烧结金刚石工具钎焊气孔成因分析

烧结金刚石工具钎焊气孔成因分析
裴夤崟刘文明潘世师邹伟李涛
（郑州机械研究所新型钎焊材料国家重点实验室（筹），郑州 450052）
摘要：烧结金刚石工具大多用银基钎料进行钎焊连接，钎焊好后，钎缝中一般存在大量气孔，降低了有效连接面积，接头的力学性能也随之下降。

为探寻烧结金刚石工具钎焊产生气孔的因素，对胎体组成不同的金刚石刀头、不同表面状态的基体进行钎焊连接；采用不同加工方法制造的钎焊材料；采用不同的钎焊工艺对金刚石工具进行连接。

对比所钎焊金刚石工具的钎缝中气孔的数量，分析气孔成因及气孔去除方法。

关键词：金刚石工具，钎焊气孔，材料，工艺
0 前言
烧结金刚石工具是将各种粉末与金刚石混合后，用粉末冶金工艺将金刚石与胎体粉的混合物烧结为金刚石“刀头”，再将刀头钎焊到工具基体上制造而成的。

由于金刚石在空气中高温下易氧化烧损，其钎焊温度一般不高于850℃，钎焊过程须在数秒内完成。

目前最常见的连接方法为采用高频电源，使用银基钎料钎焊。

这种连接方法效率高，但是由于加热速度快，加热温度场不均匀，容易产生钎焊缺陷，其中钎缝中的气孔是钎焊接头中的常见缺陷，由于气孔的存在，降低了钎缝的实际连接面积，进而影响整个焊缝的力学性能，降低工具的使用寿命，在严重的时候，高速旋转的金刚石工具刀头脱落甚至会对工作人员造成伤害，并且气孔中容易残留强腐蚀性的钎剂，留下质量隐患。

减少金刚石工具钎焊接头的气孔率，能够增强钎焊接头的力学性能，降低对高强度钎焊材料的依赖，而一般高强度的银基钎料价格也较高，所以这种方法在提高钎焊质量的同时可降低焊接成本，本文主要探讨钎焊过程中金刚石工具中气孔的成因及去除方法。

1 试验方法与材料
焊接基体选用65Mn钢，刀头宽度为4.8mm；刀头所用胎体粉为铁基，其组成如表1
表1 试验用刀头胎体粉组成（wt%）
序号Cu Sn 663合金WC Al Fe
1# 15 5 5 5 0 余量
2# 15 5 5 5 3 余量
3# 15 5 5 5 5 余量
焊接材料选用片状BAg30CuZnCdNi钎料，厚度0.2mm，一种为普通钎料，一种为经过除气、除杂等精炼处理的钎料；钎剂选用QJ102。

实验采用SP-15高频电源进行钎焊，焊接时将片状钎料夹在刀头与基体之间进行加热连接。

钎焊时钎缝中气孔的测量方法为：在260℃条件下，将焊好的金刚石工具沿钎缝打开，冷却后对焊缝扫描成像，用图形处理软件分析焊缝中的气孔总面积，与钎缝总面积相比，求得气孔率。

2 试验过程及结果分析
2.1 钎料的影响
选用1#胎体粉烧结的刀头进行焊接，分别采用普通钎料和精炼后的焊料进行对比，钎焊后测得的气孔率如表2，可以看出，在相同的工艺条件下，采用精炼的钎料比普通钎料得到的钎缝的气孔率更低，这是因为普通钎料中一般含气体，杂质等对钎焊有害的成分，这些有害成分导致了气孔的增多。

目前国产钎料大多含有较多的气体及杂质，这一定程度上降低了金刚石工具的可靠性。

2.2 胎体粉的影响
选用精炼后的钎料，分别钎焊1#、2#、3#胎体粉烧结的刀头，钎焊钎焊测得气孔率如表3，可以看出，随着铝含量的上升，钎缝中的气孔数量也有所增加，这是因为该钎料对铝的润湿性很差，由于铝的存在，阻碍了钎料对刀头的润湿。

2.3 钎焊工艺的影响
本组试验均选1#胎体粉烧结的刀头，用精炼的钎焊材料进行试验，做了以下四方面的
试验：
2.3.1 刀头宽度的影响
分别选用3.2mm宽，4.8mm宽，10mm宽的刀头进行钎焊试验，钎焊后测得的气孔率如表4，可以看出，随着刀头宽度的增加，钎缝中气孔也随之增加，这是因为到头宽度增加以后，钎缝中气体外溢的距离增加，对宽度较大的金刚石工具进行钎焊，必须要采用各种综合措施以减少钎缝中的气孔。

2.3.2 表面处理的影响
金刚石工具的基体65Mn钢的表面，一个不进行处理，一个进行除油，抛光，丙酮清洗后分别钎焊，钎焊后测得的气孔率如表5，可以看出，洁净的表面钎焊后气孔更少，但是在生产中，大多数厂家对工件表面的处理并不认真，这也在一定程度上影响了金刚石工具的质量。

2.3.3 钎焊温度的影响
选用两种钎焊温度，一个温度为760℃，一个钎焊温度为810℃，钎焊后测得的气孔率如表6，可以看出，当温度在钎料的液相线附近时，钎料虽然熔化流铺了，但是钎料的流动能力很差，钎料比较粘稠，钎缝中的气体及钎剂不容易排除，导致钎缝中有大量的气孔生成，而提高50℃左右后，钎料的流动能力增强，更有利于钎缝中气体以及钎剂的排除；当温度进一步提高以后，钎料中所含的锌、镉出现气化，从而导致钎缝中的气孔增多。

2.3.4 钎焊动作的影响
在钎焊过程中，分别采用不排气，振动及搓动的方法对钎缝进行排气，钎焊后测得的气孔率如表7，可以看出，如果不添加排气动作，钎缝中的气体不易排除，在对刀头采用搓动或振动辅助排气以后，钎缝中气孔数量大为减少，但是在试验过程中发现，当搓动的次数比较多时，钎缝中气孔虽然很少，但是钎缝的强度并不高，钎焊过程中，在辅助排气时，并不一定要以气孔最少为合适，需要综合考虑钎缝的力学性能。

表2 不同钎料钎焊后的气孔率（%）
钎料气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率普通钎料21.5 23.8 30.2 25.2
精炼钎料8.5 6.3 5 6.6
表3 不同胎体粉钎焊后气孔率（%）
胎体粉气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率
1# 6.2 8.1 4.7 6.3
2# 9.5 8.7 8.9 9
3# 15.2 13.5 21 16.6
表4 不同宽度刀头钎焊后气孔率（%）
刀头宽度/mm 气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率
3.2
4.5 3.8
5.2 4.5
4.8 6.7 4.8 7.2 6.2
10 9.4 8.3 13 10.2
表5 不同表面处理方式钎焊后气孔率（%）
处理方法气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率
未处理25 6 12 14.3
表面清洁 5.6 8.2 4.9 6.2
表6 不同钎焊温度钎焊后气孔率（%）
钎焊温度/℃气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率
5 14.
6 19 50.5 28
830 7.8 4.1 6.5 6.1
20 15.518.82218.8
表7 不同排气方法钎焊后气孔率（%）
排气动作气孔率1 气孔率2 气孔率3 平均气孔率无12.5 18.2 6.1 12.3
振动 5.6 8.7 9.2 7.8
搓动 4.5 5.2 5.9 5.2
3.结论
从以上试验可以看出，金刚石工具中钎缝内生成气孔的影响因素主要有以下几点：1）钎焊材料未经过精炼除气、除杂处理；
2）胎体粉中含有与钎料润湿性不好的成分；
3）刀头宽度越宽，钎缝中气孔越多；
4）钎焊表面油污、锈渍越多，钎缝中气孔越多；
5）钎焊温度不合适，过低或过高都会导致气孔产生；
6）钎焊过程中施加排气动作有利于气孔的减少。

作者简介：裴夤崟，男，１９７５年生，郑州机械研究所新型钎焊材料国家重点实验室，研究方向：钎焊工艺应用及钎焊材料设计开发。

　
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