工具鋼和硬質(zhì)合金的釬焊問題

王偉佳

摘 要：本文從工具鋼和硬質(zhì)合金的焊接性分析到焊接材料的選用，直到焊接方法及焊接工藝要點(diǎn)，簡(jiǎn)要闡述了工具鋼和硬質(zhì)合金的釬焊問題。

關(guān)鍵詞：工具鋼；硬質(zhì)合金；釬焊

工具鋼和硬質(zhì)合金在具體的使用中常常會(huì)需要進(jìn)行焊接，這里簡(jiǎn)單談?wù)勥@兩類金屬的釬焊焊接問題。

1 工具鋼和硬質(zhì)合金的釬焊焊接性分析

工具鋼和硬質(zhì)合金都是用來制造工具、刀具、量具、模具等的重要材料，它們共同特點(diǎn)是碳和合金元素含量高，并具有高硬度和高耐磨性能。但它們又都較脆，如果用來制造切削刀具等，就不能承受復(fù)雜的工作載荷，例如彎曲、沖擊和交變載荷等。因此，總是把它們作成小塊的鑲嵌件，釬焊到由強(qiáng)韌鋼制造的工具基體的工作部位上，由強(qiáng)韌鋼來承受沖擊和交變載荷。這樣做不僅綜合的滿足了刀具工作性能要求，同時(shí)又節(jié)省了大量昂貴的金屬，降低了工具成本。現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于制造各種金屬切削刀具、礦山采掘、石油鉆井、地質(zhì)勘探，以及各種量具、模具和耐磨損機(jī)械零件。

硬質(zhì)合金是以高硬度的、難熔的碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC和VC等）為基，加入粘結(jié)金屬（如Co、Ni、Mo、Fe等），通過粉末冶金方法制成的合金材料。它具有極高的硬度和耐磨性能特別在高溫下，仍能保持高硬度，是現(xiàn)代十分重要的工具材料。

與工具鋼和硬質(zhì)合金釬焊的基體，一般是用含碳量0.4%～0.6%的碳素鋼（如45號(hào)鋼）或合金結(jié)構(gòu)鋼（如40Cr，30CrMnSi等）來制造。

釬焊工具鋼時(shí)，要注意其組織和性能會(huì)受到釬焊過程的影響。要防止受熱退火、高溫氧化及脫碳等問題。對(duì)高速鋼，要求釬焊溫度能與鋼的淬火溫度相適應(yīng)，以便切削時(shí)能保持最大的硬度和耐磨性；對(duì)硬質(zhì)合金，由于它的線膨脹系數(shù)僅為鋼材的1/2～1/3，接頭上線膨脹系數(shù)的差異在釬焊冷卻過程將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，可能會(huì)引起硬質(zhì)合金開裂。硬度越高的硬質(zhì)合金，越容易開裂。

2 釬焊焊接材料的選用

釬焊工具鋼和硬質(zhì)合金時(shí)，最常用的釬料是純銅和銅基釬料。純銅對(duì)各種硬質(zhì)合金均有良好潤(rùn)濕性，但需要在氫還原氣氛中釬焊方可取得良好效果。純銅熔點(diǎn)為1082℃，釬焊唯獨(dú)在1093～1149℃之間。其接頭抗剪強(qiáng)度約為150Mpa，塑性較高。但在溫度高于320℃時(shí)，接頭強(qiáng)度降低，故不適于高溫下工作。由于純銅釬焊溫度高，接頭熱應(yīng)力大，裂紋傾向增大；銅基釬料的熔化溫度比純銅低，其中應(yīng)用最多的是黃銅。為了提高強(qiáng)度和潤(rùn)濕性，常加入錳、鎳、鐵等。如Bcu58ZnMn中加入w（Mn）4%，改善了對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性，還提高了接頭強(qiáng)度。若在此基礎(chǔ)上再加入少量Co，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，增加α相，使接頭組織和性能進(jìn)一步提高，其接頭抗剪切強(qiáng)度高達(dá)350Mpa，并具有較高的沖擊韌度和抗疲勞沖擊強(qiáng)度。銅基釬料價(jià)格便宜，但釬焊溫度高。

用銅基釬料進(jìn)行釬焊時(shí)，主要用脫水硼砂或硼砂和硼酸的混合物作釬劑。釬焊含TiC高的硬質(zhì)合金時(shí)，因表面有穩(wěn)定的TiO2氧化膜，可用含氟化物（KF、NaF、CaF2等）的釬劑，如FB301、FB302和FB105等進(jìn)行釬焊。

銀基釬料都可以釬焊工具鋼和硬質(zhì)合金，其熔點(diǎn)較低，接頭產(chǎn)生熱應(yīng)力較小，釬焊硬質(zhì)合金的接頭不易開裂。加有Zn、Mn、Ni等元素的銀基釬料可改善對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性，提高釬縫強(qiáng)度和接頭的工作溫度，如BAg50CuZnNi釬料等。對(duì)于工作溫度在500℃以上，接頭強(qiáng)度要求較高的硬質(zhì)合金，可選用錳基和鎳基釬料，如BMn50NiCuCrCo、BNi75CrSiS等。用銀基釬料釬焊時(shí)，可配合使用QJ102釬劑。由于一般的銅基釬料，其熔化溫度高于高速鋼的淬火溫度，為使釬焊溫度與淬火溫度匹配，釬焊高速鋼時(shí)可采用專門的釬料，如使用熔化溫度為1250℃左右的錳鐵型釬料。其主要組成為錳鐵及硼砂，有時(shí)還加入少量銅屑、玻璃等。其接頭抗剪強(qiáng)度一般為98MPa。也可采用含有Ni12、Fe13、Mn2.5、Si1的特殊銅基釬料，其熔化溫度約為1280℃。由于其收縮量比錳鐵型釬料減少近2/3，故釬焊后不易產(chǎn)生裂紋，接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)300MPa以上。

為了防止工具鋼在釬焊加熱過程中的氧化和免除釬焊后的清理，可以采用氣體保護(hù)釬焊。保護(hù)氣體可以惰性氣體，也可以是還原性氣體要求氣體的露點(diǎn)應(yīng)低于-40°C。硬質(zhì)合金可在氫氣保護(hù)下進(jìn)行釬焊，所需氫氣的露點(diǎn)應(yīng)低于-59°C。

3 釬焊焊接方法的選用及焊接中應(yīng)注意的問題

工具鋼和硬質(zhì)合金常用火焰、感應(yīng)、爐中、電阻和浸漬等方法釬焊，其中火焰釬焊適用于小批量單件生產(chǎn)，感應(yīng)釬焊、爐中釬焊和電阻釬焊生產(chǎn)率高，且質(zhì)量比較穩(wěn)定。浸漬釬焊可用于鉆探工具生產(chǎn)，屬于易掌握和效率高的釬焊方法。釬焊高速鋼刀具宜用焦炭爐加熱，當(dāng)釬料熔化后取出焊件，立即加壓，擠出多余釬料，再進(jìn)行油淬，然后在550～570℃回火。

釬焊硬質(zhì)合金刀具時(shí)，為了減小釬焊應(yīng)力和防止開裂，可采取下列措施：⑴合理設(shè)計(jì)接頭：基體金屬與硬質(zhì)合金的厚度比以3：1為宜，這樣可減小硬質(zhì)合金中出現(xiàn)拉伸應(yīng)力；應(yīng)盡量避免采用封閉式的刀槽形式，減少不在一個(gè)平面的釬焊面，以減小硬質(zhì)合金的拘束度，改善其應(yīng)力狀態(tài)；對(duì)于大面積硬質(zhì)合金釬焊接頭，應(yīng)在基體上開一些工藝槽，既可以排渣，又可以把釬焊面積分割成若干小塊，以減小釬焊應(yīng)力。⑵在釬縫中加入補(bǔ)償墊片：利用該補(bǔ)償墊片的塑性變形，松弛接頭中的釬焊應(yīng)力。當(dāng)用銅和銅基釬料釬焊時(shí)，因釬焊溫度高，采用蒙乃爾合金作補(bǔ)償墊片材料；當(dāng)用銀基釬料時(shí)，可用純銅、康銅等材料作補(bǔ)償墊片。補(bǔ)償墊片的厚度一般為0.3～0.5mm，大面積釬焊接頭，補(bǔ)償墊片的厚度應(yīng)大一些。⑶控制加熱和冷卻速度：為了避免由于硬質(zhì)合金表層與內(nèi)部溫差過大而引起的裂紋，在釬焊時(shí)應(yīng)控制加熱和冷卻速度，不能急冷急熱。幾種硬質(zhì)合金允許的加熱速度如表1所示。

YT類硬質(zhì)合金裂紋敏感性比YG類硬質(zhì)合金大，其加熱和冷卻速度更應(yīng)比YT類低。釬焊后的冷卻速度一般比加熱速度低8～10倍。釬焊后在320～350℃保溫回火6h，一般可以減小和消除接頭中的殘余應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。

[參考文獻(xiàn)]

[1]《焊接手冊(cè)》（2）.（材料的焊接），機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]《焊接手冊(cè)》（1）.（焊接方法與設(shè)備），機(jī)械工業(yè)出版社.