GT35鋼結硬質合金和45鋼釬焊工藝的研究

帥玉妹，楊 雄

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

GT35鋼結硬質合金和45鋼釬焊工藝的研究

帥玉妹，楊 雄

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

根據潤濕性試驗所確定的工藝參數，針對GT35鋼結硬質合金與45號鋼的釬焊工藝進行研究。闡述了釬焊試驗方案和釬焊過程，對釬焊接頭的力學性能進行測試分析。研究表明，GT35鋼結硬質合金與45鋼釬焊焊接接頭質量較好，可以滿足硬質合金模具、石油鉆采機械和其他高強高耐磨零件制造的要求。

硬質合金；釬焊；接頭性能；焊接缺陷

GT35是用粉末冶金的方法制造的鉻鉬合金鋼，其中鋼為粘結相，TiC(35%)為硬質相，其性能介于鋼與硬質合金之間，具有硬質合金的高硬度、高耐磨性及高耐腐蝕性，又具有鋼的加工性、鍛壓性、焊接性及熱處理性，因而廣泛應用于高強度、高硬度、耐磨性好的冷鐓模具的模芯中，具有使用壽命長、經濟實用的特點。當硬質合金與鋼焊接時，其硬度越高，釬焊時產生裂紋的可能性越大。如果殘余應力大于硬質合金的抗拉強度，其表面就可能產生裂紋，這是硬質合金釬焊時產生裂紋的最主要原因之一；其次，硬質合金在空氣中加熱到800℃以上時，其表面開始氧化，形成的氧化膜使硬質合金變脆，降低力學性能。因此，在焊接時應采取措施盡量減少硬質合金焊接部位的氧化現象，提高焊接質量。此外，焊接方法、加熱方式、刀槽型式、熔劑選擇、焊接溫度及加熱速度、冷卻速度、保溫溫度、保溫時間等對焊接質量都有較大影響。由于硬質合金與碳鋼之間的物理性能相差較大，在進行硬質合金與鋼焊接時，目前主要采取釬焊和擴散焊的方法。此外，一些新的焊接方法如鎢極惰性氣體保護電弧焊、電子束焊和激光焊等也在進行積極探索[1-4]。下面，筆者對GT35鋼結硬質合金和45鋼釬焊工藝進行了探討。

1 釬焊工藝試驗方案

1.1試驗用材料加工及接頭設計

圖1 焊接試樣 圖2 試樣尺寸

1)試驗用材料加工 根據潤濕性試驗，選用銀基釬料，其成分為Ag·Cu·Zn，熔點為615～656℃。釬劑為氣劑301，母材為GT35硬質合金和45鋼(見圖1)，將GT35通過外圓車削后，在電火花切割機上切割，再通過表面磨削達到所需的尺寸(?14mm×20mm)；將45鋼用手工鋼鋸切割，經過車削和磨削達到所需要的尺寸(?14mm×20mm)(見圖2)。

材料的表面狀況對釬焊質量有影響，表面油污、銹蝕等都是不利因素。因此，試驗材料加工后必須清除表面的油污、銹蝕等。將線切割后的硬質合金塊放到丙酮中清洗去除油脂，然后用細的SiC粉水糊在玻璃表面上研磨被焊面，以去除切割痕跡和氧化物；用180#砂紙將45鋼表面磨光并使其平整。

圖3 焊接接頭形式

2)接頭設計 實際生產中硬質合金與鋼基體的焊接，其接頭形式的設計依照不同使用要求而定，主要有以下幾種形式[5]:①硬質合金刀具一般采用開口槽槽形設計，便于進行自由焊，而不采用封閉和半封閉的槽形。②重型刀具和大焊接面的硬質合金刀具、模具及量具的槽形設計一般采用刀片立焊或雙重刀片疊焊的形式，有時采取開工藝溝的方法，使大的焊接面分割成小塊。③礦山采掘用的硬質合金工具一般用一字形和十字形釬頭，其槽形呈U字形。此外，在焊接過程中，其焊接接頭形式有2種形式，即豎直焊和水平焊(見圖3)。

1.2試驗設備

爐中釬焊試驗設備由加熱裝置和控溫裝置組成，電爐型號是SXZ 6-13，電爐控溫型號是Y-12D-16 ,額定功率為12kW，工作電壓為380V。火焰釬焊試驗設備由砂輪、氧氣瓶、乙炔氣瓶、火焰焊槍、防護鏡和墊板等組成。

1.3釬焊工藝參數的確定

1)加熱速度 由于GT35鋼結硬質合金的線膨脹系數約為45鋼的一半，當釬焊溫度為1000℃時，冷卻后界面處將產生約1%的畸變，如果該畸變在塑性較好的金屬側得不到完全釋放，將在GT35鋼結硬質合金側產生較大損失，并且在界面上產生很大的拉伸殘余應力。GT35的硬度很高、韌性差、抗彎強度高而抗拉強度很低，因此容易在硬質合金與釬縫的界面形成焊接裂紋。同樣，當加熱速度很高時，硬質合金從外到里存在很大的溫度梯度。雖然在加熱階段硬質合金可以自由膨脹，但由于硬質合金中Co相線膨脹系數是WC相的3倍，因此在Co和WC的界面容易形成微裂紋，并在隨后的冷卻階段擴展成宏觀裂紋。為降低加熱速度，可采用雙級預熱，第1級預熱溫度約為 200～300℃，保溫時間約20～30min；第2級預熱溫度為500～600℃，保溫時間約30min。然后再加熱到預定的釬焊溫度，這樣可以有效地減少界面裂紋。

2)釬焊溫度 釬焊溫度不僅影響釬料的潤濕性，而且影響釬焊接頭的連接強度。試驗表明，當釬焊溫度一般控制在釬料熔點以上20～30℃范圍內，接頭可獲得最高強度。

3)保溫時間 保溫時間應根據焊件的大小而定，過長或過短都會使接頭的強度降低。試驗表明，在釬料完全熔化后再保溫1min左右較為適宜。

4)冷卻速度 冷卻速度越快，釬焊后越容易產生裂紋，而焊后保溫可有效防止裂紋的產生，但保溫溫度對接頭的性能影響較大。保溫溫度過高，防裂效果不明顯，而且容易造成硬質合金顆粒的再結晶，使合金的硬度降低，影響刀片的切削性能；保溫溫度過低，則起不到防裂作用。研究表明，釬焊后立即送入300～350℃的保溫箱中保溫2～3h，隨后斷電隨爐溫冷卻，可有效地防止裂紋的產生。

5)釬縫寬度 釬焊接頭的強度不僅受釬料成分和釬焊工藝的影響，還與釬縫寬度有關。當釬料成分和釬焊工藝一定時，可通過調整釬縫的寬度，改善接頭的性能。試驗表明，釬縫寬度一般控制在0.5～1mm較為適宜。

2 釬焊工藝流程

2.1焊前處理

圖4 焊接試樣

焊前應清除GT35與45鋼焊接表面及接合處的油污、氧化物、毛刺及其雜物，保證焊件端部及接合面的清潔與干燥，同時還需要保持釬料的清潔與干燥。焊件表面的油污可用丙酮、酒精、汽油或三氯已烯等有機溶液清洗，此外熱的堿熔液除油污也可以收到較好的效果。表面氧化物及毛刺可用化學浸濕方法進行處理，然后在水中沖洗干凈并加以干燥。

2.2釬焊操作

進行真空爐中釬焊時，將試樣重合平放在焊接工作臺上，用壓頭將試樣壓緊定位以保證焊接間隙的有效性，然后關上爐門，設定好工藝參數。為防止加熱過程中的熱慣性過大，導致焊接溫度超出預定值過高，在到達焊接溫度前，在預定加熱溫度前設定幾個溫度臺階，然后在焊接溫度點保溫15min，隨后切斷電源，讓工件隨爐溫冷卻，待溫度降至100℃以下后將工件取出。圖4所示為釬焊試樣。

3 釬焊接頭的力學性能測試分析

3.1釬焊接頭顯微硬度

硬度是材料力學性能的重要指標之一，而硬度試驗則是判斷金屬材料或產品零件質量的手段，常用方法包括維氏顯微硬度測試法和努普顯微硬度測試法。試驗采用MH-6顯微硬度計測定焊接接頭的維氏硬度分布情況，統計數據表明，GT35鋼結硬質合金與45鋼焊縫區的平均硬度為154.2HV，45鋼的平均硬度為171.8HV，GT35鋼結硬質合金的平均硬度為1481.7HV。

圖5 剪切試驗試樣

3.2釬焊接頭剪切強度

采用專用剪切試驗夾具和電子萬能試驗機，對GT35鋼結硬質合金與45鋼釬焊接頭進行剪切強度測試。測試前須將焊接試樣外圓車光滑，使焊縫與母材部分平齊以避免接頭應力集中對測試結果產生不利影響，試樣尺寸為?14×10mm(見圖5)。測試時將編號后的焊接試樣置于用專用剪切試驗夾具中，在電子萬能試驗機上進行加壓剪切強度測試，記錄剪斷所需的壓力，再根據試件的截面積計算剪切強度。同時，觀察試樣的斷裂位置，進而評定焊縫的性能。GT35鋼結硬質合金與45鋼釬焊接頭剪切強度測試結果如表1所示。

表1 GT35鋼結硬質合金與45鋼釬焊接頭剪切強度測試結果

由表1可以看出：①同種焊接方法和工藝參數下焊接的接頭剪切強度相差不大，且接頭的剪切強度均低于母材的強度。②在同種釬料和釬劑的條件下，爐中釬焊接頭的剪切強度高于火焰釬焊接頭的剪切強度，其原因是爐中釬焊試樣裝夾容易，釬料和釬劑尺寸和數量容易控制；焊接參數可精確控制。③斷裂面均發生在離釬縫較近的硬質合金上，其中火焰釬焊試樣的斷面上均有裂紋出現，這樣使得接頭的強度降低，其原因是GT35鋼結硬質合金與45鋼的熱膨脹系數相差較大和釬焊溫度較高，導致冷卻后釬焊接頭界面附近的GT35鋼結硬質合金中產生較大的殘余應力。

4 結 語

針對GT35鋼結硬質合金和45鋼釬焊工藝進行研究，探討了釬焊工藝試驗方案，介紹了釬焊工藝流程，并對釬焊接頭的力學性能進行測試分析。研究表明，GT35鋼結硬質合金與45鋼焊接接頭質量較好，說明采用釬焊工藝是可行的，可以用于焊接GT35鋼結硬質合金與45鋼。

[1]趙秀娟,楊德新,田頭孝介，等. YG30硬質合金與45鋼TIG焊接頭組織中η相[J].焊接學報，2003,24(3)：33-35.

[2]凌平.超細晶粒硬質合金的釬焊方法[J].硬質合金,1997,14(4)：240-241.

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

[4]Lu S P,Ykwon O，Guo Y.Wear Behavior of Brazed WC/NiCrBSi(Co) Composite Coatings[J].Wear,2003，254:421-428.

[5]陳德才.硬質合金工具的釬焊[M].北京:機械工業出版社,1976.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.048

TG454；TG457 19

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16731409(2012)11N14803