高頻感應(yīng)釬焊聚晶金剛石復(fù)合片對(duì)比試驗(yàn)

引 言
　　聚晶金剛石復(fù)合片由PCD層和硬質(zhì)合金基底組成。PCD層具有高硬度，硬質(zhì)合金基底具有良好韌性，二者結(jié)合使聚晶金剛石復(fù)合片具有優(yōu)異的切削性能，在金屬切削加工和鉆探等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。PCD刀具是將聚晶金剛石復(fù)合片切割成一定形狀的刀頭，選用合適的釬料、釬劑焊接在刀體上經(jīng)過刃磨制成。因此本試驗(yàn)中PCD復(fù)合片與硬質(zhì)合金的焊接實(shí)質(zhì)是硬質(zhì)合金之間的焊接。
　　眾所周知，硬質(zhì)合金的釬焊通常采用Mn基釬料，釬焊溫度約為1000℃[3]，而聚晶金剛石復(fù)合片PCD層的耐熱溫度一般不超過750℃[4]，否則會(huì)引起PCD層石墨化，降低釬焊后刀具的性能和壽命。反之，釬焊溫度太低則容易發(fā)生脫焊。因此如何選擇合適的釬料、釬劑并選用相應(yīng)的釬焊溫度是PCD釬焊中的重要環(huán)節(jié)。本文作者選用釬劑QJ102，在670°C下進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊試驗(yàn)，分析了兩種不同釬料以及不同硬質(zhì)合金刀具基底對(duì)PCD刀具釬焊性能的影響；利用掃描電鏡（SEM）和電子探針（EPMA）對(duì)釬焊界面進(jìn)行了觀察和分析，為PCD刀具高頻感應(yīng)釬焊中釬料、硬質(zhì)合金基底的搭配選則提供了參考。
　　1 試驗(yàn)條件與方法
　　1.1 試驗(yàn)材料
　　英國Element Six公司產(chǎn)PCD復(fù)合片CTB010，WC基硬質(zhì)合金YD101、YD201，片狀A(yù)g-Cu釬料1#、2#，釬劑QJ102（含脫水氟化鉀42%，氟硼酸鉀23%，硼酐35%；活性溫度650~850°C），丙酮溶液。
　　1.2 試驗(yàn)設(shè)備
　　超聲波清洗器，自制剪切強(qiáng)度測(cè)定裝置，PCD高頻感應(yīng)釬焊模糊控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，HSM-672型紅外測(cè)溫儀，BDJP-902型聚晶金剛石鏡面拋光機(jī)，GP15-CW6型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，JSM-6360LV型掃描電鏡，EPMA-1600型電子探針。

　　試驗(yàn)中的PCD復(fù)合片CTB010經(jīng)激光切割機(jī)切割成所需形狀后，用聚晶金剛石鏡面拋光機(jī)磨削硬質(zhì)合金基底以去除氧化膜并倒角，放入超聲波清洗器中用丙酮進(jìn)行清洗后備用；同時(shí)將經(jīng)銼削加工過的硬質(zhì)合金和經(jīng)砂紙打磨過的釬料片也放入超聲波清洗器中進(jìn)行清洗后備用。按順序?qū)⒑隣钼F劑、釬料片、PCD復(fù)合片放置在硬質(zhì)合金基體上，然后進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊。釬焊中，根據(jù)CTB010的耐熱溫度[5]，釬料、釬劑的活性溫度，用PCD高頻感應(yīng)釬焊模糊控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制釬焊溫度為670°C，保溫時(shí)間16s[6]。所得刀具在石膏粉中緩慢冷卻后用噴砂機(jī)噴砂，去除表面殘?jiān)?
　　試驗(yàn)中，用兩種不同的釬料和兩種不同的硬質(zhì)合金分別搭配進(jìn)行釬焊。每組刀具焊四把，三把用來進(jìn)行抗剪切強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)，取平均值為刀具的抗剪切強(qiáng)度值；另外一把用專用金剛石磨床精磨后進(jìn)行掃描電鏡觀察和電子探針能譜分析。
　　 用自制剪切強(qiáng)度測(cè)定裝置測(cè)得的所焊刀具抗剪切強(qiáng)度值?？梢钥闯?，對(duì)于同一種釬料，以硬質(zhì)合金YD201為基底的刀具的抗剪切強(qiáng)度明顯高于以YD101為基底的刀具的抗剪切強(qiáng)度。這主要是因?yàn)閅D201中結(jié)合劑Co的含量大于YD101，而硬質(zhì)合金中Co含量越高，Ag-Cu釬料對(duì)其潤濕性越好，形成的釬焊接頭強(qiáng)度也就越高[5]。而對(duì)于同一種刀具基體，使用1#釬料時(shí)，刀具的抗剪切強(qiáng)度稍高，則是因?yàn)?#釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤濕性優(yōu)于2#，如圖1所示為不同溫度下，兩種釬料對(duì)硬質(zhì)合金YD201的潤濕角的變化曲線。故1#釬料和硬質(zhì)合金YD201為優(yōu)選搭配。

　　2.2 破壞形式
　　如圖2所示，剪切試驗(yàn)中刀具的破壞形式可以分為三種：
　　(1) PCD復(fù)合片沿釬縫被剪切掉，可以看到釬縫中存在未焊透缺陷（2002-3、1002-2）；
　　(2) PCD復(fù)合片碎裂，刀頭沒有被剪下（2001-1、1001-1）；
　　(3) PCD復(fù)合片和部分硬質(zhì)合金同時(shí)被剪切掉，刀具基體斷裂（2002-2、1001-2）。

　　Fig.2 The breakage formats of cutting tools
　　剪切試驗(yàn)中，PCD刀頭沿釬縫界面直接被剪切掉的情況較少，而硬質(zhì)合金基體處發(fā)生斷裂或PCD片碎裂的情況較多，說明試驗(yàn)中所焊刀具釬縫抗剪強(qiáng)度大于硬質(zhì)合金基體抗剪強(qiáng)度，刀具的性能可以滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)刀具抗剪切力的需求。
　　
　　2.3 釬焊界面分析
　　觀察釬縫的掃描電鏡照片，可知1#釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤濕性良好，所形成釬縫中間層與母材形成緊密的晶間結(jié)合，界面及釬縫內(nèi)部難以看到缺陷。對(duì)2001靠近PCD層一側(cè)的釬縫界面進(jìn)行電子探針掃描（圖4），發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金YD201中的W和Co都向釬縫內(nèi)發(fā)生了不同程度的擴(kuò)散；釬料中的元素Ag、Cu、Zn、Ni在界面處聚集，由Cu、Zn元素與Ag形成α固溶體的條件判斷釬縫邊界形成Ag-Cu-Zn-Niα固溶體[7]。
　　2#釬料也能與母材形成較平滑的釬縫，但是釬縫內(nèi)部含有明顯的孔洞與夾渣（圖3），孔洞位于釬縫內(nèi)部靠近PCD復(fù)合片一側(cè)處?？锥春蛫A渣的存在減小了釬縫的有效連接面積，因此降低了刀具的抗剪切力，與所作剪切試驗(yàn)結(jié)果相符。焊接孔洞與夾渣形成的原因有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究。
　　結(jié) 論
　　(1) 其余釬焊條件相同時(shí)，YD201形成釬縫的抗剪切強(qiáng)度大于YD101形成釬縫的抗剪切強(qiáng)度；1#釬料形成釬縫的抗剪切強(qiáng)度大于2#釬料形成釬縫的抗剪切強(qiáng)度。
　　(2) 從刀具的破壞形態(tài)上看，試驗(yàn)中釬料和硬質(zhì)合金搭配所焊刀具的性能可以滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。
　　(3) 1#釬料形成的釬縫較致密，釬縫邊界處形成Ag-Cu-Zn-Niα固溶體；2#釬料也能形成較平滑的釬縫，但釬縫內(nèi)部含有孔洞和夾渣。