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PCD工具的研制现状与发展 |
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作者：大连理工大学 王适 张弘弢 |
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1 引言
聚晶金刚石复合片由PCD(PolyCrystalline Diamond)层和硬质合金基底组成。PCD层具有高硬度，硬质合金基底则具有良好的韧性，二者结合使PCD复合片在切削加工、木材加工和钻探等行业获得了广泛应用。PCD工具的制作方法有多种，大体依据加热方式、焊料的使用与否来划分。制作过程中，加热方式起着决定性的作用，焊料的选择对焊接质量会产生重大的影响，焊接接头的结构设计也是提高质量的重要手段。因此在PCD工具制造过程中，焊接成为其关键技术。
PCD复合片的焊接实质上是硬质合金基底与刀杆等支撑体的焊接。对硬质合金的焊接多用Mn基钎料，钎焊温度为1000℃左右。然而PCD层的耐热温度一般不超过700℃，否则会造成PCD层的热损伤，降低刀具焊接后的使用性能。因此必须寻找一种既能降低钎焊温度、又能同时保证足够焊接强度的焊接方法。目前PCD复合片的焊接方法有激光焊接、真空扩散焊、真空钎焊、高频感应钎焊、水冷钎焊、惰性气体保护钎焊等。虽然焊接强度足够，但有些方法所用设备的成本高、维护费用大，且其工艺过程复杂，不便于生产操作，大大增加了PCD复合片刀具的制作成本，不利于PCD刀具的推广应用。本文就各种PCD复合片焊接方法的优缺点进行了比较分析。
2 PCD的焊接方法
1) 激光焊接
激光焊(Laser Beam Welding)是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、适应性强等优点。激光焊接过程属于传导焊接，即激光辐照工件表面，产生的热量通过热传导向内部传递。通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件达到一定的熔池深度而表面又无明显的汽化，即可进行焊接。由于功率密度大(可达109W/cm2)，因此激光焊接过程中在金属材料上生成小孔，激光能量通过小孔往工件的深部传输，减少横向扩散，材料的融合深度大，焊接速度快，单位时间焊合的面积大。此外，激光焊接形成的焊缝深而窄，深宽比大(可达2～10)，焊合单位面积所需能量小，热影响区小，焊接变形小。一般不加填充金属，依赖焊件自身融合。激光焊接系统有高度的柔性，易于实现自动化。但用激光焊接时，要求被焊件有较高的装配精度，原始装配精度不能因焊接过程热变形而改变，且光斑应严格沿待焊缝扫描而不能有显著的偏移，否则将造成严重的焊接缺陷。此外，由于激光器及其焊接系统的一次投资较大，焊接成本高，对母材的要求较高，参数多，对操作技能的要求高等等，都制约了激光焊接的广泛应用。使用激光进行PCD复合片的焊接，获得的焊接接头强度可高达1800MPa，且对金刚石层不会产生热损伤，是一种理想的PCD焊接方法，目前多用于金刚石圆锯片的焊接。
2) 真空扩散焊
真空扩散焊(Vacuum Diffusion Bonding)是指在较高的温度和较大的压力下，使处于真空中清洁的零件表面相互靠近，在相当小的距离内原子相互扩散从而将两部分连接在一起的焊接方法。真空扩散焊一般是在被焊材料熔点温度(绝对温度)的60%～80%的温度下进行的，因此对于膨胀系数差异很大的材料(如PCD复合片的硬质合金基底与45#钢刀杆)，此种方法显得十分有效。在进行扩散焊时，零件在真空室中的加热是在不断往外抽气的情况下进行的，因而能除掉零件表面的吸附气体和氧化膜。此外，真空扩散焊能保持工件的几何尺寸和形状精度，获得具有真空密封的、热稳定的、抗震的接头。因此，真空扩散焊在PCD地质钻头的焊接中得到了广泛应用。它的应用可保证钻头的质量，提高焊接强度，增大钻头的进尺深度。美国桑迪亚实验室在焊接表面进行镀镍处理，镀层厚25～50µ，然后在650℃下经受214.62MPa的压力达4小时，进行真空扩散焊，其剪切强度为413.36～551.2MPa。
使用真空扩散焊进行PCD复合片焊接时，其焊接工艺过程复杂，焊接时间较长，成本高，需用专用设备，一次性投资很大。目前，真空扩散焊一般只用于焊接强度要求高、使用时振动较大的地质钻头的焊接，还未用于大批量制造通用刀具的生产中。
3) 真空钎焊
真空钎焊(Vacuum Brazing)是指在真空状态下进行零件的钎焊焊接。由于这种方法是在无氧化气体的气氛中进行的，所以能获得强度、韧性和均匀性都比较高的优良接头，是一种新兴的焊接方法。进行真空钎焊必须采用专用设备，焊接过程中，在控制真空度的同时还要控制焊接温度，因此工艺复杂，操作难度较大。目前，利用真空钎焊的方法进行PCD油田钻头的焊接，其钎缝的剪切强度可达451.9MPa。
4) 高频感应钎焊
高频感应加热技术是二十世纪初发展起来的一项加热技术。由于它具有加热速度快、材料内部发热和热效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广。目前，这种加热技术在机床制造、汽车、拖拉机制造、轴承制造、量具刃具制造及一般机械零件制造中都得到了广泛应用，并且其应用范围日益扩大，高频感应钎焊就是其中一个主要应用方向。
高频感应钎焊(Hi-frequency Induction Brazing)就是利用电磁感应原理使电磁能在钎料和零件中转化成热能，将钎料加热到熔融状态，从而将零件焊接在一起的焊接方法。采用这种方法，钎焊加热速度快，功率密度可达10～100kW/cm2，通常可在几秒钟内完成加热过程，并能保证零件的尺寸精度，其剪切强度可达300～400MPa。
与激光焊接、真空扩散焊、真空钎焊等焊接方法比较，高频感应钎焊的最大优势在于其设备投资少、焊接工艺易于掌握，其缺点在于高频感应加热的温度难于控制。目前，高频感应钎焊PCD复合片的应用比较广泛，但其工艺还有待于进一步提高。
3 焊接接头结构的设计
金刚石圆锯片特殊的接头结构设计增强了锯片的使用性能，减少了掉头率，其结构见图1。英国De Beers公司推出镶有PCD的麻花钻新产品，其新颖的接头结构设计，减少了PCD材料的浪费，节约了开支，可以实现钻头几何参数的变化(见图2)。 
图1 减少掉头率的圆锯片接头设计 图2 镶有PCD的麻花钻接头结构设计方案
4 焊接钎料、钎剂的研究
除了对焊接方法和工艺的研究外，研究人员还针对PCD复合片的特点，开发了专用的钎料和钎剂，用以改善钎料对焊接金属的润湿能力。如De Beers实验室开发的一种含钢53%、金14.5%、锰29.0%、镍3.5%的新焊料，改善了焊接质量；含氯化钴的钎剂能使银基或铜基钎料很好的润湿PCD复合片和硬质合金表面，并能防止它们脱钴，从而提高焊接强度，降低钻头的脱片率；特殊的焊前处理方法能在PCD或硬质合金表面烧渗一层Ni-Co-Pd合金层，填充其表面裂纹等缺陷，防止硬质合金脱钴，具有良好一致的润湿性，钎缝剪切强度可达320MPa。低银钎料的研究一直是一个重要方向，一种低银无镉钎料结合与之匹配的钎剂使金刚石工具的剪切强度可达179.5MPa；组成为氟化钾、氯化钠、氟硼酸钾、硼酸、蒸馏水等的银钎焊膏，在500～700℃内可配合各种银钎焊料使用，增加润湿能力。与此同时，旨在降低成本、替代银基钎料的低银、无银钎料的研究也很多，且效果很好。
5 结语
针对PCD耐热性差的特点，采用水冷钎焊、惰性气体保护钎焊等改进方法是为了减少加热过程对PCD层的热损伤，以相应地提高焊接温度，获得更高的焊接强度。
在改进现有技术的同时，新的制作方法也不断涌现。美国宇航局喷气推进实验室开发了一种焊接碳化钨和金刚石硬钎焊接点的微波加热工艺。这种接点能承受硬岩石钻探温度达900℃，并能用来制造钻地热井所用的金刚石涂层钻头。其原理是利用微波具有选择性加热的特点，不使金刚石过热又能够达到钎焊温度的要求。为了连接材料，把厚2～3mm的金刚石圆盘放在厚0.08～0.8mm钎焊层间的顶部(钎焊层位于碳化钨衬底上面)。将这个装置放在微波室的强电场中，加热到钎料熔化为止。钎料及其尺寸是根据焊件不同热膨胀系数使得接点强度达到最大而残余应力最小来确定的。
综上所述，合理的加热方式是具有革命性意义的，可以带来焊接质量的大幅度提高。接头结构设计和钎料、钎剂的合理选择以及水冷、保护气体等辅助措施，均可改进现有技术的不足。(end)
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(9/20/2005) |
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