GT35钢结硬质合金和45钢钎焊工艺的研究

帅玉妹，杨 雄

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

GT35钢结硬质合金和45钢钎焊工艺的研究

帅玉妹，杨 雄

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

根据润湿性试验所确定的工艺参数，针对GT35钢结硬质合金与45号钢的钎焊工艺进行研究。阐述了钎焊试验方案和钎焊过程，对钎焊接头的力学性能进行测试分析。研究表明，GT35钢结硬质合金与45钢钎焊焊接接头质量较好，可以满足硬质合金模具、石油钻采机械和其他高强高耐磨零件制造的要求。

硬质合金；钎焊；接头性能；焊接缺陷

GT35是用粉末冶金的方法制造的铬钼合金钢，其中钢为粘结相，TiC(35%)为硬质相，其性能介于钢与硬质合金之间，具有硬质合金的高硬度、高耐磨性及高耐腐蚀性，又具有钢的加工性、锻压性、焊接性及热处理性，因而广泛应用于高强度、高硬度、耐磨性好的冷镦模具的模芯中，具有使用寿命长、经济实用的特点。当硬质合金与钢焊接时，其硬度越高，钎焊时产生裂纹的可能性越大。如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度，其表面就可能产生裂纹，这是硬质合金钎焊时产生裂纹的最主要原因之一；其次，硬质合金在空气中加热到800℃以上时，其表面开始氧化，形成的氧化膜使硬质合金变脆，降低力学性能。因此，在焊接时应采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象，提高焊接质量。此外，焊接方法、加热方式、刀槽型式、熔剂选择、焊接温度及加热速度、冷却速度、保温温度、保温时间等对焊接质量都有较大影响。由于硬质合金与碳钢之间的物理性能相差较大，在进行硬质合金与钢焊接时，目前主要采取钎焊和扩散焊的方法。此外，一些新的焊接方法如钨极惰性气体保护电弧焊、电子束焊和激光焊等也在进行积极探索[1-4]。下面，笔者对GT35钢结硬质合金和45钢钎焊工艺进行了探讨。

1 钎焊工艺试验方案

1.1试验用材料加工及接头设计

图1 焊接试样 图2 试样尺寸

1)试验用材料加工 根据润湿性试验，选用银基钎料，其成分为Ag·Cu·Zn，熔点为615～656℃。钎剂为气剂301，母材为GT35硬质合金和45钢(见图1)，将GT35通过外圆车削后，在电火花切割机上切割，再通过表面磨削达到所需的尺寸(∅14mm×20mm)；将45钢用手工钢锯切割，经过车削和磨削达到所需要的尺寸(∅14mm×20mm)(见图2)。

材料的表面状况对钎焊质量有影响，表面油污、锈蚀等都是不利因素。因此，试验材料加工后必须清除表面的油污、锈蚀等。将线切割后的硬质合金块放到丙酮中清洗去除油脂，然后用细的SiC粉水糊在玻璃表面上研磨被焊面，以去除切割痕迹和氧化物；用180#砂纸将45钢表面磨光并使其平整。

图3 焊接接头形式

2)接头设计 实际生产中硬质合金与钢基体的焊接，其接头形式的设计依照不同使用要求而定，主要有以下几种形式[5]:①硬质合金刀具一般采用开口槽槽形设计，便于进行自由焊，而不采用封闭和半封闭的槽形。②重型刀具和大焊接面的硬质合金刀具、模具及量具的槽形设计一般采用刀片立焊或双重刀片叠焊的形式，有时采取开工艺沟的方法，使大的焊接面分割成小块。③矿山采掘用的硬质合金工具一般用一字形和十字形钎头，其槽形呈U字形。此外，在焊接过程中，其焊接接头形式有2种形式，即竖直焊和水平焊(见图3)。

1.2试验设备

炉中钎焊试验设备由加热装置和控温装置组成，电炉型号是SXZ 6-13，电炉控温型号是Y-12D-16 ,额定功率为12kW，工作电压为380V。火焰钎焊试验设备由砂轮、氧气瓶、乙炔气瓶、火焰焊枪、防护镜和垫板等组成。

1.3钎焊工艺参数的确定

1)加热速度 由于GT35钢结硬质合金的线膨胀系数约为45钢的一半，当钎焊温度为1000℃时，冷却后界面处将产生约1%的畸变，如果该畸变在塑性较好的金属侧得不到完全释放，将在GT35钢结硬质合金侧产生较大损失，并且在界面上产生很大的拉伸残余应力。GT35的硬度很高、韧性差、抗弯强度高而抗拉强度很低，因此容易在硬质合金与钎缝的界面形成焊接裂纹。同样，当加热速度很高时，硬质合金从外到里存在很大的温度梯度。虽然在加热阶段硬质合金可以自由膨胀，但由于硬质合金中Co相线膨胀系数是WC相的3倍，因此在Co和WC的界面容易形成微裂纹，并在随后的冷却阶段扩展成宏观裂纹。为降低加热速度，可采用双级预热，第1级预热温度约为 200～300℃，保温时间约20～30min；第2级预热温度为500～600℃，保温时间约30min。然后再加热到预定的钎焊温度，这样可以有效地减少界面裂纹。

2)钎焊温度 钎焊温度不仅影响钎料的润湿性，而且影响钎焊接头的连接强度。试验表明，当钎焊温度一般控制在钎料熔点以上20～30℃范围内，接头可获得最高强度。

3)保温时间 保温时间应根据焊件的大小而定，过长或过短都会使接头的强度降低。试验表明，在钎料完全熔化后再保温1min左右较为适宜。

4)冷却速度 冷却速度越快，钎焊后越容易产生裂纹，而焊后保温可有效防止裂纹的产生，但保温温度对接头的性能影响较大。保温温度过高，防裂效果不明显，而且容易造成硬质合金颗粒的再结晶，使合金的硬度降低，影响刀片的切削性能；保温温度过低，则起不到防裂作用。研究表明，钎焊后立即送入300～350℃的保温箱中保温2～3h，随后断电随炉温冷却，可有效地防止裂纹的产生。

5)钎缝宽度 钎焊接头的强度不仅受钎料成分和钎焊工艺的影响，还与钎缝宽度有关。当钎料成分和钎焊工艺一定时，可通过调整钎缝的宽度，改善接头的性能。试验表明，钎缝宽度一般控制在0.5～1mm较为适宜。

2 钎焊工艺流程

2.1焊前处理

图4 焊接试样

焊前应清除GT35与45钢焊接表面及接合处的油污、氧化物、毛刺及其杂物，保证焊件端部及接合面的清洁与干燥，同时还需要保持钎料的清洁与干燥。焊件表面的油污可用丙酮、酒精、汽油或三氯已烯等有机溶液清洗，此外热的碱熔液除油污也可以收到较好的效果。表面氧化物及毛刺可用化学浸湿方法进行处理，然后在水中冲洗干净并加以干燥。

2.2钎焊操作

进行真空炉中钎焊时，将试样重合平放在焊接工作台上，用压头将试样压紧定位以保证焊接间隙的有效性，然后关上炉门，设定好工艺参数。为防止加热过程中的热惯性过大，导致焊接温度超出预定值过高，在到达焊接温度前，在预定加热温度前设定几个温度台阶，然后在焊接温度点保温15min，随后切断电源，让工件随炉温冷却，待温度降至100℃以下后将工件取出。图4所示为钎焊试样。

3 钎焊接头的力学性能测试分析

3.1钎焊接头显微硬度

硬度是材料力学性能的重要指标之一，而硬度试验则是判断金属材料或产品零件质量的手段，常用方法包括维氏显微硬度测试法和努普显微硬度测试法。试验采用MH-6显微硬度计测定焊接接头的维氏硬度分布情况，统计数据表明，GT35钢结硬质合金与45钢焊缝区的平均硬度为154.2HV，45钢的平均硬度为171.8HV，GT35钢结硬质合金的平均硬度为1481.7HV。

图5 剪切试验试样

3.2钎焊接头剪切强度

采用专用剪切试验夹具和电子万能试验机，对GT35钢结硬质合金与45钢钎焊接头进行剪切强度测试。测试前须将焊接试样外圆车光滑，使焊缝与母材部分平齐以避免接头应力集中对测试结果产生不利影响，试样尺寸为∅14×10mm(见图5)。测试时将编号后的焊接试样置于用专用剪切试验夹具中，在电子万能试验机上进行加压剪切强度测试，记录剪断所需的压力，再根据试件的截面积计算剪切强度。同时，观察试样的断裂位置，进而评定焊缝的性能。GT35钢结硬质合金与45钢钎焊接头剪切强度测试结果如表1所示。

表1 GT35钢结硬质合金与45钢钎焊接头剪切强度测试结果

由表1可以看出：①同种焊接方法和工艺参数下焊接的接头剪切强度相差不大，且接头的剪切强度均低于母材的强度。②在同种钎料和钎剂的条件下，炉中钎焊接头的剪切强度高于火焰钎焊接头的剪切强度，其原因是炉中钎焊试样装夹容易，钎料和钎剂尺寸和数量容易控制；焊接参数可精确控制。③断裂面均发生在离钎缝较近的硬质合金上，其中火焰钎焊试样的断面上均有裂纹出现，这样使得接头的强度降低，其原因是GT35钢结硬质合金与45钢的热膨胀系数相差较大和钎焊温度较高，导致冷却后钎焊接头界面附近的GT35钢结硬质合金中产生较大的残余应力。

4 结 语

针对GT35钢结硬质合金和45钢钎焊工艺进行研究，探讨了钎焊工艺试验方案，介绍了钎焊工艺流程，并对钎焊接头的力学性能进行测试分析。研究表明，GT35钢结硬质合金与45钢焊接接头质量较好，说明采用钎焊工艺是可行的，可以用于焊接GT35钢结硬质合金与45钢。

[1]赵秀娟,杨德新,田头孝介，等. YG30硬质合金与45钢TIG焊接头组织中η相[J].焊接学报，2003,24(3)：33-35.

[2]凌平.超细晶粒硬质合金的钎焊方法[J].硬质合金,1997,14(4)：240-241.

[3]王新洪,邹增大.YT535硬质合金钎焊工艺的研究[J].焊接技术,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]陈德才.硬质合金工具的钎焊[M].北京:机械工业出版社,1976.

[编辑] 李启栋

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

TG454；TG457 19

A

16731409(2012)11N14803