硬质合金中温钎焊技术的实验研究

2011-09-26宋宝良胡祖光

大连工业大学学报 2011年4期

石康道, 张伟, 宋宝良, 胡祖光

(大连工业大学先进制造技术工程中心, 辽宁大连 116034)

0 引言

硬质合金是碳化钨和钴的烧结产品,具有高硬度、高红硬性、高耐磨性以及良好的化学稳定性和高的抗咬合性能等优点,广泛应用于国民经济中的各个方面,其中约半数用于金属切削工具,尤其是硬质合金和钢连接的硬质合金焊接刀具被国内外广泛采用。

硬质合金的激光钎焊[1]、电阻炉中钎焊[2]和TIG焊等都有文献报道,但是这些研究多是集中在焊接温度1 000 ℃左右的高温焊接。高温焊接会使硬质合金产生裂纹并存在较大的残余应力[3],有的甚至引起η相[4]的出现,这些缺陷对于尺寸相对较小的精密刀具来说是致命的,因此开发适用于此类刀具中温焊接技术迫在眉睫。

本研究采用B-Ag-1钎料(熔点605～620 ℃),以铜作为缓冲层,对硬质合金进行感应钎焊,取得了较好的效果。

1 实验

实验在高频硬质合金半自动钎焊机(GBQ-1)上进行,焊接方法为高频焊接。焊接时选取不同的感应电流,其他参数保持不变,对硬质合金进行钎焊实验。

实验采用φ10 mm的K20硬质合金和45号钢为钎焊母材,B-Ag-1钎料和硼砂焊剂,紫铜作为缓冲层。钎焊前对工件进行细致加工和严格清洗,除去油污和过厚的氧化膜,并进行铣削、打磨、清洗等多道工序处理。

钎焊实验之后,使用JSM-6360LV型扫描电镜和Oxford INCA能谱(EDS)进行硬质合金的钎焊接头形貌分析。

实验选取不同的感应电流进行硬质合金的感应钎焊,试件编号如表1所示。实验结果如图1～8所示,由于加入了铜缓冲层接头结构比较复杂,硬质合金和45号钢侧各有一条钎缝。

表1 试件编号及感应电流

2 实验分析

当钎焊温度比较低对应感应电流为400 A时(如图1),显微图片显示三个比较明显的特点：

图1 试件1的接头形貌

图2 试件2的接头形貌

图3 试件2的接头元素分布

图4 试件3的接头形貌

图5 试件3的接头元素分布

图6 试件4的接头形貌

图7 试件4的接头元素分布

图8 试件5的接头形貌

一是硬质合金侧钎缝未填满,且主要出现在硬质合金界面处,但45号钢侧钎缝已经填满。硬质合金侧界面未形成,是由于钎料和硬质合金相互作用过低,与此同时在钎缝中心组织均匀并没有缺陷,表明该缺陷同保温时间无关。二是硬质合金侧的钎缝也没有45号钢侧致密且两条钎缝的宽度不同。两条钎缝是在同温度、同样钎料下形成的,钎缝致密度的差异应该同钎缝的宽度有关,硬质合金侧钎缝宽度几乎是45号钢侧的2倍,而钎缝的宽度是由接头间隙决定的,但是在相同接头间隙的图2中,却形成了很好的结合,同时在同一个间隙内这两条钎缝宽度相差如此之大,就不仅仅是接头间隙能够解释的。钎缝的形成同钎料的流动密不可分,而钎料的流动往往又与钎料同母材的相互作用有关,因此这种现象很可能是钎料同硬质合金和45号钢相互作用能力的差异造成的。图1、2不同的仅仅是感应电流,而感应电流又是对钎料和母材相互作用能力影响很大的一个参数,由此得出一个结论：并不是任何一个高于钎料熔化温度的钎焊温度都能形成连接,只有该钎焊温度能大大提高钎料同硬质合金的作用能力下,才会有钎缝的形成。三是钎料同铜形成了良好的结合,界面平直。通过相图可知,该界面组织主要是铜的固溶体,虽然铜缓冲层的加入会降低接头的强度,但由于固溶体的形成,该界面不大会成为接头的薄弱部位。

随着温度的升高,对应感应电流为450 A时,形成如图2所示的结合良好的钎缝,在显微镜下观察,均没有发现裂纹,但从元素分布曲线上看,两侧钎缝处银的分布均出现部分不连续,说明在钎缝中部存在微裂纹,应该是钎料凝固中形成的冷裂纹。所有界面均平直,看不出钎料与母材晶粒互溶[5],说明界面主要靠原子的扩散形成。通过对焊缝处元素的分析可以得到,钎料中的银原子和铜原子通过界面进入了硬质合金,并与钨在界面发生冶金反应,形成了有效的结合。银原子和铜原子在硬质合金中扩散,会对硬质合金产生影响,应引起高度重视。在45号钢侧,钎料中的银原子和铜原子也通过界面进入45号钢中,均形成了冶金结合。感应电流为550和600 A的接头形貌和元素分布规律与感应电流为450 A时非常相似。

温度进一步升高,达到对应感应电流为650 A时,如图8所示,在硬质合金侧形不成钎缝,钎料呈现过烧状,同时,在实验中,当保温时间为13 s左右时,有一股白烟从接头处冒出,实验随即停止,这是由于温度过高钎料中低熔点元素蒸发的结果;但是45号钢侧则形成了良好的钎缝,这很有可能是钎料中低熔点元素因无法固熔而被蒸发,而45号钢侧在较短的时间内,这些低熔点的元素仍能固熔,表现出45号钢侧有钎缝的形成。