工具钢和硬质合金的钎焊问题

王伟佳

摘 要：本文从工具钢和硬质合金的焊接性分析到焊接材料的选用，直到焊接方法及焊接工艺要点，简要阐述了工具钢和硬质合金的钎焊问题。

关键词：工具钢；硬质合金；钎焊

工具钢和硬质合金在具体的使用中常常会需要进行焊接，这里简单谈谈这两类金属的钎焊焊接问题。

1 工具钢和硬质合金的钎焊焊接性分析

工具钢和硬质合金都是用来制造工具、刀具、量具、模具等的重要材料，它们共同特点是碳和合金元素含量高，并具有高硬度和高耐磨性能。但它们又都较脆，如果用来制造切削刀具等，就不能承受复杂的工作载荷，例如弯曲、冲击和交变载荷等。因此，总是把它们作成小块的镶嵌件，钎焊到由强韧钢制造的工具基体的工作部位上，由强韧钢来承受冲击和交变载荷。这样做不仅综合的满足了刀具工作性能要求，同时又节省了大量昂贵的金属，降低了工具成本。现在已广泛应用于制造各种金属切削刀具、矿山采掘、石油钻井、地质勘探，以及各种量具、模具和耐磨损机械零件。

硬质合金是以高硬度的、难熔的碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC和VC等）为基，加入粘结金属（如Co、Ni、Mo、Fe等），通过粉末冶金方法制成的合金材料。它具有极高的硬度和耐磨性能特别在高温下，仍能保持高硬度，是现代十分重要的工具材料。

与工具钢和硬质合金钎焊的基体，一般是用含碳量0.4%～0.6%的碳素钢（如45号钢）或合金结构钢（如40Cr，30CrMnSi等）来制造。

钎焊工具钢时，要注意其组织和性能会受到钎焊过程的影响。要防止受热退火、高温氧化及脱碳等问题。对高速钢，要求钎焊温度能与钢的淬火温度相适应，以便切削时能保持最大的硬度和耐磨性；对硬质合金，由于它的线膨胀系数仅为钢材的1/2～1/3，接头上线膨胀系数的差异在钎焊冷却过程将产生很大热应力，可能会引起硬质合金开裂。硬度越高的硬质合金，越容易开裂。

2 钎焊焊接材料的选用

钎焊工具钢和硬质合金时，最常用的钎料是纯铜和铜基钎料。纯铜对各种硬质合金均有良好润湿性，但需要在氢还原气氛中钎焊方可取得良好效果。纯铜熔点为1082℃，钎焊唯独在1093～1149℃之间。其接头抗剪强度约为150Mpa，塑性较高。但在温度高于320℃时，接头强度降低，故不适于高温下工作。由于纯铜钎焊温度高，接头热应力大，裂纹倾向增大；铜基钎料的熔化温度比纯铜低，其中应用最多的是黄铜。为了提高强度和润湿性，常加入锰、镍、铁等。如Bcu58ZnMn中加入w（Mn）4%，改善了对硬质合金的润湿性，还提高了接头强度。若在此基础上再加入少量Co，进一步细化晶粒，增加α相，使接头组织和性能进一步提高，其接头抗剪切强度高达350Mpa，并具有较高的冲击韧度和抗疲劳冲击强度。铜基钎料价格便宜，但钎焊温度高。

用铜基钎料进行钎焊时，主要用脱水硼砂或硼砂和硼酸的混合物作钎剂。钎焊含TiC高的硬质合金时，因表面有稳定的TiO2氧化膜，可用含氟化物（KF、NaF、CaF2等）的钎剂，如FB301、FB302和FB105等进行钎焊。

银基钎料都可以钎焊工具钢和硬质合金，其熔点较低，接头产生热应力较小，钎焊硬质合金的接头不易开裂。加有Zn、Mn、Ni等元素的银基钎料可改善对硬质合金的润湿性，提高钎缝强度和接头的工作温度，如BAg50CuZnNi钎料等。对于工作温度在500℃以上，接头强度要求较高的硬质合金，可选用锰基和镍基钎料，如BMn50NiCuCrCo、BNi75CrSiS等。用银基钎料钎焊时，可配合使用QJ102钎剂。由于一般的铜基钎料，其熔化温度高于高速钢的淬火温度，为使钎焊温度与淬火温度匹配，钎焊高速钢时可采用专门的钎料，如使用熔化温度为1250℃左右的锰铁型钎料。其主要组成为锰铁及硼砂，有时还加入少量铜屑、玻璃等。其接头抗剪强度一般为98MPa。也可采用含有Ni12、Fe13、Mn2.5、Si1的特殊铜基钎料，其熔化温度约为1280℃。由于其收缩量比锰铁型钎料减少近2/3，故钎焊后不易产生裂纹，接头的抗拉强度可达300MPa以上。

为了防止工具钢在钎焊加热过程中的氧化和免除钎焊后的清理，可以采用气体保护钎焊。保护气体可以惰性气体，也可以是还原性气体要求气体的露点应低于-40°C。硬质合金可在氢气保护下进行钎焊，所需氢气的露点应低于-59°C。

3 钎焊焊接方法的选用及焊接中应注意的问题

工具钢和硬质合金常用火焰、感应、炉中、电阻和浸渍等方法钎焊，其中火焰钎焊适用于小批量单件生产，感应钎焊、炉中钎焊和电阻钎焊生产率高，且质量比较稳定。浸渍钎焊可用于钻探工具生产，属于易掌握和效率高的钎焊方法。钎焊高速钢刀具宜用焦炭炉加热，当钎料熔化后取出焊件，立即加压，挤出多余钎料，再进行油淬，然后在550～570℃回火。

钎焊硬质合金刀具时，为了减小钎焊应力和防止开裂，可采取下列措施：⑴合理设计接头：基体金属与硬质合金的厚度比以3：1为宜，这样可减小硬质合金中出现拉伸应力；应尽量避免采用封闭式的刀槽形式，减少不在一个平面的钎焊面，以减小硬质合金的拘束度，改善其应力状态；对于大面积硬质合金钎焊接头，应在基体上开一些工艺槽，既可以排渣，又可以把钎焊面积分割成若干小块，以减小钎焊应力。⑵在钎缝中加入补偿垫片：利用该补偿垫片的塑性变形，松弛接头中的钎焊应力。当用铜和铜基钎料钎焊时，因钎焊温度高，采用蒙乃尔合金作补偿垫片材料；当用银基钎料时，可用纯铜、康铜等材料作补偿垫片。补偿垫片的厚度一般为0.3～0.5mm，大面积钎焊接头，补偿垫片的厚度应大一些。⑶控制加热和冷却速度：为了避免由于硬质合金表层与内部温差过大而引起的裂纹，在钎焊时应控制加热和冷却速度，不能急冷急热。几种硬质合金允许的加热速度如表1所示。

YT类硬质合金裂纹敏感性比YG类硬质合金大，其加热和冷却速度更应比YT类低。钎焊后的冷却速度一般比加热速度低8～10倍。钎焊后在320～350℃保温回火6h，一般可以减小和消除接头中的残余应力，防止裂纹产生。

[参考文献]

[1]《焊接手册》（2）.（材料的焊接），机械工业出版社.

[2]《焊接手册》（1）.（焊接方法与设备），机械工业出版社.