1]。目前,应用最广泛的PCD刀具是将PCD复合片切割成一定尺寸的刀粒,与硬质合金刀体焊接在一起,经刃磨加工而成。 PCD刀具的焊接直接影响刀具的使用性能。目前,PCD刀具多采用高频感应钎焊工艺,在空气中以低温钎料为介质将PCD复合片与刀体连接在一起,工艺成熟。但传统的高频加热钎焊存在诸多缺点:加热温度不易控制,升温和降温速度过快,刀具易产生内应力,使刀片产生裂纹;焊接过程需助焊剂,焊接后刀体表面易形成氧化层,需进行喷砂等表面处理,导致外观不佳;针对小尺寸和多头刀片焊接难度较大,且焊接质量不良等。真空钎焊是在真空气氛中不施加任何钎剂而连接零件的先进工艺,焊接难连接的材料和结构,得到光洁致密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头[2]。刘松等[3]对超硬材料真空焊接工艺进行了研究,阐述了真空钎焊的优势,探讨了钎料的选取原则、温度曲线的制订规律及影响焊接质量的因素等问题。鹿桂芳等[4]针对阻流剂的制备与应用效果进行说明与验证。 本文通过PCD刀具真空钎焊试验,以3种钎料为对象,研究了钎焊参数对钎料的润湿性、剪切强度的影响,探究了最佳的焊接参数及其适用范围,分析了阻流剂的使用对焊接外观质量的影响。 2 试验方案 2.1 试验材料与设备 PCD耐热性较差,在高温下易石墨化,钎料宜选取中低温Ag基钎料。试验选取3种AgCu基固溶体钎料,编号1#、2#、3#,其主要化学成分、温度及价格见表1。 采用ZCZKL-160L型真空钎焊炉进行焊接试验,焊接过程中真空度保持3×10-3Pa~1×10-3Pa。焊接母材为YG8硬质合金和PCD复合片,焊前处理焊接面并用声波清洗机清洗干净,焊后测量焊料铺展面积及剪切强度,验证阻流剂对钎料铺展的影响。 2.2 试验步骤 将1#、2#、3#钎料在不同焊接温度及保温时间下,以YG8硬质合金和PCD复合片为焊接母材。同一焊接参数下,一组将钎料置于硬质合金上,观测钎料铺展情况,测量得到相同体积焊料的铺展面积,以此评价钎料的润湿性能;另一组用同种钎料将合金基体和PCD片用同种钎料焊接,并进行剪切强度试验。试验前用W80金刚石砂轮去除硬质合金表面氧化层,并用超声波清洗机清洗干净。试验设定焊接参数见表2和表3。 根据上述试验结果确定1#、2#、3#钎料的最佳焊接参数,以PCD复合片和YG8合金为焊接母材,YG8合金与PCD复合片PCD层为焊接面。出炉后观测焊接情况并分别测试剪切强度,焊接结构见图1。 选取2#钎料置于YG8硬质合金上,周围涂一圈阻流剂,如图2所示,阻流剂与钎料之间留一定缝隙,出炉后观察钎料铺展情况。 3 试验结果与分析 3.1 钎料润湿性与焊接强度 研究焊接温度及保温时间对焊料润湿性及焊接强度的影响,以确定最佳的焊接参数。分别对3种钎料设计了单因素试验,部分钎料铺展情况见图3-图5,剪切试验情况见图6。 综合不同焊接温度及保温时间下焊料铺展的面积可以看出,焊接参数对钎料润湿性有显著影响。同种焊料在不同焊接参数下呈现不同的铺展表现和剪切强度。经测量铺展面积及剪切强度汇总数据见图7-图10。 根据上述结果确定各钎料最佳焊接参数:1#钎料730℃,保温10min;2#钎料830℃,保温15min;3#钎料730℃,保温10min。3种钎料在最佳焊接参数下,YG8合金与PCD面焊接情况见图11。由图可知,1#钎料不能与PCD层润湿,无

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