无镉钎料对PDC切削齿力学性能和微观形貌的影响OA北大核心CSTPCD

【目的】PDC钻头不仅是地质保障装备的重要组成部分,更是推动煤炭行业技术进步和效率提升的关键工具。针对目前PDC钻头采用含镉银钎料进行钎焊,而镉是污染性毒性元素,提出采用无镉环保钎料钎焊PDC钻头的新思路。【方法】从钎料与母材的润湿机制出发,采用高银含Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料对PDC切削齿和钢进行火焰钎焊。分析了不同钎料的剪切强度和PDC切削齿的焊后性能。对熔化温度最高的钎料焊前和焊后PDC切削齿进行微观形貌、元素含量和拉曼光谱分析,探究钎焊温度是否会对PDC切削齿造成热损伤。在此基础上,分析了钎缝界面组织形貌、元素扩散情况、焊后断面特征和物相组成,阐述了无镉Ag-Cu-Zn系钎料钎缝形成机理。同时测量并计算了钎料与两侧界面的润湿角和化学亲和力参数,综合评价钎缝性能。【结果和结论】研究表明:(1)4种无镉Ag-Cu-Zn系钎料均能满足PDC切削齿钎焊强度要求,其中含Mn、Ni的Ag-Cu-Zn系钎料可获得322.989MPa的强度值。(2)含Sn的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是界面处元素的微扩散;而含Mn、Ni或只含Ni的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是在界面处形成扩散层,增加了界面处的键合力。(3)含3%Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料为延性断口;含5%Sn的Ag-Cu-Zn系钎料为脆-韧混合断口。(4)Mn能降低两侧界面处富Cu相与母材的张力,而Ni只能降低钢界面处富Cu相的张力。因此,含Mn、Ni的无镉Ag-Cu-Zn系钎料强度最高。研究结果为环保型无镉钎料在PDC钻头钎焊方面的工程应用提供了理论和试验支撑,有力推动了PDC钻头的钎焊技术向更加环保、新型的方向转型升级。