硬質(zhì)合金中溫釬焊技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

石 康 道, 張 偉, 宋寶良, 胡祖光

(大連工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)工程中心, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

硬質(zhì)合金是碳化鎢和鈷的燒結(jié)產(chǎn)品,具有高硬度、高紅硬性、高耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的抗咬合性能等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)方面,其中約半數(shù)用于金屬切削工具,尤其是硬質(zhì)合金和鋼連接的硬質(zhì)合金焊接刀具被國內(nèi)外廣泛采用。

硬質(zhì)合金的激光釬焊[1]、電阻爐中釬焊[2]和TIG焊等都有文獻(xiàn)報(bào)道,但是這些研究多是集中在焊接溫度1 000 ℃左右的高溫焊接。高溫焊接會(huì)使硬質(zhì)合金產(chǎn)生裂紋并存在較大的殘余應(yīng)力[3],有的甚至引起η相[4]的出現(xiàn),這些缺陷對(duì)于尺寸相對(duì)較小的精密刀具來說是致命的,因此開發(fā)適用于此類刀具中溫焊接技術(shù)迫在眉睫。

本研究采用B-Ag-1釬料(熔點(diǎn)605～620 ℃),以銅作為緩沖層,對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行感應(yīng)釬焊,取得了較好的效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在高頻硬質(zhì)合金半自動(dòng)釬焊機(jī)(GBQ-1)上進(jìn)行,焊接方法為高頻焊接。焊接時(shí)選取不同的感應(yīng)電流,其他參數(shù)保持不變,對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用φ10 mm的K20硬質(zhì)合金和45號(hào)鋼為釬焊母材,B-Ag-1釬料和硼砂焊劑,紫銅作為緩沖層。釬焊前對(duì)工件進(jìn)行細(xì)致加工和嚴(yán)格清洗,除去油污和過厚的氧化膜,并進(jìn)行銑削、打磨、清洗等多道工序處理。

釬焊實(shí)驗(yàn)之后,使用JSM-6360LV型掃描電鏡和Oxford INCA能譜(EDS)進(jìn)行硬質(zhì)合金的釬焊接頭形貌分析。

實(shí)驗(yàn)選取不同的感應(yīng)電流進(jìn)行硬質(zhì)合金的感應(yīng)釬焊,試件編號(hào)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1～8所示,由于加入了銅緩沖層接頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,硬質(zhì)合金和45號(hào)鋼側(cè)各有一條釬縫。

表1 試件編號(hào)及感應(yīng)電流

2 實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)釬焊溫度比較低對(duì)應(yīng)感應(yīng)電流為400 A時(shí)(如圖1),顯微圖片顯示三個(gè)比較明顯的特點(diǎn)：

圖1 試件1的接頭形貌

圖2 試件2的接頭形貌

圖3 試件2的接頭元素分布

圖4 試件3的接頭形貌

圖5 試件3的接頭元素分布

圖6 試件4的接頭形貌

圖7 試件4的接頭元素分布

圖8 試件5的接頭形貌

一是硬質(zhì)合金側(cè)釬縫未填滿,且主要出現(xiàn)在硬質(zhì)合金界面處,但45號(hào)鋼側(cè)釬縫已經(jīng)填滿。硬質(zhì)合金側(cè)界面未形成,是由于釬料和硬質(zhì)合金相互作用過低,與此同時(shí)在釬縫中心組織均勻并沒有缺陷,表明該缺陷同保溫時(shí)間無關(guān)。二是硬質(zhì)合金側(cè)的釬縫也沒有45號(hào)鋼側(cè)致密且兩條釬縫的寬度不同。兩條釬縫是在同溫度、同樣釬料下形成的,釬縫致密度的差異應(yīng)該同釬縫的寬度有關(guān),硬質(zhì)合金側(cè)釬縫寬度幾乎是45號(hào)鋼側(cè)的2倍,而釬縫的寬度是由接頭間隙決定的,但是在相同接頭間隙的圖2中,卻形成了很好的結(jié)合,同時(shí)在同一個(gè)間隙內(nèi)這兩條釬縫寬度相差如此之大,就不僅僅是接頭間隙能夠解釋的。釬縫的形成同釬料的流動(dòng)密不可分,而釬料的流動(dòng)往往又與釬料同母材的相互作用有關(guān),因此這種現(xiàn)象很可能是釬料同硬質(zhì)合金和45號(hào)鋼相互作用能力的差異造成的。圖1、2不同的僅僅是感應(yīng)電流,而感應(yīng)電流又是對(duì)釬料和母材相互作用能力影響很大的一個(gè)參數(shù),由此得出一個(gè)結(jié)論：并不是任何一個(gè)高于釬料熔化溫度的釬焊溫度都能形成連接,只有該釬焊溫度能大大提高釬料同硬質(zhì)合金的作用能力下,才會(huì)有釬縫的形成。三是釬料同銅形成了良好的結(jié)合,界面平直。通過相圖可知,該界面組織主要是銅的固溶體,雖然銅緩沖層的加入會(huì)降低接頭的強(qiáng)度,但由于固溶體的形成,該界面不大會(huì)成為接頭的薄弱部位。

隨著溫度的升高,對(duì)應(yīng)感應(yīng)電流為450 A時(shí),形成如圖2所示的結(jié)合良好的釬縫,在顯微鏡下觀察,均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋,但從元素分布曲線上看,兩側(cè)釬縫處銀的分布均出現(xiàn)部分不連續(xù),說明在釬縫中部存在微裂紋,應(yīng)該是釬料凝固中形成的冷裂紋。所有界面均平直,看不出釬料與母材晶粒互溶[5],說明界面主要靠原子的擴(kuò)散形成。通過對(duì)焊縫處元素的分析可以得到,釬料中的銀原子和銅原子通過界面進(jìn)入了硬質(zhì)合金,并與鎢在界面發(fā)生冶金反應(yīng),形成了有效的結(jié)合。銀原子和銅原子在硬質(zhì)合金中擴(kuò)散,會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金產(chǎn)生影響,應(yīng)引起高度重視。在45號(hào)鋼側(cè),釬料中的銀原子和銅原子也通過界面進(jìn)入45號(hào)鋼中,均形成了冶金結(jié)合。感應(yīng)電流為550和600 A的接頭形貌和元素分布規(guī)律與感應(yīng)電流為450 A時(shí)非常相似。

溫度進(jìn)一步升高,達(dá)到對(duì)應(yīng)感應(yīng)電流為650 A時(shí),如圖8所示,在硬質(zhì)合金側(cè)形不成釬縫,釬料呈現(xiàn)過燒狀,同時(shí),在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)保溫時(shí)間為13 s左右時(shí),有一股白煙從接頭處冒出,實(shí)驗(yàn)隨即停止,這是由于溫度過高釬料中低熔點(diǎn)元素蒸發(fā)的結(jié)果;但是45號(hào)鋼側(cè)則形成了良好的釬縫,這很有可能是釬料中低熔點(diǎn)元素因無法固熔而被蒸發(fā),而45號(hào)鋼側(cè)在較短的時(shí)間內(nèi),這些低熔點(diǎn)的元素仍能固熔,表現(xiàn)出45號(hào)鋼側(cè)有釬縫的形成。

3 結(jié) 論

通過感應(yīng)釬焊,可以在母材不熔化的前提下,實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金和45號(hào)鋼的中溫連接,對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流為450～600 A。

釬焊中通過原子相互擴(kuò)散,能夠形成組織均勻、沒有裂紋的釬焊接頭,但是釬料中銀和銅通過界面進(jìn)入硬質(zhì)合金,會(huì)對(duì)硬質(zhì)合金的性能產(chǎn)生影響。

由于銅緩沖層的加入,接頭中存在兩條釬縫,這兩條釬縫的性能存在差別。

[1] 葛廷剛,張旭東,劉文今,等. YG8硬質(zhì)合金激光釬焊接頭顯微組織的研究[J]. 應(yīng)用激光, 1999, 19(5):282-284.

[2] 王新紅,鄒增大. YT535硬質(zhì)合金釬焊工藝的研究[J]. 焊接技術(shù), 2001, 30(1):8-9.

[3] 王貴成. 釬焊硬質(zhì)合金刀具裂紋與應(yīng)力之關(guān)系[J]. 硬質(zhì)合金, 1984, 24(4):35-38.

[4] 宋以國,趙秀娟,楊德新,等. YG30硬質(zhì)合金與45鋼TIG焊界面組織的分析[J]. 硬質(zhì)合金, 2005, 22(2):3-6.

[5] 張啟運(yùn). 釬焊文集[M], 北京:北京師范大學(xué)出版社, 2009:61-62.