新型矿用截齿水溶性铜焊剂的研制和接头性能研究

张春红，张 宁，赵常柏，强颖怀

（1.徐州生物工程职业技术学院机械工程系，江苏徐州221006；2.徐州工程学院 机电学院，江苏徐州221018；3.中国矿业大学材料学院，江苏徐州221116）

新型矿用截齿水溶性铜焊剂的研制和接头性能研究

张春红1，张 宁2，3，赵常柏1，强颖怀3

（1.徐州生物工程职业技术学院机械工程系，江苏徐州221006；2.徐州工程学院 机电学院，江苏徐州221018；3.中国矿业大学材料学院，江苏徐州221116）

矿用截齿主要用于矿山采煤、巷道掘进等基础挖掘，因此截齿的性能好坏直接影响了采煤能力的发挥、掘进效率和工具的使用寿命。实验以HL105铜焊片为钎料，自制水溶性铜钎焊钎剂代替传统的脱水硼砂，采用炉中钎焊的方法将截齿齿体和硬质合金齿头连接起来。结果表明：研制的新型水溶性铜钎剂可以使钎料完全填充间隙，钎缝充盈度最高，焊接接头强度和韧性得到很大提高，达到截齿抗剪强度的优等水平。

截齿；铜钎剂；显微组织

0 前言

采煤机通过截齿破碎岩石，截齿在切割时，煤岩的反作用力使截齿的工作应力非常复杂。不仅受压应力、弯曲应力作用，而且在遇有杂矿等硬的矿物时还受冲击载荷作用，加之工作过程中剧烈的摩擦使得截齿温度急剧升高，造成齿头早期脱落，加速截齿的磨损失效，成为采煤机上损耗最大的元件[1]。目前国产截齿由硬质合金齿尖和中碳低合金钢齿体两部分组成，用钎焊连成一体。截齿的失效形式主要有硬质合金头的脱落、崩刃、磨损和齿体的弯曲、折断等，其中合金头脱落是最常见的损坏形式，因此截齿的钎焊质量越来越受到重视[2]。国产截齿与国外的主要差距一是外观质量与制造精度差，二是硬质合金头与母体间焊缝充盈度不足，并存在焊缝裂纹等缺陷[3]。

本实验采用炉中钎焊的方法，钎剂分别为自制303B水溶性铜钎剂和一般用脱水硼砂，进行对比实验，分析钎焊接头各项性能。通过调整钎剂的稀释比例和热处理方式，比较钎缝的焊接质量、钎缝充盈度和表面形貌，研究截齿钎焊接头的金相组织、显微硬度和剪切强度，综合对比分析，评价自制新型水溶性铜钎剂的性能，探索提高截齿钎焊质量、增强接头力学性能的方法，从而提高矿用截齿的抗冲击性能，延长截齿的使用寿命。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

实验用镐型截齿如图1所示，截齿齿体材料为42CrMo合金钢，齿头为YG15硬质合金，其主要化学成分为w（WC）85%和w（Co）15%。钎料为HL105铜焊片，钎剂分别为脱水硼砂和自制303B水溶性铜钎剂，铜钎剂的主要成分为50%～60%硼酸、4%～8%硼砂、Al、Si、P等化合物。钎焊实验方案如表1所示。

1.2 实验方法

焊前必须进行表面处理，对硬质合金头进行磨片或喷砂，去除表面疏松的氧化层表皮和油污，然后通过研磨抛光进行钝化处理，用水清洗。一般认为，对焊缝强度影响最大的因素是焊缝的性质、厚度和均匀程度，必须保证焊接零件有较高的精度和较低的表面粗糙度值[4]。对于截齿齿体的槽孔，主要是去除其锈迹和毛刺。随后进行配片操作，将自制水溶性铜钎剂与水按5∶5和4∶6进行配比后，在齿尖的槽孔内加入适量的钎剂，再平铺上HL105铜焊片，最后塞入硬质合金头，如图2所示。

钎焊过程中，钎料配合钎剂要能润湿母材，自由铺展流入到钎缝中，填满全部间隙。此时截齿焊缝间隙的选择就成为关键因素，它影响到焊缝的致密性和强度[5]。钎焊异种材料时，应根据两部件的相对位置和形状来确定钎缝间隙。42CrMo合金钢与YG15硬质合金的线膨胀系数相差很大（硬质合金的线膨胀系数大约为钢的1/3），如果钎缝间隙很小，钎焊接头的残余应力不能得到有效的释放，接头较易在硬质合金侧断裂，难以提高接头强度，应适当增大钎缝间隙。选用HL105铜焊料时，截齿焊缝间隙一般为0.105～0.25 mm，硬质合金下端加工成锥台的形状是为了保证硬质合金周围焊缝间隙的均匀一致性[6]。

炉中钎焊温度选择930℃，1#、2#试样钎焊后先冷却至850℃，然后油淬，紧接着200℃回火。3#试样钎焊后空冷至室温。热处理后的试样采用机床车削和线切割的方法将截齿齿头切开，首先进行外观检查，对钎缝充盈度进行理论分析，对钎焊接头的质量作出初步判断。采用金相砂纸进行磨制，之后在抛光机上研磨抛光。对制备好的试样进行腐蚀，42CrMo用4%的硝酸酒精，钎缝用氯化铁和盐酸混合溶液（FeCl35 g，HCl 10 ml，H2O 100 ml），硬质合金头用20%的氰化铁和20%的氢氧化钾的混合液。金相组织在OLYMPUS PMG3型电子显微镜上观察，钎焊后截齿齿头用体式显微镜分析，计算钎缝充盈度，钎缝过渡层形貌采用FEI Inspect S50扫描电子显微镜观测，并用HV-1000型显微硬度计测量焊缝过渡区显微硬度，最后在SANS万能材料力学试验机上测定截齿齿头的抗剪强度。

2 实验结果和分析

2.1 钎缝充盈度分析

车削后的1#和3#硬质合金头如图3所示。1#试样的钎焊采用脱水硼砂作钎剂，硬质合金头侧面以下部位和底面中心部位没有钎料痕迹，近一半面积都没有钎焊上，断面还存有较多的夹渣；而采用自制303B铜钎剂钎焊的3#试样，钎料湿润性很好，钎焊处较光滑。另外2#试样的钎焊效果较1#试样好些。这说明研制的铜钎剂能使钎料更好的填充间隙，很好的去除焊接表面的氧化物和杂物。

对线切割加工后的齿头进行钎缝充盈度检查，如图4所示。图4a中1#试样钎焊效果很差，钎料没有很好填充，底部存在大范围孔隙。图4b中2#试样钎料填充较好，但是斜面和底面还有部分孔隙。而图4c中钎焊质量最好，几乎未见孔洞，再结合准确的钻孔公差，将大大提高钎焊连接质量。

钎缝充盈度的计算公式为[7]

式中 A为充满度；L为实际测量的钎缝长度（单位：mm）；Lj为理论计算钎缝长度（单位：mm）。经测量和计算，1#～3#试样钎缝的充盈度分别为68.8%、94.2%和98.8%。2#、3#试样采用自制铜钎剂钎焊的截齿，其充盈度完全满足使用要求。然而1#试样的充盈度远低于2#、3#试样，钎焊质量很差，硬质合金和钻孔不能完全紧密连接，实际使用过程中将过早脱落。

2.2 钎缝形貌观察

金相显微镜和扫描电镜观察的钎焊焊缝如图5所示，通过测量，钎焊焊缝宽度大概50 μm，且与40Cr和硬质合金熔合部位无孔隙，钎料完全湿润，钎焊排渣效果较好，焊缝结合良好。

2.3 显微组织分析

1#截齿经油淬处理，齿体42CrMo的显微组织为针状马氏体和残余奥氏体，如图6a所示。3#截齿焊后空冷，齿体的显微组织为铁素体和细珠光体，见图6b。虽然珠光体的塑韧性高于马氏体组织，但强度、硬度低，因此3#截齿的强度低，耐磨性差，采用此种工艺处理的截齿在截割煤岩时齿体易磨损，造成齿尖的脱落。从而应采用油冷的方式，得到马氏体组织，进一步提高截齿齿体的强度和耐磨性。

截齿齿头YG15硬质合金的显微组织如图7所示，1#和3#截齿的金相组织为WC硬质相和白色Co粘结相。图7a中采用油淬的硬质合金头的晶粒较均匀且细小，使得材料的强度、硬度和韧性得到强化提高。

1#截齿钎缝熔合区的显微组织如图8所示，钎缝区HL105铜焊片显微组织为α+β。α相为Zn在Cu中的固溶体，β相为脆硬相，是以CuZn为基体的固溶体[8]。由图还可以清晰的看到流入到40Cr边缘的部分钎剂，当钎剂流入40Cr和硬质合金中间时，钎剂会深入一些缝隙，使得焊接接头更加紧密。也可以清晰的看到钎料对硬质合金的融合远没有40Cr那么明显，这是因为硬质合金的硬度比较高的缘故。

2.4 显微硬度测定

测量钎缝过渡区硬度时，从外部齿体部位开始，沿着一条直线向内部的钎焊区和硬质合金测量硬度，每个部位测量四个点，试样表面显微硬度压头凹痕如图5b所示。显微硬度曲线图如图9所示，由图可知，硬度呈梯度渐变，钎焊区的显微硬度低于齿体40Cr和齿头硬质合金，具有一定的塑韧性，在截齿破碎煤岩时可以起到缓冲的作用。

2.5 剪切强度分析

1#～3#试样的抗剪强度如图10所示，即1#＜2#＜3#。按照截齿抗剪强度的判定标准，高于180 MPa为合格，达到230 MPa为优等。因此以一般脱水硼砂为钎剂钎焊的截齿，抗剪强度只达到合格标准。而采用自制水溶性铜钎剂钎焊的截齿，在不同的热处理方案中，其抗剪强度均为优等，且3#试样抗剪强度最高。

3 结论

（1）采用传统的脱水硼砂和自制303B水溶性铜钎剂对矿用截齿分别进行钎焊对比实验，结果表明：研制的新型水溶性铜钎剂能够较大提高焊接接头强度和韧性，达到截齿抗剪强度的优等水平。

（2）自制水溶性铜钎剂与水的比例为4∶6时，钎料完全填充间隙，钎焊排渣效果好，钎缝充盈度最高，熔合区无夹杂、孔洞等明显的冶金缺陷，形成非常优良的冶金结合层，优于工厂生产的截齿。

（3）调整钎剂与水的配比，采用油淬热处理工艺，使齿体获得针状马氏体，细化齿头晶粒组织，进一步提高钎焊质量，达到国外先进水平，延长截齿的使用寿命。

[1]胡瑞玲，赵玉梅.纯Cu钎料钎焊316L不锈钢的钎焊接头耐腐蚀性研究[J].电焊机，2007，37（12）：44-45.

[2] 杨元修.大面积环形硬质合金的钎焊[J].电焊机，1995，15（8）：42-44.

[3]郦 剑，罗 娟，罗来马，等.硬质合金与钢基体钎焊技术的研究进展[J].材料科学与工程学报，2009，27（6）：954-958.

[4] 迟长志，肖东明，唐德再.采煤机截齿钎焊工艺的研究[J].热加工工艺，1997（3）：47-49.

[5] 富钟玺，吕建君，田东风.关于截齿钎焊缝间隙的研究[J].矿山机械，1998（3）：27-28.

[6]郝春玲.提高截齿钎焊质量的途径.矿山机械，2003（4）：57-58.

[7] I.G.KwalandS.Y.Hahn.DesignsensitivityofTransient Electr -thermalProblemsforthespecifictemperaturedistribution[J]. IEEE Trans，2000，36（4）：1148-1152.

[8]杨丽颖，王守仁，王 欣，等.形变热处理对截齿钎焊接头强度的影响[J].热加工工艺，2004（1）：16-18.

Development of shearer picks brazed by new water soluble copper brazing agent and property study on welded splice

ZHANG Chun-hong1，ZHANG Ning2，3，ZHAO Chang-bai1，QIANG Ying-huai3
（1.Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Bioengineering Technical College，Xuzhou 221006，China；2. School of Mechanical&Electrical Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；3.School of Materials Science and Engineering，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

The cutting pick is primarily used in footing excavation such as coal mining and roadway excavation，so the performance of cutting tooth directly affect the mining capacity，the driving efficiency，and the service life of the tool.By using HL105 brazing piece as filler metal and the water soluble copper brazing agent made by self instead of dehydrated borax，the cutting pick body and cemented carbide head were connected together with furnace brazing technology.The experimental results show that the solder filled the gap completely by the new water soluble copper brazing agent，and the filling degree of brazing seam was the highest.Thus the strength and toughness of the shearer pick connector improved greatly，and reached the top horizontal shear strength of shearer picks.

cutting pick；copper brazing agent；microscopic structure

TG425

：A

：1001-2303（2014）02-0094-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.23

2013-04-22；

2014-01-20

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（2013 144-01003Y）；徐州工程学院科研项目（XKY2011209）

张春红（1978—），女，山东菏泽人，讲师，硕士，主要从事材料焊接技术，模具设计的工作。