硬質(zhì)合金與鋼的焊接可行性分析

1、 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院課程設(shè)計硬質(zhì)合金與鋼的焊接可行性分析報告【摘要】硬質(zhì)合金是一種以難熔金屬化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)為基體，以過渡族金屬(Co，F(xiàn)e，Ni)為粘結(jié)相，通過粉末冶金方法制備的金屬陶瓷工具材料，它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小以及化學性質(zhì)較為穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于切削工具、耐磨零件、采礦與筑路工程機械等領(lǐng)域。硬質(zhì)合金與鋼的焊接主要用于機械加工的刀具、刃具、模具、采掘工具和以耐磨作為主要性能的各種零部件，特點是可以節(jié)省大量的貴重金屬，降低生產(chǎn)成本，提高零部件的使用壽命。尤其是硬質(zhì)合金工具在各工業(yè)部門已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并收到了顯著

2、的效果。硬質(zhì)合金的材質(zhì)脆硬、韌性差而且價格高，這些因素使其難以被制成大尺寸、形狀復雜的構(gòu)件加以應(yīng)用，而硬質(zhì)合金與鋼體材質(zhì)的焊接是彌補其不足的主要方法，合適可靠的焊接技術(shù)正在不斷拓展它的應(yīng)用范圍。因此，欲更好更合理地應(yīng)用硬質(zhì)合金，必須了解它的性能特點，根據(jù)其用途的不同而選擇合適的焊接工藝。硬質(zhì)合金含有較高含量的碳化物和合金元素，雖然可以進行焊接加工，但焊接時容易出現(xiàn)淬硬組織和裂紋。必須采取有效的工藝措施，才能獲得滿意的焊接接頭。目前生產(chǎn)中硬質(zhì)合金與鋼焊接常用的焊接方法有氧乙炔火焰釬焊、真空釬焊、電弧焊、惰性氣體保護焊、摩擦焊、等離子弧焊、真空擴散焊和電子束焊等。本文主要介紹硬質(zhì)合金的釬焊?！娟P(guān)鍵

3、詞】硬質(zhì)合金；釬焊。1. 硬質(zhì)合金的分類、用途及性能硬質(zhì)合金是金屬碳化物粉末與鈷的混合物，常用的金屬碳化物是碳化鎢、碳化鈦、碳化鈮和碳化釩等，均可使硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐磨性。硬質(zhì)合金的黏結(jié)劑主要是金屬鈷或金屬鎳等，能保證硬質(zhì)合金具有一定的強度和韌性。硬質(zhì)合金是種高生產(chǎn)率的工具材料，是將高熔點、高硬度的金屬碳化物粉末與黏結(jié)劑混合，用粉末冶金法壓制成各種形狀的各種工件。1.1硬質(zhì)合金的分類及用途（1）常用硬質(zhì)合金的分類、成分及用途我國常用硬質(zhì)合金的分類、化學成分、使用性能及用途見表1。我國生產(chǎn)的硬質(zhì)合金分為YT和YG兩大類。YT類是由碳化鈦、碳化鎢和鈷等組成，主要成分為WC、TiC和Co，多用

4、于制作切削鋼材的刀具。YG類是碳化鎢和鈷的合金，主要成分是WC和Co，多用于制造切削鑄鐵件、淬火鋼、不銹鋼等的刀具，以及用于制造各種硬質(zhì)合金量具、模具、地質(zhì)采礦和石油鉆井用的采掘工具等。此外，還有YW類加入少量碳化鉭或碳化鈮等貴重金屬碳化物的鈦鎢鈷類硬質(zhì)合金，用做切削特殊耐熱合金材料的刀具。表1 常用硬質(zhì)合金的分類、化學成分使用性能及用途類別牌號化學成分/%使用性能及用途W(wǎng)CTiCTaC(NbC)Co鎢鈷類YG3X973耐磨性好，但韌性較差。適用于鑄鐵、有色金屬及其合金的精鏜、精車等。也可用于合金鋼、淬火鋼的精加工YG6X946細顆粒碳化鎢合金，耐磨性高于YG6，強度接近于YG6。適用于冷硬合

5、金鑄鐵與耐熱合金鋼或普通鑄鐵的精加工YG6946耐磨性介于YG8和YG3之間。適于鑄鐵、有色金屬及其合金的粗加工或半精加工，也用于有色金屬線材的拉伸，地質(zhì)勘探、煤炭采掘用鉆頭等YA69193136細顆粒碳化鎢合金由于加入少量稀有元素，耐磨性及強度高。適于鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工，亦適用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼的半精加工和精加工YG8928強度高，耐沖擊，適于鑄鐵、有色金屬及其合金或非金屬的粗加工、斷續(xù)切削和鉆深孔、擴孔等，還適用于拉絲模、采掘工業(yè)用鉆頭、噴嘴、頂尖、導向裝置等鎢鈷鈦類YT3066304紅硬性和耐磨性好，可高速切削，但不耐沖擊，焊接和刃磨時應(yīng)加倍小心。適于碳鋼和合金鋼的精

6、加工，如小斷面精車、精鏜、精擴及淬火鋼的精車YT1579156耐磨性優(yōu)于YT5和YT14，但強度和抗沖擊性較差。適于鋼材的半精加工和精加工，如精車和半精車、精銑和半精銑、擴孔等YT1478148強度高，抗沖擊性好，耐磨性略低于YT15。適于鋼材的粗加工和半精加工，如不平整斷面和連續(xù)切削時的粗車，間斷切削時的半精車，連續(xù)面的粗銑，鑄孔的擴鉆等YT585510在鎢鈷鈦合金中強度最高，但耐磨性較差。適用于碳鋼或合金鋼的粗加工及斷續(xù)切削，如粗車、粗刨、粗銑及鉆孔等通用類YW184646紅硬性較好，能承受一定的沖擊負荷，是一種通用性較好的合金。適用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工鋼材和鑄鐵的加工YW28

7、2648耐磨性低于YW1，但強度高且能耐較大的沖擊負荷。適用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼及高合金鋼等特殊難加工鋼材的粗加工和半精加工，也可用于鑄鐵的加工1.2 硬質(zhì)合金的性能常用硬質(zhì)合金的力學性能和物理性能見表2。表2 常用硬質(zhì)合金的力學性能和物理性能牌 號硬 度HRA抗彎強度/MPa沖擊韌性/J.cm-2彈性模量/.mm-2熱導率/J.cm-2.s-1.K-1線膨脹系數(shù)/×10-6.K-1YG3X9211004.1YG39112006.86.90.88YG6X9114000.20.794.4YG689.514500.266.36.40.794.5YA6921400YG88915000.

8、256.06.10.754.5YT3092.89000.034.14.00.217.0YT159111505.25.30.336.51YT1490.512000.070.336.21YT589.514005.96.00.636.06YW1921200YW2911350W18Cr4V10.412.62硬質(zhì)合金的焊接特點硬質(zhì)合金主要用于制造刀具、量具、模具、采掘工具以及整體刀具等雙金屬結(jié)構(gòu)。切削部分為硬質(zhì)合金，基體為碳素鋼或低合金鋼，通常為中碳鋼。這類工件在工作時受到相當大的應(yīng)力作用，特別是壓縮彎曲、沖擊或交變載荷，要求接頭強度高、質(zhì)量可靠。硬質(zhì)合金具有高硬度和耐磨性好的特點，但也存在脆性高、韌性

9、差等缺點。大部分硬質(zhì)合金工具是用焊接的辦法鑲嵌在中碳鋼或低合金鋼基體上使用，焊接工藝與硬質(zhì)合金的使用性能密切相關(guān)，焊接性能的好壞直接影響到硬質(zhì)合金的使用效果。2. 1 硬質(zhì)合金的焊接性由于與硬質(zhì)合金相焊的基體材料一般是碳素鋼，硬質(zhì)合金與之相比具有較小的熱膨脹系數(shù)和較低的熱導率，因此焊接時容易出現(xiàn)以下問題：（1）焊接裂紋 硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)較小，一般為鋼的1/21/3，硬質(zhì)合金和鋼材焊后由于不能同步收縮，會在焊縫區(qū)形成很高的殘余應(yīng)力，且在硬質(zhì)合金上多為拉應(yīng)力，由此導致硬質(zhì)合金開裂。焊接應(yīng)力是釬焊硬質(zhì)合金時出現(xiàn)裂紋以及接頭低應(yīng)力斷裂的主要原因。（2）焊縫脆化 主要是在焊縫區(qū)形成M6C 型復合碳化

10、物相，其中M包含W、Fe 、Co、Ni等元素，主要原因是硬質(zhì)合金與鋼進行焊接時，硬質(zhì)合金中的碳向鋼側(cè)擴散，使硬質(zhì)合金中含碳量降低而形成相。焊縫脆化導致接頭的抗彎強度低。（3）氣孔、夾渣及氧化 這主要是出現(xiàn)在釬焊接頭中。當加熱溫度過高時，造成釬縫氧化及焊料成分的嚴重燒損；而加熱溫度偏低，則釬料流動性不好，形成虛焊,且焊縫內(nèi)留有大量氣孔和夾渣，以至嚴重降低焊縫強度.2.2硬質(zhì)合金的焊接方法與工藝要素由于硬質(zhì)合金與碳素鋼之間的物理性能相差較大，目前釬焊和擴散焊仍然是可行而又實用焊接方法。此外一些新的焊接方法如鎢極惰性氣體保護電弧焊(TIG),電子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在積極的研究探索之

11、中，將有可能在硬質(zhì)合金的焊接中得到應(yīng)用。2.2.1 釬焊釬焊是一種傳統(tǒng)且廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)合金焊接方法，它的工藝成熟可靠，依據(jù)加熱方式的不同分以下一些工藝方法：（1)火焰釬焊火焰釬焊是用可燃氣體(乙炔、丙烷等)與氧氣或壓縮空氣混合燃燒的火焰作為熱源進行焊接的一種方法?；鹧驸F焊設(shè)備簡單、操作靈活方便，根據(jù)工件形狀可用多火焰同時加熱焊接。釬料多采用絲狀或片狀的銅基、銀基釬料，其中HL105錳黃銅釬料應(yīng)用最為廣泛;釬劑一般采用脫水硼砂?；鹧驸F焊主要適用于中小尺寸硬質(zhì)合金刀具、模具和量具的小批量生產(chǎn)，對于大型的硬質(zhì)合金工具，由于火焰加熱的溫度和速度難以控制，加熱時會產(chǎn)生較大的溫度梯度，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生，

12、因此一般不采用此方法。（2)電阻釬焊電阻釬焊一般可分為直接加熱法和間接加熱法。直接加熱法是將電極置于接頭兩側(cè)，使電流經(jīng)過釬縫面的接觸電阻而發(fā)熱，從而完成焊接過程;間接加熱法是將電極置于接頭一側(cè)的鋼質(zhì)母材上，電流通過釬縫一側(cè)的母材電阻發(fā)熱(或通過發(fā)熱元件發(fā)熱)來實現(xiàn)釬焊。采用間接加熱法可避免電極與硬質(zhì)合金接觸，防止硬質(zhì)合金的過熱和燒損，避免其硬度的降低和開裂?？膳溆勉~基或銀基釬料，常用的有H68、HL105釬料等，其中HL105釬料的抗剪強度較高，對于YT5刀具的焊接，抗剪強度可達28.5GPa，對于YG8可達到29.7GPa。釬劑一般采用脫水硼砂。加熱電壓是電阻釬焊的重要參數(shù)，要選擇合適的數(shù)值

13、以保證合理的發(fā)熱升溫速度;其次要保證電極與工件接觸處于良好狀態(tài)。加熱過程中要及時排渣，防止釬縫夾雜和氣孔形成而降低強度。使用硼砂釬劑時一定要先經(jīng)過脫水處理，否則由于結(jié)晶水的存在，在焊接過程中結(jié)晶水蒸發(fā)，在焊接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，既影響了正常排渣，又易在焊縫中產(chǎn)生氣孔。電阻釬焊的操作較為簡單方便，效率比火焰釬焊高，工件表面的氧化較少，但是在加熱過程中易造成工件局部過熱燒損。此外對于復雜形狀的工件、多刃刀具及尺寸很小的工件也不便操作。（3)感應(yīng)釬焊感應(yīng)加熱釬焊的優(yōu)點是加熱迅速，釬料液化過程短，并可以在各種氣氛(空氣、保護氣體、真空)下進行，能減輕硬質(zhì)合金過熱和氧化，有利于提高焊接質(zhì)量;該方法的缺點

14、是設(shè)備較復雜、一次性投資較大，其次是感應(yīng)電流的趨表效應(yīng)，當釬焊大厚工件時，加熱溫度不均勻，難于保證釬焊質(zhì)量，且效率也低，故一般只適用于釬焊結(jié)構(gòu)型式簡單(最好是軸類細長型)的小尺寸焊件。感應(yīng)釬焊的工藝參數(shù)一般包括釬縫間隙、加熱速度、冷卻速度、感應(yīng)圈形狀尺寸、釬料釬劑的加入方式等因素。這些因素必須有一個合適的組配范圍，因素的波動會對焊縫質(zhì)量造成不良影響，尤其是在硬質(zhì)合金中產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。釬縫間隙值是確保釬焊質(zhì)量的重要參數(shù)。通常認為釬縫越小,焊接應(yīng)力越大,反之亦然。釬縫間隙過小時,會發(fā)生“擠死”和“釬不透”,使接頭強度下降和焊接應(yīng)力增加;而間隙過大,毛細作用減弱,也會導致“釬不透”,使接頭強度下

15、降。因而大小適中的釬縫間隙對減小焊接應(yīng)力和增強焊縫牢度有很大的作用。加熱和冷卻速度對釬頭焊接質(zhì)量有很大影響。加熱速度太快,合金中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力;加熱太慢,則高溫停留時間長,這雖然能使液態(tài)釬料的潤濕和擴散更完善,但會造成合金的氧化燒損。通常加熱以不超過100/s為宜。冷卻速度太快,合金中會產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力;冷卻速度太慢,雖然能減小焊接應(yīng)力,但對鋼體材質(zhì)的淬火不利，故一般以60/s為宜。感應(yīng)圈是感應(yīng)加熱設(shè)備的重要元件,交流電源的能量是通過它傳遞給焊件而實現(xiàn)加熱的,因此,感應(yīng)圈的結(jié)構(gòu)是否合理對于釬焊質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。正確設(shè)計和選用感應(yīng)圈的原則是:感應(yīng)圈應(yīng)有與焊件相適應(yīng)的外形, 盡量減少感應(yīng)

16、圈本身和焊件之間的無用間隙,間隙最好不大于23mm，以便提高加熱效率。為了使焊件加熱平穩(wěn)、均勻，防止焊件尖角處發(fā)生局部過熱,應(yīng)當合理選擇感應(yīng)圈的匝數(shù)和感應(yīng)電流的交變頻率等參數(shù)。（4)爐中釬焊將裝配好的工件放在電阻絲發(fā)熱的加熱爐中進行加熱釬焊的方法稱之為爐中釬焊,其特點是工件整體加熱，加熱均勻、工件變形小。不足之處是加熱速度慢、效率低。但對于批量生產(chǎn)，一爐可以同時釬焊多個接頭及焊件，以此可以彌補加效率低的不足。爐中釬焊的加熱氣氛有以下幾種：(a)空氣爐由于焊件在空氣中加熱時工件容易氧化，且升溫速度較慢，不利于釬劑去除氧化膜，故應(yīng)用受到一定的限制，目前已逐漸被保護氣氛爐中釬焊和真空爐中釬焊所代替。

17、(b)保護氣氛爐根據(jù)保護氣氛的不同，可以分為還原氣體和惰性氣體爐中釬焊。還原性氣體一般用H2或CO，不僅能避免工件在加熱過程的氧化，還能還原工件表面的氧化膜，有助于釬料的潤濕;惰性氣體一般用Ar、N2和He等，對氣體純度的要求較高，一般要在99.99%以上，在氣體入爐前還要經(jīng)過脫水(硅膠、濃硫酸)脫氧(海綿鈦)裝置。工件通常應(yīng)放在容器內(nèi)，在流動的氣體中進行加熱釬焊。用惰性氣體比用還原性氣體的安全性要高。加熱溫度、保溫時間及冷卻速度是主要的工藝參數(shù)。加熱溫度高于900時，硬質(zhì)合金的硬度會有明顯降低。保溫時間過長時也會引起硬質(zhì)合金的硬度降低。焊后應(yīng)緩慢冷卻，以防止開裂。(c)真空爐真空釬焊是基于在

18、真空中加熱時金屬及其氧化物產(chǎn)生蒸發(fā)，破壞其表面氧化膜，從而達到去膜效果的。在真空條件下，有一些金屬可在低于熔點的溫度下便發(fā)生顯著蒸發(fā)，也有一些金屬氧化物會發(fā)生揮發(fā)。金屬，特別是金屬氧化物的蒸發(fā)能有效地破壞表面氧化膜，使真空條件下的無釬劑釬焊成為可能。對于以TiC為硬質(zhì)相的YW類硬質(zhì)合金來說，采用Ag-Cu-Zn系合金作為釬料，在真空爐中釬焊是一種比較好的方法，因為焊接過程中Zn的揮發(fā)能使Cu的擴散能力增強，從而使焊縫強度升高。真空釬焊的優(yōu)點是可防止被焊金屬、硬質(zhì)合金及釬料與氧、氫、氮等氣體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生不良影響，并且由于釬焊組裝件在真空爐中升溫、降溫緩慢，從而可大大降低溫度梯度，有利于減少

19、釬焊應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的釬焊質(zhì)量，在焊接大件及形狀較復雜的硬質(zhì)合金時采用真空釬焊技術(shù)尤為有利。由于金屬及其氧化物的蒸發(fā)是隨著周圍氣壓的降低及溫度升高而加劇的，因此真空釬焊的爐內(nèi)真空度、加熱溫度及保溫時間是影響釬焊質(zhì)量的主要因素，正確選擇這些參數(shù)對釬焊質(zhì)量至關(guān)重要。加熱溫度的選擇應(yīng)參照所用釬料的實際熔點，在空氣中加熱一般比熔點高1030。而在真空釬焊時，由于傳熱的滯后效應(yīng)，也為了提高釬料的流動性，加熱溫度應(yīng)比空氣中略高一些;對于同樣尺寸的焊件，真空釬焊時的保溫時間應(yīng)比空氣爐中的適當延長。如果時間太短，則釬料與被焊母材之間來不及形成足夠的冶金結(jié)合，還可能由于加熱不均勻而造成“虛焊”。相反，如果保溫時

20、間過長，則有可能導致釬料嚴重燒損蒸發(fā)，從而導致焊縫強度降低。真空度的選擇與被焊件材質(zhì)及所用釬料的成分、性質(zhì)有關(guān)，同時也與釬焊溫度有關(guān)，一般應(yīng)在10-3Mpa以上，以便獲得良好的去膜效果。釬料中的Zn、Ag在真空狀態(tài)下顯著蒸發(fā)的溫度較低，為避免釬料中的這類元素蒸發(fā)，在接近焊料熔化溫度時，可停止抽真空。此外，對于一定材質(zhì)的焊件及所用釬料，可由確定的加熱溫度來反推所需的爐內(nèi)真空度。(5)激光釬焊激光作為一種新型的焊接熱源，具有加熱速度快、熱影響區(qū)窄、焊后變形及殘余應(yīng)力小等特點，特別是在減弱接頭熔合區(qū)脆化方面，具有獨特的優(yōu)點。這使其有可能應(yīng)用于硬質(zhì)合金的焊接。據(jù)相關(guān)文獻報道，可采取激光的“深熔焊”和“

21、熱導焊”模式進行硬質(zhì)合金的釬焊，用純Cu、Ag-Cu合金作為釬料。相關(guān)的工藝參數(shù)主要有激光功率、焊接速度、焦點位置、填充層厚度等。由于硬質(zhì)合金與釬料之間的熔點相差很大,在焊接中要嚴格控制工藝參數(shù), 既使釬料在瞬時內(nèi)充分熔化, 以浸潤硬質(zhì)合金, 又能將硬質(zhì)合金基體加熱到較高的溫度而不致熔化,使其能夠更好地被液態(tài)釬料所潤濕, 形成理想的釬焊接頭。在激光“深熔焊”過程中, 激光功率密度很高,在激光直接作用的區(qū)域, 硬質(zhì)合金瞬間可達很高溫度,并與釬料中的Cu發(fā)生劇烈的“親合”作用，還容易發(fā)生釬料的蒸發(fā)和過度燒損，使表面出現(xiàn)嚴重的凹陷現(xiàn)象，因此必須通過適當調(diào)整工藝參數(shù)來減少釬料的燒損。另外由于硬質(zhì)合金中

22、Co的含量一般都很低,在激光“深熔焊”的高溫作用下極易逸失, 而使WC以疏松的狀態(tài)存在, 此時的硬質(zhì)合金將不能保持原有的致密燒結(jié)組織和性能,導致接頭不可避免地出現(xiàn)一些裂紋、氣孔等缺陷。在“熱導焊”過程中，激光束直接作用在釬料上，需采用表面涂料來提高釬料對激光的吸收率。另外，為了使釬料在瞬間盡量多地吸收激光能而熔化，應(yīng)采用小直徑光斑。焊接時，激光束的大部分能量被釬料吸收，吸收的能量在極短的時間內(nèi)迅速向下傳導，使其完全熔化，從而浸潤硬質(zhì)合金。這種方式較易獲得沒有凹陷的完整釬焊接頭。在激光釬焊過程中,由于熱過程極短，一般只存在硬質(zhì)合金中的Co向液態(tài)釬料的溶解和短距離擴散，而釬料中的Cu則基本上未向硬

23、質(zhì)合金擴散，因而兩者之間的冶金結(jié)合不夠充分,這會直接降低接頭的剪切強度。由于Ni與硬質(zhì)合金中的Co物理化學性質(zhì)相似,能夠與硬質(zhì)合金很好地親和, 同時又能夠與Cu無限互溶, 因而為了改善釬料與硬質(zhì)合金的冶金結(jié)合, 提高接頭質(zhì)量,可采用預先在硬質(zhì)合金釬焊面上電鍍Ni的方法加以改善。2.2.2 擴散焊真空擴散焊和熱等靜壓擴散焊可應(yīng)用于硬質(zhì)合金的焊接。在真空擴散焊接中，影響接頭質(zhì)量的因素很多，如材料成分，被焊表面質(zhì)量、真空度、中間夾層材料以及加熱和冷卻速度等，但最主要的因素是溫度、壓力和時間。焊接壓力的增加對縮短焊接時間、提高生產(chǎn)率尤為重要;焊縫的剪切強度一般會隨焊接時間的增加而提高，因為焊接時間延長

24、可使被焊表面上的顯微凸點大多消失，明顯增加接觸面積，原子的擴散較為充分，焊合率可得到明顯提高。焊接時間的進一步延長對低壓力擴散焊的接頭強度仍是有益的，但過長的時間難以在生產(chǎn)中實施應(yīng)用。焊接壓力和時間的合理搭配可以通過正交試驗法來選定。由于Co和Ni具有相同的晶體結(jié)構(gòu)類型和相近的點陣常數(shù)，兩者之間能夠無限互溶而形成連續(xù)固溶體，因此焊接過程中一般選取Ni為中間層。低溫擴散焊接頭強度主要受到兩個微觀因素的影響，即Ni/WC-Co界面上的相互擴散程度和是否形成脆性相。要使接頭強度達到使用要求，一般必須使Ni在WC-Co中的擴散達到一定深度。例如對于以Ni為中間層的PDC復合片硬質(zhì)合金刀桿擴散焊接頭來說

25、，要使剪切強度達400MPa以上，至少要保證Ni在WC-Co中的擴散距離大于10m。對于脆性相來說，只要不偏聚在相界、晶界等處，一般不會影響接頭強度。以純Ni作為中間層可以大大減少相的形成。真空擴散焊對焊件的尺寸和形狀有限制，一般只適用于軸向?qū)邮降暮唵螐秃瞎ぜ?，?yīng)用范圍有很大的局限性。隨著對復雜形狀大型硬質(zhì)合金復合構(gòu)件應(yīng)用要求的增多，例如軋輥、導輥等，由于被焊面大，焊件形狀復雜，構(gòu)件工況條件苛刻，一般的釬焊和真空擴散焊難以滿足要求，而采用熱等靜壓擴散焊工藝是解決此類問題的最佳途徑。熱等靜壓擴散焊的工藝參數(shù)主要是溫度、壓力、時間、中間層材料及其厚度。焊接的主要問題是殘余應(yīng)力，因為硬質(zhì)合金與鋼擴

26、散形成大面積連接后，會因熱膨脹系數(shù)的失配而產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，特別是在硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生過大的殘余拉應(yīng)力，它是導致接頭低載荷斷裂的主要因素。采用Ni作中間層可有效地減少殘余應(yīng)力，提高接頭強度。2.2.3 鎢極惰性氣體保護電弧焊TIG焊作為一種連接硬質(zhì)合金與鋼的新方法，目前還處于試驗階段。在焊接硬質(zhì)合金時，一般采取Ni-Fe合金、純Ni、Co-Fe合金和Ni-Fe-C合金作為填充金屬。焊接過程中的主要問題是在焊縫界面處硬質(zhì)合金一側(cè)易形成有害的相。這些相主要是由于在焊接過程中C向焊縫金屬中擴散，而Fe向WC中擴散形成。大塊相的存在是焊接接頭的抗彎強度低下的原因，嚴重影響了焊接接頭的韌性。在焊接YG3

27、0與45鋼的試驗中，當大塊相存在時，接頭的抗彎強度為0.960GPa;當接頭沒有相時，彎曲強度可達1.341GPa。填充金屬中的Fe元素促進相的形成，F(xiàn)e元素含量增加，易形成大塊相，并在界面聚集分布;而Ni元素抑制相的形成，在熱影響區(qū)形成彌散分布的細小相。用Ni-Fe合金焊絲焊接所得焊縫硬度略高于純Ni焊絲焊接所得焊縫硬度。2.2.4 電子束焊電子束作為焊接熱源具有加熱功率密度大、焊后變形小、焊縫深寬比大、規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，并且由于焊接熱過程極短，能在一定程度上控制元素的擴散，抑制硬質(zhì)合金與鋼界面形成有害的相，使接頭具有一定的抗彎強度，所以它有可能作為一種焊接硬質(zhì)合金的新方法。有研究表

28、明，在焊接YG30與45鋼的試驗中，采用預熱、低電流、慢速度的焊接規(guī)范，可獲得界面結(jié)合良好的接頭，但接頭的顯微組織中有相生成，并且分布于焊縫靠YG30一側(cè)的熔合區(qū)，在界面處聚集長大，主要原因是焊接過程中硬質(zhì)合金中的C熔入焊縫以及焊縫中的Fe向硬質(zhì)合金中遷移造成的。 由于硬質(zhì)合金與碳素鋼之間的物理性能相差較大，目前釬焊和擴散焊仍然是可行而又實用焊接方法。此外一些新的焊接方法如鎢極惰性氣體保護電弧焊(TIG),電子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在積極的研究探索之中，將有可能在硬質(zhì)合金的焊接中得到應(yīng)用。本文也主要介紹釬焊的具體實施方法。3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊工藝3.1焊前準備 焊前應(yīng)先檢查硬質(zhì)

29、合金是否有裂紋、彎曲或凸凹不平等缺陷。釬焊面必須平整，如果是球形或矩形的硬質(zhì)合金釬焊面也應(yīng)符合一定的幾何形狀，保證合金與基體之間有良好的接觸，才能保證釬焊質(zhì)量。 對硬質(zhì)合金進行噴砂處理，沒有噴砂設(shè)備的情況下，可用手拿住硬質(zhì)合金，在旋轉(zhuǎn)著的綠色碳化硅砂輪上磨去釬焊面上的氧化層和黑色牌號字母。如不去除硬質(zhì)合金釬焊面上的氧化層，釬料不易潤濕硬質(zhì)合金。經(jīng)驗證明，釬焊面上若有氧化層或黑色牌號字母，應(yīng)進行噴砂處理，否則釬料不易潤濕硬質(zhì)合金，釬縫中仍會出現(xiàn)明顯的黑色字母，使釬焊面積減少，發(fā)生脫焊現(xiàn)象。 在清理硬質(zhì)合金釬焊面時，最好不用化學機械研磨或電解磨削等方法處理，因為它們都是靠腐蝕硬質(zhì)合金表面層的黏結(jié)劑

30、（鈷）來加快研磨或提高磨削效率的，而硬質(zhì)合金表面的鈷被腐蝕掉后，釬料就很難再潤濕硬質(zhì)合金，容易造成脫焊現(xiàn)象。特殊情況下，硬質(zhì)合金釬焊面必須用上述方法或電火花線切割處理時，可將處理后的硬質(zhì)合金再進行噴砂處理或用碳化硅砂輪磨去表面層。噴砂后的硬質(zhì)合金可用汽油、酒精清洗，以去除油污。 釬焊前應(yīng)仔細檢查鋼基體上的槽形是否合理，尤其是對易裂牌號的硬質(zhì)合金和大釬焊面的硬質(zhì)合金工件，更應(yīng)嚴格要求。刀槽也進行噴砂處理和清洗去除油污。清洗量大時，可采用堿性溶液煮沸1015min。高頻或浸銅釬焊的多刃刀具及復雜量具，最好用飽和硼砂水溶液煮沸2030min，取出烘干后再進行焊接。 釬料使用前用酒精或汽油擦凈，并根據(jù)

31、釬焊面裁剪成形。釬焊一般硬質(zhì)合金刀具或模具時，釬料厚度0.40.5mm左右比較合適，大小與釬焊面相似即可。當用焦炭爐加熱時，釬料可適當增加。在釬焊硬質(zhì)合金多刃刀具、量具等工件時，應(yīng)盡量縮小釬焊片的面積，一般可將釬料片剪成釬焊面的1/2左右，當釬焊技術(shù)熟練時，可將釬料片減少至釬焊面的1/3或更小。減少釬料可使焊后工件外形美觀、刃磨更方便。3.2釬焊過程硬質(zhì)合金工具的釬焊工藝是否正確對焊接質(zhì)量有至關(guān)重要的作用。加熱速度對焊接質(zhì)量有明顯的影響?？焖偌訜釙褂操|(zhì)合金片產(chǎn)生裂紋和溫度不均；但加熱過慢，又會引起表面氧化，使接頭強度降低。部分硬質(zhì)合金焊接時允許的加熱速度見表3。表3 部分硬質(zhì)合金焊接時允許的

32、加熱速度硬質(zhì)合金片長度/mmYG8YT5YT15YT30焊接時允許的加熱速度/·s-120以下2040801002030608015205060121530401012焊接硬質(zhì)合金工具時，均勻加熱刀桿和硬質(zhì)合金片是保證焊接質(zhì)量的基本條件之一。如果硬質(zhì)合金片加熱溫度高于刀桿，熔化后的釬料潤濕了硬質(zhì)合金片而不能潤濕刀桿，接頭強度就會降低，在沿焊層剪切合金片時，釬料不破壞，而隨合金片脫開。在焊層上還可看到刀桿支撐面銑刀痕跡。如加熱速度過快，刀桿溫度高于合金片時，會出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。釬劑、釬料和硬質(zhì)合金安放順序和相互位置對釬焊質(zhì)量有直接的影響。正確的安放方法是：將釬料放在刀槽上，撒上釬劑，再放

33、硬質(zhì)合金，在硬質(zhì)合金頂面沿側(cè)面焊縫處再撒上一層釬劑。這樣在釬焊時便于掌握釬焊溫度，減少焊縫外黏附的多余釬料。硬質(zhì)合金與鋼氧乙炔釬焊的操作技術(shù)要點如下。 為了防止硬質(zhì)合金刀片在釬焊過程中脫碳或過燒，要選用碳化焰。 釬焊溫度1000左右為宜，即硬質(zhì)合金刀片加熱呈亮紅色。如果刀片呈暗紅色或白亮色時不能釬焊，因為前者溫度過低，后者溫度過高，已出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。 焊炬由左向右、由右向左、由上向下反復對刀體進行加熱，使刀體和刀片受熱均勻一致。 釬焊時焊嘴與刀桿的間距約為50mm，焊嘴與刀桿端傾斜角度為110o，這樣可保證有效地利用火焰熱量和加熱平衡。釬焊過程中，要使火焰始終覆蓋在整個釬焊部位，使之與空氣隔離，

34、以防止氧化或產(chǎn)生氣孔。 釬焊速度應(yīng)按刀片的大小來確定。釬焊40鋼與YT15硬質(zhì)合金車刀應(yīng)盡量在1min內(nèi)完成，這樣能有效地防止硬質(zhì)合金過燒或脫碳。 釬焊之后，需用火焰對刀片部位進行加熱，然后慢慢地將焊嘴離開，使焊件緩慢冷卻，以防止裂紋。釬焊過程中要正確地控制工件的釬焊溫度。釬焊溫度過高，會造成焊縫氧化和含鋅釬料中鋅元素的蒸發(fā)；釬焊溫度過低，焊縫會因釬料的流動性不好而偏厚，焊縫內(nèi)有大量的氣孔和夾渣，這是造成脫焊的主要原因。釬焊溫度應(yīng)比釬料熔點高3050，這時釬料的流動性、滲透性好，易于滲透布滿整個焊縫。釬料熔化后用紫銅加壓棒將硬質(zhì)合金沿槽窩往復移動23次，以排除焊縫中的熔渣。移動距離約為硬質(zhì)合金

35、長度的1/3左右。釬焊后的冷卻速度是影響釬焊裂紋的主要因素之一。冷卻時硬質(zhì)合金片表面產(chǎn)生瞬時拉應(yīng)力，硬質(zhì)合金的抗拉應(yīng)力大大低于抗壓應(yīng)力。尤其是YT60、YT30、YG3X等硬質(zhì)合金釬焊面積較大以及基體小而硬質(zhì)合金較大的工件，更應(yīng)注意釬焊后的冷卻速度。通常是將焊后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中，使工件緩慢冷卻。這種方法操作簡單，但是無法控制回火溫度。有條件的可在釬焊后立即將工件放入220250的爐內(nèi)回火68h。采用低溫回火處理能消除部分釬焊應(yīng)力，減少裂紋和延長硬質(zhì)合金工具的使用壽命。（3）焊后清理要對焊好的硬質(zhì)合金工件進行焊后清理，以便將焊縫周圍殘余的熔劑清除干凈，否則在刀具刃磨時多余的熔劑會將

36、砂輪堵塞，使磨削困難。焊后殘留的熔劑也會腐蝕焊縫和基體。常用的清除方法是將焊后已冷卻的工件放入沸水中煮12h左右，然后再進行噴砂處理，即可清除焊縫四周黏附的殘余釬劑及氧化物等；或?qū)⒐ぜ湃胨嵯床壑羞M行酸洗（鹽酸濃度為1:1），酸洗時間大約14min，然后放入冷水槽和熱水槽中反復清洗干凈。（4）釬焊質(zhì)量檢驗主要檢查硬質(zhì)合金與鋼釬焊接頭質(zhì)量以及硬質(zhì)合金有無裂紋存在。正常的焊縫應(yīng)均勻無黑斑，釬料未填滿的焊縫不大于焊縫總長的10%，焊縫寬度應(yīng)小于0.15mm。刀片釬焊歪斜，不符合圖紙要求者應(yīng)重焊。硬質(zhì)合金刀片的裂紋傾向可用下列方法檢查。 刀具經(jīng)噴砂清理后，先用煤油清洗，然后用肉眼或放大鏡觀察。當?shù)镀?/p>

37、有裂紋時，表面上會出現(xiàn)明顯的黑線。 用65%的煤油、30%的變壓器油及5%的松節(jié)油調(diào)成溶液，加入少量蘇丹紅，將預檢查的工具放入該溶液中浸泡約1015min，取出用清水洗凈，涂上一層高嶺土，烘干后檢查表面，如工具上有裂紋，溶液的顏色便在白土上顯示出來，用肉眼可明顯地看到。3.3硬質(zhì)合金釬焊過程中容易產(chǎn)生的問題及其原因硬質(zhì)合金在釬焊的過程中，由于眾多的因素，如槽形設(shè)計、釬焊工藝、加熱過程及刃磨、硬質(zhì)合金的釬焊面在焊前未經(jīng)過砂或磨光處理等。容易產(chǎn)生焊接裂紋和硬質(zhì)合金釬燭發(fā)生脫焊。（1）硬質(zhì)合金釬焊裂紋產(chǎn)生的原因?qū)е掠操|(zhì)合金釬焊工件的裂紋因素是多方面的，如槽形設(shè)計、釬焊工藝、加熱過程及刃磨等。 一些硬

38、度高、強度低的硬質(zhì)合金，如YT60、YT30、YG2和YG3X等，容易產(chǎn)生釬焊裂紋。尤其是這些牌號的硬質(zhì)合金的釬焊面積比較大時更應(yīng)當引起重視。 封閉式或半封閉式的槽形，是增加釬焊應(yīng)力促使造成裂紋的重要原因。應(yīng)在滿足焊縫強度使用要求的情況下，盡可能減少釬焊面積，以減小釬焊應(yīng)力。 焊接加熱速度太快或焊后冷卻速度過快會造成熱量分布不均，產(chǎn)生瞬時應(yīng)力引起裂紋?？焖偌訜釙r，硬質(zhì)合金外層受壓應(yīng)力，中間受拉應(yīng)力，超過允許的加熱速度時，可能產(chǎn)生可見的裂紋和內(nèi)部不可見的裂紋。釬焊后快速冷卻時，外層上會出現(xiàn)拉應(yīng)力，而引起合金中出現(xiàn)裂紋。應(yīng)避免將工件放在潮濕的地面上，或放在潮濕的石灰槽中，這會使硬質(zhì)合金因驟冷而產(chǎn)生

39、裂紋。 硬質(zhì)合金本身有缺陷，在焊前檢查時未能發(fā)現(xiàn)而導致釬焊后發(fā)生裂紋。對于大面積或特殊形狀的硬質(zhì)合金，釬焊前必須逐塊的進行嚴格檢查。硬質(zhì)合金在燒結(jié)過程中的缺陷，如小裂紋、崩角、疏松等情況，加熱釬焊后可能擴大形成大裂紋。 釬焊后刃磨不當也會產(chǎn)生裂紋，如砂輪的材料、硬度和粒度等選用不合適，磨削時用水冷卻，磨削余量留的過大、磨削工藝不當?shù)纫惨自斐闪鸭y。（2）減少硬質(zhì)合金釬焊裂紋的措施 在焊縫中加補償墊片是減小焊縫應(yīng)力的有效措施之一。在焊縫中加補償墊片的方法很多，如用鐵絲網(wǎng)、沖孔填片、鎳鐵合金墊片和在硬質(zhì)合金上電鍍純鐵等。由于這些補償物的熔點高于釬料熔點200以上，釬焊時墊片不熔化而夾在焊縫中間。焊縫

40、冷卻時，硬質(zhì)合金和基體金屬之間的焊縫各層有充分塑性變形，使焊縫各部分能比較自由地收縮，減小了釬焊應(yīng)力。但是加補償墊片會導致焊縫強度的大幅度下降（見表9）。其中采用鐵絲網(wǎng)或沖孔墊片的焊縫強度降低60%。由50%鎳和50%鐵所組成的鎳鐵合金補償墊片雖能較好地消除應(yīng)力和不降低焊縫強度，但因含鎳量過多不宜在生產(chǎn)中大量使用。生產(chǎn)中用厚度為0.40.5mm的低碳鋼片或鍍鎳鐵片做補償墊片，可取得很好的效果。 采用雙層硬質(zhì)合金釬焊法是一種防止裂紋的有效措施。這種方法不需要特殊材料，便于推廣使用。能消除YT30、YT60、YG2、YG3X等高硬度硬質(zhì)合金的釬焊裂紋。是將高強度的YG8硬質(zhì)合金作墊片與基體焊在一起

41、，然后將強度低硬度高的硬質(zhì)合金再焊在上面。其優(yōu)點在于使釬焊應(yīng)力集中在作為墊片的高強度硬質(zhì)合金上，而上面容易發(fā)生裂紋的硬質(zhì)合金因與YG8焊在一起，線膨脹系數(shù)比較接近，釬焊后應(yīng)力小，不會產(chǎn)生裂紋。由于有兩層硬質(zhì)合金疊焊在一起，硬質(zhì)合金整體的抗壓強度提高，延長了刀具的使用壽命。 用紫銅片做補償墊片時雖然可以有效地減小釬焊應(yīng)力和防止產(chǎn)生裂紋，但需使用熔點低于850的焊料，如L-Ag-49銀焊料，否則在釬焊時容易使紫銅片熔化而失去作用。紫銅本身比較軟，不適于在沖擊或重載荷和高溫情況下使用。 當釬焊狹長條形狀的硬質(zhì)合金工件時，為了減小釬焊應(yīng)力和防止發(fā)生裂紋，可采用雙層硬質(zhì)合金釬焊，下面的一層由小塊硬質(zhì)合金

42、拼成，成為預制“裂紋”形式。這種方法對消除裂紋特別有效，可在大型硬質(zhì)合金刀具和特殊硬質(zhì)合金的模具上使用。（3）硬質(zhì)合金釬焊脫焊的原因 硬質(zhì)合金的釬焊面在焊前未經(jīng)過砂或磨光處理，釬焊面上的氧化層降低了釬料的潤濕作用，削弱了焊縫的結(jié)合強度。 釬劑選擇和使用不當也會發(fā)生脫焊，例如采用硼砂作為釬劑時，因生硼砂含水分較多而不能有效地起到脫氧作用，結(jié)果釬料不能很好地潤濕被釬焊面，而發(fā)生脫焊現(xiàn)象。（4）減少硬質(zhì)合金釬焊脫焊的措施 正確的釬焊溫度應(yīng)在釬料熔點以上3050時最為合適，溫度過高或過低都會發(fā)生脫焊。加溫過高會使焊縫中產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。用含鋅的釬料會使焊縫呈藍色或白色。當釬焊溫度過低時，會形成比較厚的焊縫

43、，焊縫內(nèi)部布滿了氣孔和夾渣。以上兩種情況會使焊縫的強度下降，當刃磨或使用時容易發(fā)生脫焊。 釬焊過程中沒有及時地排渣或排渣不充分，使大量的釬劑熔渣殘留在焊縫中，降低了焊縫的強度，造成脫焊。4硬質(zhì)合金釬焊的實例（1）刮刀式硬質(zhì)合金鉆頭的真空釬焊刮刀式硬質(zhì)合金鉆頭是地質(zhì)勘探或石油鉆井使用的硬質(zhì)合鉆頭。過去采用火焰或高頻釬焊，在大氣介質(zhì)中進行焊接，導致硬質(zhì)合金氧化，使鉆頭壽命降低。另外，如果使用銀基釬料火焰釬焊，雖然釬焊溫度低，但接頭強度仍不很高，很維滿足大口徑（直徑215mm以上）油井深孔（大于2000m）鉆進的要求。改用真空釬焊時，對鉆頭體材料為35CrMo鋼，切削齒材料為YG11C的硬質(zhì)合金鉆頭

44、。選用BCu81Ni釬料，真空度為5×10-2Pa，釬焊溫度1150，釬焊保溫時間為15min，獲得的鉆頭接頭強度b>450MPa，用于大口徑深孔鉆進，鉆頭壽命可提高約23倍。（2）硬質(zhì)合金閥座的真空釬焊工作在腐蝕性介質(zhì)中的硬質(zhì)合金與馬氏體不銹鋼真空釬焊而成的閥座，既要求耐磨，又要求抗腐蝕。閥座材料分別為YG3硬質(zhì)合金和4Cr13馬氏體不銹鋼，二者線膨脹系數(shù)相差3倍，釬縫受力小于100MPa。工藝步驟如下。 真空釬焊時，選用BCu97NiB釬料，用夾具定位，以保證閥座上下兩段的同心度。 冷態(tài)抽真空到2×10-2Pa，以650/h的速率加熱到1000，穩(wěn)定30min，充高純氬氣使爐內(nèi)壓力上升到23Pa。 以450/h的