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y g 8 硬质合金钎焊工艺及其接头性能的试验研究 摘要 本文概述了硬质合金的性能特点及其在工业领域中的应用前景，分析了硬 质合金焊接过程中存在的主要问题，阐述了有可能应用于硬质合金焊接的各种 焊接方法、工艺要素及相关研究现状，其中包括钎焊、扩散焊、钨极惰性气体 保护焊、激光焊、电子束焊等，提出了有待进一步研究的相关问题。 本课题针对y g 8 型硬质合金与4 5 号钢的钎焊工艺与接头问题开展研究， 内容包括燃气( 氧丙烷) 火焰钎焊与炉中钎焊工艺试验，钎料、钎剂的选择及 焊后热处理工艺的影响等。利用盒相显微镜、显微硬度计、万能拉伸试验机、 扫描电子显微镜等测试手段，对自制钎焊试样的接头区和国外进口的同类实物 产品接头区的微观组织结构、维氏硬度、接头剪切强度、断口形貌特征及接头 区的物相成份等进行考察分析，探讨硬质合金钎焊接头中产生宏观缺陷和微观 缺陷的原因，同时希望揭示自制产品与国外进口产品质量差异的原因。 研究结果表明：在合适的工艺条件下，钎焊y g 8 型硬质合金与4 5 号钢基 体可以得到成形良好的焊接接头；钎焊接头区的显微结构中靠硬质合金一侧的 界面平整，靠基体金属一侧的界面线出现咬错结合；硬质合金中的元素除c 外 基本不向钎缝处扩散，钎料中的合金元素也只有少量或微量向两侧母材扩散， 焊后主要分布在钎缝中，而且分布比较均匀。热处理对钎焊接头的组织及钎缝 硬度影响较小，但可以有效地消除残余应力；接头的剪切强度普遍低于2 0 0 m p a ， 可能的原因是残余应力的作用和拉伸剪切时有其它外力存在，没能测出真实的 接头强度；接头剪切断裂多发生在硬质合金一侧，断口呈韧脆混合断裂形貌， 且有的试样断1 5 1 附近有裂纹存在，说明焊接时产生的应力较大；接头中的常见 缺陷有氧化物夹渣、t 1 相、裂纹等；国内产品使用性能较差的主要原因之一可 能是产品的钎缝结构设计不尽合理，在通常的钎焊生产中容易造成未钎透、夹 渣等缺陷，削弱了接头的实际承载能力。此外，国外产品所用的钎料可能是特 制的铜基钎料，强度较高。 关键词：硬质合金；钎焊；接头性能；焊接缺陷 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nb r a z i n gw e l d i n gp r o c e s sa n dt h e j o i n tp r o p e r t i e so fy g 8c e m e n t e dc a r b i d e a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fc e m e n t e dc a r b i d ew e r e s u m m e r i z e di nt h i sp a p e r ，a n dt h em a i np r o b l e m si nc e m e n t e dc a r b i d ew e l d i n gw e r e a n a l y z e d ，s o m ew e l d i n gm e t h o d st h a tm a yb e u s e d o nc e m e n t e dc a r b i d e ，i t s p r o c e d u r ef a c t o r sa sw e l la si t su p d a t e dr e s e a r c hr e s u l t sw e r er e v i e w e d ，i n c l u d i n g b r a z i n g ，d i f f u s i o nw e l d i n g ，g a st u n g s t e na r cw e l d i n g ，l a s e rw e l d i n g ，e l e c t r o nb e a m w e l d i n ga n ds oo n ，t h ef o r w a r d i n gp r o b l e m st ob er e s e a r c h e dw e r ep o i n t e do u ta s w e l l t h eb r a z i n g p r o c e s sa n d j o i n to fc e m e n t e dc a r b i d ea n d4 5 8s t e e lw e r e i n v e s t i g a t e d i n c l u d i n gt h ec o m p a r e o fg a sb r a z i n ga n df u r n a c eb r a z i n g ，t h ec h o i c eo f b r a z i n ga l l o ya n df l u xa n dt h ei n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n t t of i n do u tt h eq u a l i t y d i f f e r e n c eb e t w e e nd o m e s t i ca n di m p o r tp r o d u c t ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fj o i n t sw a s i n v e s t i g a t e d w i t h o p t i c a l m i c r o s c o p y ，v i c k e r s h a r d n e s s w a sm e a s u r e d b y v i c k e r s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e db ys t a n d a r dt e n s i l et e s t so ns m a l l 。s c a l e s p e c i m e n s ，f r a c t o g r a p h yc h a r a c t e r i s t i c s w e r eo b s e r v e da n da n a l i z e d ，c h e m i c a l c o m p o n e n t sw e r ea n a l i z e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) m e a n w h i l e ，t h e r e a s o n st h a tc a u s i n gm a c r o s c o p i c a la n dm i c r o c o s m i cd e f e c t s ，a n dt h ep r e v e n t i o n m e a s u r e si nt h eb r a z ew e l d i n gp r o c e s so f c e m e n t e dc a r b i d ew e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tg o o ds u r f a c ew e l d e dj o i n t sc a nb eg o tu n d e rp r o p e r m a t c h i n go fw e l d i n gp a r a m e t e r s t h ei n t e r f a c eb e t w e e nb r a z i n gs e a ma n dc e m e n t e d c a r b i d ei ss m o o t h e rt h a nt h eo t h e rs i d ei nt h em i c r o s t r u c t u r eo fj o i n t s e l e m e n t so f c e m e n t e dc a r b i d eb a r e l yd i f f u s ei n t ob r a z i n gs e a me x c e p tcd u r i n gt h eb r a z i n g p r o c e s s t h eb r a z i n ga l l o y sd i f f u s el i t t l ei n t ot h eb a s em e t a la n dm a i n l yd i s t r i b u t ei n t h es e a m h e a tt r e a t m e n th a sal i t t l ei n f l u e n c eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so f t h ej o i n t s ，b u tc a nr e l e a s et h er e s i d u a ls t r e s se f f e c t i v e l y t h es h e a r i n gs t e n g t ho ft h e j o i n t sa r el o w e rt h a n2 0 0m p a ，i tc o u l db et h ee f f e c to fr e s i d u a ls t r e s sa n da n yo t h e r f o r c ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t t e n s i l ef r a c t u r eo fj o i n t su s u a l l yo c c u r sn e a rt h e c e m e n t e dc a r b i d e t h em o r p h o l o g yo ff r a c t u r ei sd u c t i l ea n db r i t t l em o d e s o m e c r a c k so c c u ri nt h ef r a c t u r ew h i c hs h o w e dh i g hr e s i d u a ls t r e s si nt h ew e l d i n g t h e c o m m o nw e l d e dd e f e c t si nt h ej o i n t sa r eo x i d es l a g ，qp h a s e ，c r a c k s ，e t c t h em a i n c a u s eo ft h ep o o rp e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cp r o d u c tc o u l db et h eu n r e a s o n a b l e d e s i g no ft h eb r a z i n gs e a m ，w h i c he a s i l yr e s u l ti ns o m ew e l d e dd e f e c t ss u c ha s i n c o m p l e t ef u s i o na n do x i d es l a gd u r i n gt h em a n u f a c t u r ea n dr e d u c et h ep r a c t i c a l c a r r y i n gc a p a c i t yo ft h ej o i n t s m o r e o v e r ，t h eb r a z i n g a l l o yu s e di nt h ei m p o r t p r o d u c tc o u l db es o m ek i n do ft a i l o r m a d eh i g hs t r e n g t hc u b a s e db r a z i n gf i l l i e r m e t a l k e yw o r d s ：c e m e n t e dc a r b i d e ；b r a z ew e l d i n g ；j o i n tp r o p e r t i e s ；w e l dd e f e c t 插图清单 图1 1 硬质合金的生产工艺流程1 图1 2w c c o 合金线膨胀系数与钴含量的关系3 图1 3 感应钎焊示意图8 图l 一4 手工钨极氩弧焊方法示意图1 0 图2 1 气液固界面示意图1 4 图2 2g q y z l 1 2 0 0 型真空炉1 7 图3 1 部分试样接头区的显微硬度2 0 图3 2 拉伸剪切试验用试样2 1 图3 3 搭接接头切应力分布图2 2 图4 1 部分试样接头宏观照片2 5 图4 2 加热速度和裂纹率的关系2 7 图4 3 保温温度与裂纹率的关系2 8 图4 4 硬质合金钎焊时的焊接应力和裂纹2 9 图4 5l 6 号试样焊缝的金相微观组织图3 3 图4 613 16 号试样焊缝的显微组织图3 5 图4 7 试验用的硬质合金刨爪零件实物图。3 6 图4 8 国外进口产品的显微组织图3 6 图4 9 进口刨爪的实物结构图3 7 图4 1 01 7 号试样的s e m 图3 8 图4 1 11 8 号试样的s e m 图3 9 图4 1 21 9 号试样的s e m 图一4 0 图4 1 31 7 1 9 号试样的线扫描图谱4 2 图4 1 4 试样的能谱分析区域4 3 图4 1 5w c c o 三元系平衡状态图1 4 0 0 等温断面4 5 表格清单 表1 1 各种钎焊方法的优缺点及适用范围7 表2 1y g 8 硬质合会的化学成分及相关性能1 3 表2 2 4 5 “钢的化学成分( w t ) 1 3 表2 3 试验用钎料的化学成分及熔点( w t ) 1 5 表2 - 4 钎焊时应注意的问题1 6 表2 5 试样的工艺条件、状态和编号1 8 表3 1 进口产品的维氏硬度( h v ) 2 0 表3 2 硬质合金与钢钎焊接头拉伸试验结果：2 1 表4 1 几种常用铜基钎料的化学成分和特性2 6 表4 2 部分硬质合金焊接时允许的加热速度2 8 表4 3 焊缝中挚放附加材料对焊缝强度的影响3 0 表4 4 焊缝处的化学成分4 3 表4 51 1 1 、t 1 2 和k 相的成分和性质4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥目巴：些厶堂或其它教育机构的学位或证一| 5 而 使用过的材料。与我一同工作的同；占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：秒 签字吼加3 年妇咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴工些叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目曼工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：可批， 签字日期：徊8 年y 月，幻 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：矿矿年妫岫 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师徐道荣副教授的悉心指导与关怀下完成的。导师严谨的治学 态度、渊博的学识、敏锐的科学思维、大胆创新的科学精神以及无私奉献的高 尚情操、乐观大度的生活态度令学生终生难忘。三年来，徐老师不仅在学业上 给予我极大的指导和教诲，而且在生活上给我无微不至的关怀和帮助；不仅传 授科研治学的的思路和方法，更注重教导为人处世的道德和原则。值此论文完 成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢。 三年的硕士学习，让我不但在专业理论知识上有所收获，更在人际关系、 为人处世上学到了很多东西。这些收获来自于关心指导我的老师，来自于一直 关爱支持我学习的家人和亲友，来自于实验室的各位研究生同学，来自于所有 一同努力一同成长的朋友。 论文工作期间，我还要特别感谢焊接教研室的李萌盛副教授，感谢她在研 究工作中的热情指导和提出的宝贵建议。同时对焊接教研室的其他老师一并表 示真诚的感谢，此外，还要感谢材料学院金相实验室的各位老师在试验过程中 给予的大力的支持，正是有了他们的指导和帮助，我的试验才能顺利完成。 最后感谢在研究生学习期问给予支持和帮助的朋友，他们是胡学安、王传 标、林丽红、张焘、邵光辉、王洋、严红丹、袁传勇、巫邵波、张志明、梁槟 星、王东里、汪泽波、卫定、孙其强、汪瑞俊、何宝临 在毕业之际，对所有关心和陪伴我的老师与朋友的祝福是无法用简简单单 的几句话能表达的，此时无声胜有声，祝愿大家好人一生平安。 作者：罗庆 2 0 0 8 年5 月 第一章绪论 1 1 硬质合金及其发展应用 1 1 1 硬质合金概述 硬质合金是以元素周期表中i v a 、v a 、v i a 、族的9 种金属碳化物和f e 、 c o 、n i 等铁族金属，通过粉末冶金方法制备而成的合金总称，其制备工艺如 图1 1 所示。硬质合金中常见的碳化物主要是w c 、t i c 、t a c 、n b c 、v c 等， 碳化物相使合金具有高的硬度和耐磨性，而粘结相则赋予合金一定的强度和韧 性。 硬质合金是2 0 世纪初德国人施勒特尔( s c h r 6 t e r ) 发明的，他将w c 和c o 粉术混合后，压制成块体，然后再加热到粘结剂熔点以上温度【2 1 。这一工艺在 目前仍被广泛采用。随后，这一技术迅速传到了欧美和同本等国，试验研究与 应用研究迅速广泛展开。 、g 奢密 件( ( l ， w t + ( t 图1 1 硬质合金的生产：】：艺流程 w c c o 硬质合金的迅猛发展也促进了与其它化合物的结合。例如，以w c t i c 为基，添加少量t a c 、n b c 的多重复合碳化物硬质合金，使钢的高速切削 成为可能。二次世界大战期间，由于钨的短缺，在德国用t i c 作为主要组元的 无钨硬质合金率先开始发展。从此，t i c n i 硬质合金也得到了广泛的应用。根 据硬质合金的成分，可以将硬质合金分为五大类【2 l ： ( 1 ) 碳化钨基硬质合金，这类硬质合金品种最多、产量最大，用途也最为广泛。 ( 2 ) 碳化钛基硬质合金，其中包括t i c m o n i ，t i c w c t a c ( n b c ) m o n i 等系 列。这类硬质合金硬度高，主要用于钢材的精加工及超精加工。 ( 3 ) 涂层硬质合金，是在碳化钨基硬质合金表面上沉积一层碳化钛、氮化钛或 两者的复合物以及氧化物等。 ( 4 ) 钢基硬质合金，这类硬质合金的主要成分是钢，而以碳化钛或碳化钨作为 硬质相，其特点是可以进行热处理，在退火状态下，可以进行切削加工，便于 制取各种形状复杂的制品。目前在用于制造耐磨零件、耐腐蚀零件以及某些特 殊刀具方面获得了良好的效果。 ( 5 ) 其它硬质合金，包括碳化铬基硬质合金，碳氮化物硬质合会，碳化钛氧化 铝硬质合金等，它们各具特点，并j 下在发展之中。 1 1 2 硬质合金的性能特点及应用 硬质合金按其应用范围可分为：硬质合金切削刀具，硬质合金模具，硬质 合金量具与耐磨零件，以及矿山石油地质用硬质合会四大类【3 】。一般来说， w c c o 类硬质合金的应用比较广泛，可用于铸铁、有色金属及其合金的切削刀 具、金属拉伸模具、冲压模具、量具以及矿山机械和地质勘探用耐磨零件； w c t i c o 类合金主要用于钢材切削加工；w c t i c ( n b c ) c o 类合金主要用于 高硬度材质零件的切削加工。 尽管其它类型的硬质合金近年来得到了长足的发展，并在一些特殊应用场 合取得了很大的成功，但是由于w c c o 系( 即y g 类) 硬质合金具有十分优 异的综合机械性能，这类硬质合金是目前工业上用途最广、用量最大的一类硬 质合金。w c c o 类硬质合金具有以下性能特点1 2 , 4 】： ( 1 ) 具有很高的硬度和耐磨性，硬度一般在h r a 8 6 9 3 之间，并随着硬质合 金中含钴量的增加而降低。尤其可贵的是红硬性比较好，只有当使用温度高于 5 0 0 时，其硬度才开始降低，并且在10 0 0 1 10 0 v 的高温下，硬度仍可高达 7 3 7 6 h r a ，相当于h b 4 3 0 4 7 7 。而淬火钢在2 0 0 c 时，硬度即迅速下降，当温 度达到1 0 0 0 1 1 0 06 c 时，硬度降至h b 3 0 4 0 。 ( 2 ) 常温时的抗弯强度在9 0 1 5 0 m p a 之间，并且含钴量越高抗弯强度越高。 抗弯强度与碳化钨晶粒的大小也有关系，粗晶粒合金的抗弯强度较细晶粒为高。 含钴量一定时，碳化钛含量增加，会引起抗弯强度的急剧下降。因此，含钻量 相同时，钨钴合金的抗弯强度高于钨钛钴合金。 ( 3 ) 具有较稳定的化学性能，某些牌号的硬质合金能耐酸、耐碱，甚至在高温 下也不发生明显氧化。 ( 4 ) 钨钴合金的导热率为0 5 8 - 0 8 8 j ( c m s c ) ，比高速钢约高1 倍，并随着硬 质合金中含钴量的增加而增加。 ( 5 ) 热膨胀系数比较小，低于高速钢、碳素钢和铜，并随着硬质合金中含钴量 的增加而增加( 其变化规律见图1 - 2 ) 。较低的热膨胀系数使得其在与上述材料进 2 行焊接时，可能会出现较大的残余应力。 ， 甾 - _ i o - - 。_ ， 赫 嗡 邕 塑 磐 钻含量i 重量) 图卜2w c c o 合金线膨胀系数与钴含量的关系【5 】 ( 6 ) 硬质合金的抗压强度约为3 4 0 5 6 0 k g m m ，热等静压的硬质合金制品抗压 强度达6 0 0 k g m m ，而淬火合金工具钢仅有2 5 0 2 6 0 k g m m 。硬质合金的抗压强 度和与合金中的含钴量和碳化钨晶粒度用关。含钴量达到5 时，其抗压强度 值最大，继续增加含钴量，则抗压强度下降。细晶粒钨钴合金的抗压强度较粗 晶粒的高，同时钨钴合金的抗压强度高于钨钛钴合金。 ( 7 ) 硬质合金的耐磨性比最好的高速钢要高15 2 0 倍。硬质合金的耐磨性与 其化学成分和组织结构等有关。当其它条件相同时，硬质合金的碳化钨晶粒愈 细，其耐磨性就愈高。 w c c o 类硬质合金的上述特点，使得它在现代工具材料、耐磨材料、耐高 温和耐腐蚀材料等方面占据了重要地位。硬质合金不仅广泛应用于会属切削工 具，拉伸、冲压模具，地质矿山工具，还用于量具、夹具及各种耐磨零件。近 年来，甚至已应用到如手表壳、圆珠笔等日常用品之中。这类硬质合金曾经引 起金属切削加工工业的技术革命，从而被看做是工具材料发展到第三阶段的标 = b j l ! 一o 1 1 3 硬质合金的发展 ( 1 ) 超细晶粒硬质合金的产业化发展 7 0 年代初出现了超细晶粒( 含纳米晶粒) 硬质合金。8 0 年代i 同本住友电气 公司试制出性能双高的a f i 合金。接着，美国r u t g e r s 大学发展了制取纳米级 硬质合金粉末的新工艺，并取得了专利。9 0 年代中期我国的一些研究者投入这 一研究，目前自贡硬质合金有限责任公司、株洲硬质合金厂、厦门金鹭特种合 金有限公司等单位都掌握了b e t 粒度0 1 、0 2 “m 级别的w c 粉末制造技术。“八 五 和“九五”期间，自贡硬质合金有限责任公司、株洲硬质合金厂分别在高 性能超细晶粒硬质合金的制作技术方面取得了进展，所以工业化批量生产和产 品推广应用工作将提到议事日程【6 1 。近年来世界各国在发展超细的纳米碳氮化 物材料方面取得了可喜的成果，产品性能优异，具有非常广阔的应用前景【7 1 l 】。 ( 2 ) 梯度硬质合金材料 梯度硬质合金材料是一种由于组织连续变化引起性能缓变的功能复合材 料，又称为多结构或多相硬质合金，是8 0 年代后期利用已取得专利的新工艺开 发的一种新型硬质合金材料【12 1 。这种材料的开发成功地被认为“自5 0 年代初 以来硬质合金发展史上的一次最重要的创新【l3 】”，这种创新的工艺特点是可同 时提高硬质合金的耐磨性和韧性，从而可为解决硬质合金耐磨性和韧性之间的 矛盾提供一条有效的途径。它的实质是在制取缺碳即含r l 相的硬质合金的基础 上通过渗碳处理来改变合会中粘结相的分布，使其呈梯度。借以赋予不同部位 以不同的性能，达到提高其使用性能的目的。 对于梯度结构硬质合金，目前己开发出一些成熟的制备方法，诸如复合硬 质合金法( c o m p o u n dh a r dm e t a lt e c h n i q u e ) 1 4 , 1 5 】、粘结剂含量不同的粉末分层 压制法、金属熔体浸渍法等。与这些方法相比，缺碳硬质合金渗碳处理法具有 一些明显的优点，诸如制得的梯度结构硬质合金在耐磨性和韧性方面明显优于 标准硬质合金及用其它方法制得的梯度硬质合金，并且可根据使用的要求在合 金的不同部位赋予不同的耐磨性和韧性的组合，因此这种方法具有很大的工艺 上的灵活性和应用上的广泛性；同时其工艺简便，无需使用专用设备和特殊手 段，因而具有生产成本上的优势。 缺碳硬质合金渗碳处理法是低成本地制取具有梯度结构的硬质合金的一种 有效的方法。由于这种方法可根据使用的要求赋予合金不同部位以不同的性能 组合，因而特别适用于制取诸如凿岩工具、冲剪工具、拉伸模具以及耐磨零件 等要求硬质合金兼有高耐磨性和高韧性的应用场合【1 2 】。 ( 3 ) 硬质合金涂层技术和汽车工业专业硬质合金切削刀具 涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史的一个重要里程碑。虽然我国在8 0 年代后引进了国外的涂层设备与工艺，使刀片涂层技术有了新的发展，但近十 年来国外在这一方面的发展十分迅速。国内可转位刀片产量却连年下滑，国外 先进厂商利用高档次、高效率、高耐用度刀具大量涌入，不断侵蚀国内市场。 国内需要进行开发的内容有： a 研究p v c d 涂层工艺降低涂层温度； b 多层涂层； c 金刚石涂层； d b c n 涂层。 现今我国的硬质合金产业大体上算为一种发展中的传统产业。从“六五， 期间以来，自国外引进技术和设备，除此之外，大多数厂家的生产技术与工艺 装备水平还比较落后。大致从8 0 年代初起，我国硬质合金产量基本上是陕速 增长 的，但是硬质合金产品的技术含量偏低，质量好的可转位刀片、复杂挤 压产品、地质矿山工具等却仍要靠进口。议论多年的硬质合金深加工依然是行 4 业的薄弱环节1 6 j 。当今在我国，汽车工业作为国家的支柱产业正在得到迅猛发 展，汽车工业( 含摩托车、拖拉机、柴油机等) 使用的刀具约占总切削刀具市 场的3 0 4 0 ，而我国目前轿车生产线上使用的高效、高可靠性专用刀具绝大 部分靠进口。这方面的薄弱环节大致表现在以下两点1 5 j ： a 合金材质切削性能及可靠性与国外同类产品相差较大，在连续自动线上 反应尤为突出； b 具有双内孔螺旋硬质合金钻具尚不能仿制。 1 2 硬质合金的焊接 硬质合金的材质脆硬、韧性差而且价格高( 钨和钴都是稀缺材料) ，这些 因素使其难以被制成大尺寸、形状复杂的构件加以应用，因此从降低成本、提 高工作性能和使用寿命考虑，人们也在不断开发硬质合金的复合技术。目前普 遍采用的复合技术有：机械复合、梯度硬质合金复合【16 1 、熔焊和钎焊复合1 1 7 , 1 8 】、 扩散复合【19 1 、铸造复合【2 0 1 等技术，其中钎焊技术以工艺简单、连接强度高、结 果重复性好、接头尺寸及形状适应性广、相对成本较低、适合规模化生产等一 系列优点而成为首选技术。因此，欲更好更合理地应用硬质合金，必须了解它 的焊接性能特点，根据其用途的不同而选择合适的焊接工艺。 1 2 1 硬质合金的焊接特点 由于与硬质合盒相焊的基体材料一般是碳素钢，硬质合金与之相比具有较 小的热膨胀系数和较低的热导率，因此焊接时容易出现以下问题： ( 1 ) 焊接裂纹 硬质合金的热膨胀系数较小，一般为钢的1 2 1 3 ，硬质合金和钢材焊后由 于不能同步收缩，会在焊缝区形成很高的残余应力，且在硬质合金上多为拉应 力，由此导致硬质合金开裂。焊接应力是钎焊硬质合金时出现裂纹以及接头低 应力断裂的主要原因【2 。 ( 2 ) 焊缝脆化 主要是在焊缝区形成m 6 c 型复合碳化物”相，其中m 包含w 、f e 、c o 、 n i 等元素，主要原因是硬质合金与钢进行焊接时，硬质合金中的碳向钢侧扩散， 使硬质合金中含碳量降低而形成t 1 相【2 2 1 。焊缝脆化导致接头的抗弯强度低。 ( 3 ) 气孔、夹渣及氧化 这主要是出现在钎焊接头中。当加热温度过高时，造成钎缝氧化及焊料成 分的严重烧损；而加热温度偏低，则钎料流动性不好，形成虚焊，且焊缝内留有 大量气孔和夹渣，以至严重降低焊缝强度2 3 , 2 4 】。 1 2 2 硬质合金的焊接方法 由于硬质合金与碳素钢之间的物理性能相差较大，目前钎焊和扩散焊仍然 是可行而又实用的焊接方法。此外一些新的焊接方法如钨极惰性气体保护电弧 焊( t i n ) ，电子束焊( e b w ) ，激光焊( l b w ) 等也在积极的研究探索之中，将有可 能在硬质合金的焊接中得到应用。 ( 1 ) 钎焊 钎焊是人类最早使用的连接方法之一。早在几千年前，人类就开始使用钎 焊来连接金器首饰以及一些同常用品。但是在很长的历史时期中它的发展比较 缓慢，进入2 0 世纪后，其已经远远落后于熔焊技术【25 1 。 钎焊是一种传统且广泛应用的硬质合会焊接方法。在硬质合金与钢的钎焊 方法中，依据加热方式的不同有燃气火焰钎焊，炉中钎焊2 6 2 引、真空钎焊2 9 , 3 0 l 、 感应钎焊3 卜33 1 、电阻钎焊3 4 】和激光钎焊等技术。各种钎焊方法的优缺点及适 用范围见表卜1 。无论用哪一种方法，钎料的熔点均低于基体金属的液相线，并 借助于毛细吸引作用而流布在接头中【3 引。所连接的产品包括油井钻头、冷热冲 压模具、粉术冶金模具、轧辊、刃具和量具、凿岩钎具、木工刀具等。 所谓钎料，是指在钎焊过程中用于形成钎焊接头而添加的金属。钎焊的特 点是被钎焊件本身不熔化，靠焊料在加热熔化后扩散、渗透或与被焊件形成化 学反应的作用，而将被钎焊件牢固地连按在一起。因此，焊料性能是决定钎焊 质量的重要因素之一。 在空气中钎焊时，一般均使用钎剂，以去除母材和钎料表面的氧化膜，并 防止其表面继续氧化。在保护气氛和真空中钎焊，可以不用钎剂 2 5 】。 另外，钎焊与其它连接方法相比也有它自己的特点。钎焊与熔焊相比具有 下列优点( 研究钎焊的意义) 1 3 6 ： a 可以根据不同的钎料自由选择钎焊温度，适应性强。内于钎焊温度比母 材( 基体金属) 的熔点低，所以施工性能良好，并且母材材质的变化和结构的变 形都比较小。 b 有可能进行精密连接。 c 有可能进行异种材料的连接，大多数的异种金属、金属和陶瓷、金属和 石墨之间都可进行连接。此外，厚工件和薄工件以及接头形状相差很大的构件 也均适用。 d 能成批生产，工艺过程容易实现机械化和自动化。 燃气火焰钎焊设备简单，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。钎料多 采用丝状或片状的铜基、银基钎料，适用于单件和小批量生产，但气焊炬的选 用及钎焊后热处理等多种不确定因素较多，钎焊质量可靠性较小【5 1 ，对于大型 的硬质合金工具，由于火焰加热的温度和速度难以控制，加热时会产生较大的 温度梯度，容易引发裂纹的产生，因此一般不采用此方法。 6 表卜1 各种钎焊方法的优缺点及适用范同 钎焊方法 主要特点 用途 烙铁钎焊设备简单、灵活性好适用需使川焊剂 只能h 于软钎焊， 于微细钎焊 钎焊小件 火焰钎焊设备简单、灵活性好控制温度凼难，操作技术 钎焊小什 要求高 金属钎焊加热快，能精确控制温度钎料消耗大，焊后处理复用于软钎焊及其批 杂量生产 盐浴钎焊 加热快，能精确控制温度设备费用高，焊后需仔细片j 于批量生产，不 清洗能钎焊密闭上件 气相钎焊能精确控制温度，加热均成本高只用于软钎焊及其 匀，钎焊质量高批量生产 波峰钎焊生产率高钎料损耗人 只刖于软钎焊及其 批量生产 电阻钎焊加热快，生产率高，成本控制温度凼难，工什形钎焊小件 较低状、尺寸受限 感应钎焊加热快，钎焊质量好温度不能精确控制，工件批量钎焊小件 形状受限制 保护气体炉能精确控制温度，加热均设备费用较高，加热慢，大小件的批量生 中钎焊匀，变形小，一般不用钎钎焊的工件不宜含大量产，多钎缝下件的 剂，钎焊质量好易挥发元素钎焊 真空炉中能精确控制温度，加热均设备费削较高，钎料年1 1 ：e 钎焊 匀，变形小，能钎焊难焊什不宜含人量易挥发元重要j i = 件 的高温合金，不用钎剂， 素 钎焊质量好 感应钎焊( 见图卜3 的示意图) 、电阻钎焊和炉中钎焊的硬质合金刀具生产率 高，质量也较为稳定，但设备和工艺比较复杂另外对工件的尺寸和形状要求较 高，真空钎焊能达到很高的钎焊质量，但设备昂贵及工艺难度大【37 1 。感应钎焊 7 的工艺参数一般包括钎缝问隙、加热速度、冷却速度、感应圈形状尺寸、钎料 钎剂的加入方式等因素。这些因素必须有一个合适的组配范围，因素的波动会 对焊缝质量造成不良影响，尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力。电阻钎 焊的操作较为简单方便，效率比火焰钎焊高，工件表面的氧化较少，但是在加 热过程中易造成工件局部过热烧损。加热温度、保温时间及冷却速度是炉中钎 焊主要的工艺参数。加热温度高于9 0 0 时，硬质合金的硬度会有明显降低。保 温时间过长时也会引起硬质合金的硬度降低。焊后应缓慢冷却，以防止开裂。 真空钎焊的优点是可防止被焊金属、硬质合金及钎料与氧、氢、氮等气体介质 发生反应而产生不良影响，并且由于钎焊组装件在真空炉中升温、降温缓慢， 从而可大大降低温度梯度，有利于减少钎焊应力，获得高质量的钎焊质量，在 焊接大件及形状较复杂的硬质合金时采用真空钎焊技术尤为有利。由于金属及 其氧化物的蒸发是随着周围气压的降低及温度升高而加剧的1 3 7 】，因此真空钎焊 的炉内真空度、加热温度及保温时间是影响钎焊质量的主要因素，正确选择这 些参数对钎焊质量至关重要。 感应 硬质台金 焊缝 钎头铜体 图1 3 感应钎焊示意图i 3 1j 激光作为一种新型的焊接热源，具有加热速度快、热影响区窄、焊后变形 及残余应力小等特点，特别是在减弱接头熔合区脆化方面，具有独特的优点， 这使其有可能应用于硬质合金的焊接【3 8 40 1 。据相关文献报道，可采取激光的“深 熔焊”和“热导焊”模式进行硬质合金的钎焊，用纯c u 、a g - - c u 合金作为钎料。 相关的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、焦点位置、填充层厚度等。在激 光钎焊过程中，由于热过程极短，一般只存在硬质合金中的c o 向液态钎料的溶 解和短距离扩散，而钎料中的c u n 基本上未向硬质合金扩散，因而两者之间的 冶金结合不够充分，这会直接降低接头的剪切强度。由于n i 与硬质合金中的c o 物理化学性质相似，能够与硬质合金很好地亲和，同时又能够与c u 无限互溶， 因而为了改善钎料与硬质合金的冶金结合，提高接头质量，可采用预先在硬 质合金钎焊面上电镀n i 的方法加以改善。 因此在选择焊接方法时，应以合适为主，通常炉中钎焊能够满足正常的刀 具钎焊要求。 ( 2 ) 扩散焊 真空扩散焊和热等静压扩散焊可应用于硬质合金的焊接。在真空扩散焊接 中，影响接头质量的因素很多，如材料成分，被焊表面质量、真空度、中间夹 层材料以及加热和冷却速度等，但最主要的因素是温度、压力和时间【4 。焊接 压力的增加对缩短焊接时间、提高生产率尤为重要；焊缝的剪切强度一般会随 焊接时间的增加而提高，因为焊接时间延长可使被焊表面上的微凸点大多消失， 明显增加接触面积，原子的扩散较为充分，焊合率可得到明显提高。焊接时问 进一步延长对低压力扩散焊的接头强度仍是有益的m2 1 ，但过长的时间难以在生 产中实施应用。焊接压力和时间的合理搭配可以通过正交试验法来选定【4 l 4 2 1 。 由于c o 和n i 具有相同的晶体结构类型和相近的点阵常数，两者之间能够无 限互溶而形成连续固溶体，因此焊接过程中一般选取n i 为中间层。低温扩散焊 接头强度主要受到两个微观因素的影响，即n i w c c o 界面上的相互扩散程度和 是否形成脆性相。要使接头强度达到使用要求，一般必须使n i 在w c c o 中的扩 散达到一定深度。例如对于以n i 为中间层的p d c 复合片硬质合金刀杆扩散焊接 头来说，要使剪切强度达4 0 0 m p a 以上，至少要保证n i 在w c c o 中的扩散距离大 于1 0 9 m 。对于脆性相来说，只要不偏聚在相界、晶界等处，一般不会影响接头 强度。以纯n i 作为中间层可以大大减少t 1 相的形成【4 引。 真空扩散焊对焊件的尺寸和形状有限制，一般只适用于轴向对接式的简单 复合工件，应用范围有很大的局限性。随着对复杂形状大型硬质合金复合构件 应用要求的增多，例如轧辊、导辊等，由于被焊面大，焊件形状复杂，构件工 况条件苛刻，一般的钎焊和真空扩散焊难以满足要求，而采用热等静压扩散焊 工艺是解决此类问题的最佳途径 4 4 1 。 热等静压扩散焊的工艺参数主要是温度、压力、时间、中间层材料及其厚 度。焊接的主要问题是残余应力，因为硬质合金与钢扩散形成大面积连接后， 会因热膨胀系数的失配而产生很大的残余应力，特别是在硬质合金表面产生过 大的残余拉应力，它是导致接头低载荷断裂的主要因素。采用n i 作中间层可有 效地减少残余应力，提高接头强度【4 4 1 。 ( 3 ) 钨极惰性气体保护电弧焊 t i g 焊作为一种连接硬质合金与钢的新方法，目前还处于试验阶段。在焊 接硬质合金时，一般采取n i f e 合金、纯n i 、c o f e 合金和n i f e c 合金作为填充 金属。焊接过程中的主要问题是在焊缝界面处硬质合金一侧易形成有害的”相。 这些t 1 相主要是由于在焊接过程中c 向焊缝金属中扩散，而f e 向w c 中扩散形成。 大块t 1 相的存在是焊接接头的抗弯强度低下的原因，严重影响了焊接接头的韧 性。在焊接y g 3 0 与4 5 钢的试验中，当大块1 1 相存在时，接头的抗弯强度为 0 9 6 0 g p a l 当接头没有t 1 相时，弯曲强度可达1 3 4 l g p a l 45 1 。 填充金属中的f e 元素促进t 1 相的形成，f e 元素含量增加，易形成大块”相， 并在界面聚集分布；而n i 元素抑制t 1 相的形成，在热影响区形成弥散分布的细 9 小”相【46 1 。n n i f e 合金焊丝焊接所得焊缝硬度略高于纯n i 焊丝焊接所得焊缝硬 度1 2 2 1 。 靖嘴 俘据 置气 焊魑 1 一填充细棒 3 一导电嘴 5 一钨极 7 一氲气流 9 一金属熔池 2 一喷嘴 仁焊枪 仁焊枪于柄 8 一焊接电弧 图1 - 4手工钨极氩弧焊方法示意图 ( 4 ) 电子束焊 电子束作为焊接热源具有加热功率密度大、焊后变形小、焊缝深宽比大、 规范参数调节范围广等优点，并且由于焊接热过程极短，能在一定程度上控制 元素的扩散，抑制硬质合金与钢界面形成有害的t 1 相，使接头具有一定的抗弯 强度，所以它有可能作为一种焊接硬质合金的新方法。有研究表明，在焊接y g 3 0 与4 5 钢的试验中，采用预热、低电流、慢速度的焊接规范，可获得界面结合良 好的接头，但接头的显微组织中有”相生成，并且分布于焊缝靠y g 3 0 一侧的熔 合区，在界面处聚集长大，主要原因是焊接过程中硬质合金中的c 熔入焊缝以 及焊缝中的f e 向硬质合金中迁移造成的1 47 1 。 1 2 3 国内外硬质合金焊接技术进展 硬质合金的主要焊接技术有钎焊、扩散焊、激光焊等。刘秀荣等【48 】研究了 高频钎焊同时淬火处理对w c 2 0 c o 硬质合金刀片显微结构和性能的影响。结果 表明，在10 0 0 1 2 0 0 温度范围内处理将导致w c 2 0 c o 合金刀片中w c 相邻接 度下降、韧性改善和硬度提高等一系列淬火效果。断口形貌微观特征也表明了 合金韧性的提高。朱正芳1 4 9 j 研究了y n lo 硬质合金的钎焊性能。针对y n l0 硬质 合金刀片在刀具钎焊中容易产生裂纹的问题，对焊料、保温温度、保温时间及 加热速度等影响钎焊性能