潘曉毅，謝德龍，林 峰，肖樂銀，陳 超

(廣西超硬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，桂林 541004)

激光焊接具有能量集中、能量輸出覆蓋范圍廣、焊接過程無需填充釬料、可焊材質(zhì)種類范圍大、異種材料焊接性能好、焊接深寬比高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等突出優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前，激光焊接技術(shù)已成熟應(yīng)用于金剛石工具如鋸片、鉆頭等的制造中，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[4]。激光焊接金剛石工具首先采用粉末冶金法將結(jié)合劑和金剛石混合燒結(jié)成一定形狀的節(jié)塊，然后通過激光焊接將節(jié)塊連接在鋼材基體上。相較于傳統(tǒng)工藝，激光焊接法所使用的節(jié)塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有極大的不同。以金剛石地質(zhì)鉆頭為例，傳統(tǒng)中頻金剛石地質(zhì)鉆頭的鉆齒基本由工作層、結(jié)合層兩層結(jié)構(gòu)組成；而激光焊接金剛石地質(zhì)鉆頭因其工藝特點(diǎn)，鉆齒結(jié)構(gòu)由工作層、過渡層、焊接層組成[5]。

過渡層是激光焊接金剛石節(jié)塊的重要組成部分，有連接工作層與焊接層的作用，過渡層配方設(shè)計(jì)的優(yōu)劣左右著金剛石工具整體的安全使用性能。目前對于過渡層配方的研究較少，不利于激光焊接技術(shù)在金剛石工具上的應(yīng)用推廣與進(jìn)一步革新。

1 實(shí)驗(yàn)

在激光焊接金剛石工具中，焊接層成分基本由Fe、Co與少量Cu組成，而工作層除了金剛石外還含有WC、W、Cu、Co、Sn、Ni、Mn等成分。過渡層連接著工作層與焊接層，除要求自身具有優(yōu)良的成型性能外還需要能分別與工作層、焊接層有效結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)將從過渡層配方自身燒結(jié)致密性能、過渡層-焊接層結(jié)合部位抗彎強(qiáng)度、過渡層-工作層結(jié)合部位抗彎強(qiáng)度三個(gè)方面展開研究。

1.1 配方設(shè)計(jì)

選擇某鉆頭配方A：30wt%WC+30wt%Fe+10wt%Co+30wt%(663Cu+Ni+CuSn15 +NiCrP)作為工作層配方；選擇Eurotungstene公司的NEXT300預(yù)合金粉作為焊接層粉料，其中NEXT300預(yù)合金粉主要成分為：72wt%Fe+25wt%Co+3wt%Cu；選擇中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司開發(fā)的某Fe、Co、Cu預(yù)合金粉B作為過渡層強(qiáng)韌化研究成分[6]。

過渡層配方設(shè)計(jì)思路：(1)設(shè)計(jì)G1、G2、G3三種過渡層配方，以50%質(zhì)量百分比NEXT300預(yù)合金粉比例替代配方A中的WC、Fe、Co成分，考察以預(yù)合金焊接層粉部分替代工作配方中主要高熔點(diǎn)成分的效果；(2)設(shè)計(jì)配方G4，以預(yù)合金粉B與NEXT300完全替代工作層配方A中的WC、Fe、Co成分，考察利用預(yù)合金焊接層粉完全替代工作配方中的主要高熔點(diǎn)成分的效果；(3)以預(yù)合金粉B、NEXT300及Cu粉的比例混合設(shè)計(jì)配方G5、G6，考察以高強(qiáng)韌型的預(yù)合金粉配以單質(zhì)Cu粉直接作為過渡層的效果。所設(shè)計(jì)的G系列配方如表1所示。

表1 過渡層配方Table 1 The powder formulas of transition layer

1.2 試樣制作

(1)如圖1示意填料方式，通過隔板填料制作過渡層-工作層(標(biāo)號(hào)GXG)及過渡層-焊接層(標(biāo)號(hào)GXH)的拼裝冷壓塊，其中工作層粉為含30%(砂輪制)金剛石濃度的A配方粉料、焊接粉為NEXT300純粉料，完成填料緊實(shí)后抽出隔板通過冷壓設(shè)備冷壓至一體，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)-氧化皮去除的工藝步驟制作橫向分層燒結(jié)試樣，試樣尺寸為：30mm×12mm×6mm。

(2)按表1各配比通過冷壓成型-熱壓燒結(jié)-氧化皮去除工藝順序分別制作30mm×12mm×6mm尺寸的燒結(jié)試樣(標(biāo)號(hào)GX)，以同樣的方法制作A配方、含30%(砂輪制)金剛石濃度的A配方(標(biāo)號(hào)A30)及NEXT300的燒結(jié)試樣。

其中冷壓工藝統(tǒng)一為：垂直30mm×12mm面壓制，冷壓壓力7～10MPa，泄壓拆模；熱壓燒結(jié)工藝統(tǒng)一為：燒結(jié)溫度830℃，升溫時(shí)間6min，燒結(jié)壓力25MPa，燒結(jié)真空度0.1Pa，保溫保壓時(shí)間5min，出爐溫度650℃，冷卻至室溫拆模。

圖1 拼裝冷壓示意圖Fig.1 The schematic diagram of assemble cold pressure

1.3 性能測試

通過CMT4304型液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試各燒結(jié)試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，跨距25mm，測試GXG、GXH試樣時(shí)壓頭加載位置為30mm×12mm面上中間部位的成分分隔位置。通過對比分析各強(qiáng)度數(shù)值對過渡層配方設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析。

通過排水法測得的密度與理論計(jì)算密度比值記作相對密度比，對比考察各試樣的燒結(jié)成型性能，計(jì)算公式如下：

(1)

其中δ為相對密度比，ρa(bǔ)為排水法測得的密度，ρt為理論計(jì)算密度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

單一配方試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示，A、NEXT300、B、G1～G6分別對應(yīng)各自配方試樣結(jié)果，A30為含30%(砂輪制)金剛石A配方的試樣結(jié)果。由表2可知：(1)各試樣的相對密度比δ值相近且均大于95%，說明各試樣整體燒結(jié)性能較好，且與燒結(jié)工藝匹配較好；(2)預(yù)合金粉B與NEXT300的δ值同其他試樣對比較高，說明所選用的兩種預(yù)合金粉燒結(jié)成型性能相對優(yōu)于其余配方粉料；(3)預(yù)合金粉B與NEXT300試樣的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其余試樣，這是因?yàn)閮烧邔貴e-Co-Cu預(yù)合金粉，具有成分均勻、粒度細(xì)且含有部分合金相等特性，燒結(jié)試樣抗彎性能優(yōu)異；(4)A30燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度較低，相對于A試樣降低了308.33MPa，這是因?yàn)榻饎偸粎⑴c燒結(jié)，燒結(jié)性能差，故試樣抗彎強(qiáng)度低；(5)過渡層配方按試樣抗彎強(qiáng)度由高至低排序?yàn)椋篏5>G6>G4>G3>G2>G1。

表2 單一配方試樣測試結(jié)果Table 2 The test results of each single powder formula sample

通過SEM對各試樣進(jìn)行斷口形貌分析，斷口SEM掃描結(jié)果如圖2所示，a-f圖分別對應(yīng)G1-G6試樣。結(jié)合配方成分進(jìn)行分析，由圖2可知：

圖2 純抗彎試樣斷口SEM圖Fig.2 The fracture SEM diagrams of pure bending test sample

(1)a、b圖斷口形貌接近，有大量層片狀組織分布在斷口上，多為沿晶斷裂，脆性斷裂特征明顯，這是因?yàn)镚1、G2配方中含大量熔點(diǎn)較高的WC、Fe、Co成分，830℃熱壓燒結(jié)下會(huì)有層片狀組織形成，該層片狀組織未能完全燒結(jié)融合，結(jié)合力較差故整體韌性較低，宏觀表征上為G1、G2抗彎強(qiáng)度較低僅分別為823.55MPa、1122.93MPa；(2)c、d圖斷口上層片狀組織較a、b圖數(shù)量下降，還出現(xiàn)了部分韌窩組織，這是因?yàn)橄鄬τ谂浞紾1、G2而言，G3、G4完全去除了高熔點(diǎn)的WC成分，且Fe、Co成分以Fe-Co-Cu預(yù)合金粉形式加入，在830℃熱壓燒結(jié)溫度下燒結(jié)性能有所提升，韌性也隨之提升，且G4中預(yù)合金占比相對G3更高，宏觀上表現(xiàn)為G3抗彎強(qiáng)度1252.33MPa、G4抗彎強(qiáng)度1360.25MPa、RG4>RG3；(3)e、f圖斷口上出現(xiàn)大量韌窩，并伴有部分穿晶斷裂，從成分上分析，這里的韌性斷裂特征增多是由預(yù)合金粉特性決定的，G6粉中添加Cu成分的設(shè)計(jì)并未像預(yù)想中的那樣提升整體燒結(jié)性能，反而是G5抗彎強(qiáng)度(1678.03MPa)更優(yōu)于G6(1386.32MPa)，由SEM圖分析可能是因?yàn)閱钨|(zhì)純Cu粉粒度高于預(yù)合金粉粒度，從而導(dǎo)致燒結(jié)組織粗大、降低了試樣抗彎強(qiáng)度[7-12]。

表3 GXH試樣測試結(jié)果Table 3 The test results of GXH samples

圖3 GXH試樣Fig.3 The GXH sample

過渡層-焊接層拼接燒結(jié)試樣測試結(jié)果如表3所示，G1H～G6H分別對應(yīng)G1～G6同NEXT300的拼接燒結(jié)試樣。結(jié)合表2、表3可知：(1)各試樣相對密度比δ接近且高于95%，說明分層試樣整體燒結(jié)性能較好，且與燒結(jié)工藝匹配較好；(2)抗彎強(qiáng)度上，RG5H>RG6H>RG4H>RG3H>RG2H>RG1H，同過渡層配方自身抗彎強(qiáng)度大小順序一致，說明GXH試樣的強(qiáng)度分布與過渡層配方有一定的對應(yīng)關(guān)系；(3)從測得的數(shù)值上來看，GXH試樣抗彎強(qiáng)度更接近于過渡層，斷裂部位偏向過渡層配方一側(cè)(如圖3)。

過渡層-工作層拼接燒結(jié)試樣測試結(jié)果如表4所示，G1G～G6G分別對應(yīng)G1～G6同含30%(砂輪制)金剛石A配方的拼接燒結(jié)試樣。結(jié)合表2、表4可知：(1)隨著含金剛石層的加入，相對密度比δ同不含金剛石試樣相比有所降低但降幅不高，說明整體燒結(jié)性能降低但影響不大；(2)抗彎強(qiáng)度上，RG5G>RG6G>RG4G>RG3G>RG2G>RG1G，GXG試樣強(qiáng)度結(jié)果排序與GXH、GX系列試樣一致，說明GXG試樣的強(qiáng)度分布與過渡層配方有一定的對應(yīng)關(guān)系；(3)從測得的數(shù)值上來看，GXG試樣強(qiáng)度更接近于工作層，斷裂部位偏向工作層配方一側(cè)(如圖4)。

表4 GXG試樣測試結(jié)果Table 4 The test results of GXG samples

圖4 GXG試樣Fig.4 The GXG sample

圖5 三點(diǎn)抗彎測試力學(xué)示意圖Fig.5 The mechanics schematic diagram of three points bending test

對分層試樣的三點(diǎn)抗彎測試過程進(jìn)行受力分析，簡易示意圖如圖5所示，F(xiàn)加載于中點(diǎn)，兩支點(diǎn)間跨距為l，通過力學(xué)計(jì)算可知，測試試樣在支點(diǎn)中間部分的中軸切應(yīng)力Fy=1/2F，而距離試樣中點(diǎn)x距離處的彎曲應(yīng)力σ有：

(2)

此處M為試樣x處的彎矩，W為試樣抗彎截面參數(shù)，b為試樣寬度，h為試樣厚度。

3 結(jié)論

文章通過設(shè)計(jì)分層試樣抗彎實(shí)驗(yàn)，對過渡層的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)探索分析，得出結(jié)論如下：

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明分層燒結(jié)試樣的抗彎強(qiáng)度數(shù)值上與低強(qiáng)度一側(cè)自身抗彎強(qiáng)度接近，且斷裂總是發(fā)生于低強(qiáng)度一側(cè)而非力加載的中間部位；

(2)通過力學(xué)計(jì)算證明分層試樣的交互部位抗彎強(qiáng)度高于低強(qiáng)度一側(cè)，過渡層可通過改善交互部位性能而影響分層試樣的整體抗彎強(qiáng)度，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對于含金剛石工作層的分層試樣提升范圍有限；

(3)過渡層的配方設(shè)計(jì)除了需要自身強(qiáng)度高于工作層配方外還需能有效改善交互部位性能；

(4)工作層強(qiáng)度與整體分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于整體強(qiáng)度起決定性作用，過渡層設(shè)計(jì)僅能起輔助改善的作用。