高頻感應釬焊聚晶金剛石復合片對比試驗

引 言
　　聚晶金剛石復合片由PCD層和硬質合金基底組成。PCD層具有高硬度，硬質合金基底具有良好韌性，二者結合使聚晶金剛石復合片具有優異的切削性能，在金屬切削加工和鉆探等行業獲得了廣泛應用[1-2]。PCD刀具是將聚晶金剛石復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過刃磨制成。因此本試驗中PCD復合片與硬質合金的焊接實質是硬質合金之間的焊接。
　　眾所周知，硬質合金的釬焊通常采用Mn基釬料，釬焊溫度約為1000℃[3]，而聚晶金剛石復合片PCD層的耐熱溫度一般不超過750℃[4]，否則會引起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生脫焊。因此如何選擇合適的釬料、釬劑并選用相應的釬焊溫度是PCD釬焊中的重要環節。本文作者選用釬劑QJ102，在670°C下進行高頻感應釬焊試驗，分析了兩種不同釬料以及不同硬質合金刀具基底對PCD刀具釬焊性能的影響；利用掃描電鏡（SEM）和電子探針（EPMA）對釬焊界面進行了觀察和分析，為PCD刀具高頻感應釬焊中釬料、硬質合金基底的搭配選則提供了參考。
　　1 試驗條件與方法
　　1.1 試驗材料
　　英國Element Six公司產PCD復合片CTB010，WC基硬質合金YD101、YD201，片狀Ag-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 試驗設備
　　超聲波清洗器，自制剪切強度測定裝置，PCD高頻感應釬焊模糊控制及同步數據采集系統，HSM-672型紅外測溫儀，BDJP-902型聚晶金剛石鏡面拋光機，GP15-CW6型高頻感應加熱設備，JSM-6360LV型掃描電鏡，EPMA-1600型電子探針。

　　試驗中的PCD復合片CTB010經激光切割機切割成所需形狀后，用聚晶金剛石鏡面拋光機磨削硬質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行清洗后備用；同時將經銼削加工過的硬質合金和經砂紙打磨過的釬料片也放入超聲波清洗器中進行清洗后備用。按順序將糊狀釬劑、釬料片、PCD復合片放置在硬質合金基體上，然后進行高頻感應釬焊。釬焊中，根據CTB010的耐熱溫度[5]，釬料、釬劑的活性溫度，用PCD高頻感應釬焊模糊控制及同步數據采集系統控制釬焊溫度為670°C，保溫時間16s[6]。所得刀具在石膏粉中緩慢冷卻后用噴砂機噴砂，去除表面殘渣。
　　試驗中，用兩種不同的釬料和兩種不同的硬質合金分別搭配進行釬焊。每組刀具焊四把，三把用來進行抗剪切強度測量試驗，取平均值為刀具的抗剪切強度值；另外一把用專用金剛石磨床精磨后進行掃描電鏡觀察和電子探針能譜分析。
　　 用自制剪切強度測定裝置測得的所焊刀具抗剪切強度值?？梢钥闯觯瑢τ谕环N釬料，以硬質合金YD201為基底的刀具的抗剪切強度明顯高于以YD101為基底的刀具的抗剪切強度。這主要是因為YD201中結合劑Co的含量大于YD101，而硬質合金中Co含量越高，Ag-Cu釬料對其潤濕性越好，形成的釬焊接頭強度也就越高[5]。而對于同一種刀具基體，使用1#釬料時，刀具的抗剪切強度稍高，則是因為1#釬料對硬質合金的潤濕性優于2#，如圖1所示為不同溫度下，兩種釬料對硬質合金YD201的潤濕角的變化曲線。故1#釬料和硬質合金YD201為優選搭配。

　　2.2 破壞形式
　　如圖2所示，剪切試驗中刀具的破壞形式可以分為三種：
　　(1) PCD復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復合片碎裂，刀頭沒有被剪下（2001-1、1001-1）；
　　(3) PCD復合片和部分硬質合金同時被剪切掉，刀具基體斷裂（2002-2、1001-2）。

　　Fig.2 The breakage formats of cutting tools
　　剪切試驗中，PCD刀頭沿釬縫界面直接被剪切掉的情況較少，而硬質合金基體處發生斷裂或PCD片碎裂的情況較多，說明試驗中所焊刀具釬縫抗剪強度大于硬質合金基體抗剪強度，刀具的性能可以滿足實際生產中對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#釬料對硬質合金的潤濕性良好，所形成釬縫中間層與母材形成緊密的晶間結合，界面及釬縫內部難以看到缺陷。對2001靠近PCD層一側的釬縫界面進行電子探針掃描（圖4），發現硬質合金YD201中的W和Co都向釬縫內發生了不同程度的擴散；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，但是釬縫內部含有明顯的孔洞與夾渣（圖3），孔洞位于釬縫內部靠近PCD復合片一側處。孔洞和夾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，與所作剪切試驗結果相符。焊接孔洞與夾渣形成的原因有待于進一步試驗研究。
　　結 論
　　(1) 其余釬焊條件相同時，YD201形成釬縫的抗剪切強度大于YD101形成釬縫的抗剪切強度；1#釬料形成釬縫的抗剪切強度大于2#釬料形成釬縫的抗剪切強度。
　　(2) 從刀具的破壞形態上看，試驗中釬料和硬質合金搭配所焊刀具的性能可以滿足生產實際需要。
　　(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，但釬縫內部含有孔洞和夾渣。