煤田地质与勘探

作者：张素慧, 姚宁平, 刘庆修, 刘欢, 王德川,

关键词：无镉钎料, PDC切削齿, 力学性能, 微观形貌, 化学亲和力,

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322.989 MPa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。

来源：2024年第10期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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