硬质合金与钢异种金属焊接工艺的研究现状*

张誉喾 马志鹏 张旭昀

(东北石油大学材料科学与工程系)

硬质合金与钢异种金属焊接工艺的研究现状*

张誉喾**马志鹏 张旭昀

(东北石油大学材料科学与工程系)

从焊接接头显微组织和力学性能两个方面概述了硬质合金与钢异种金属焊接的基本工艺。总结出：采用Ni基、Fe基及Co基等合金作为填充金属能够获得良好的焊接接头，在其焊缝界面处会生成高强度的Fe-Co-Ni固溶体，而焊缝内部会出现硬脆的缺碳M6C型金属间化合物η相；增加Co、Ni元素的含量有利于Fe-Co-Ni固溶体的生成，同时也会抑制η相；用钎焊和扩散焊焊接的接头力学性能较好，钎焊接头的抗弯强度可以达到665MPa，扩散焊接头的抗弯强度可以达到1 192MPa。

硬质合金 异种金属 焊接工艺

硬质合金是一类以增强硬度和耐磨性的金属碳化物为基体相，以增强韧性的过渡族金属为粘结相，通过粉末冶金法制成的合金材料。硬质合金具有较好的耐磨性和耐蚀性，尤其在高温下，仍能保持高硬度。硬质合金被用于制造各种切削用具、磨具、量具和耐磨零件，广泛地应用在地质勘查、石油开采、采矿及筑路工程等领域[1]。目前，由于硬质合金成本高，尺寸有限，塑性和冲击韧性较差，绝大多数硬质合金均镶嵌在韧性较好的工具钢工作部位，这样可以使工具钢来承受主要的冲击载荷，提高使用性能，节约成本[2]。

目前硬质合金镶嵌在钢上主要采用的是焊接方法，包括钎焊、扩散焊、激光焊及电弧焊等。其中钎焊工艺简单，得到的焊缝韧性较好，主要问题是在焊缝区会产生很大的残余应力，可能会在硬质合金上产生裂纹[3，4]。扩散焊对硬质合金基体性能影响很小，但其加工受制于真空条件，一般只适于焊接结构简单的复合工件[5]。激光焊热输入大，能量精确可控制，灵活性强，但其加热和冷却速度太快容易在硬质合金内部产生裂纹[6]。而电弧焊在焊接时不仅容易产生裂纹，还会由于焊接时的元素扩散问题在焊缝周围形成η相等金属间化合物而导致焊缝脆化[7～9]。笔者综述了硬质合金与钢焊接的各种方法中出现的问题和解决方式，分析了它们的优缺点，为今后的研究提供一些参考和借鉴。

1 钎焊

硬质合金与钢在钎焊时钎料的选择尤为关键，钎料应同时具有较好的润湿作用和缓解接头残余应力的作用。最常用的钎料有Cu基钎料、Ni基钎料和Ag基钎料。

Cu基钎料是钎焊硬质合金与钢时最常用的钎料。使用纯Cu钎料的接头韧性高，抗剪强度约为150MPa，但在320℃时，接头强度降低，不适于高温工作，同时焊接接头裂纹倾向较大[2]。Cu合金钎料中一般含Mn、Ni等元素提高焊缝强度，但其熔化温度低于纯铜钎料。陈洪生等采用CuZnMn钎料进行了YG8硬质合金与低碳钢的钎焊研究，所得接头抗拉强度达到263.9MPa[10]。为了提高接头强度又采用CuZnMnSnNiCo钎料进行钎焊，由于钎料中的Co、Ni等元素有利于Fe-Co-Ni固溶体的形成，同时减少了η相的形成，而且钎焊过程中钎料中的Co还能补充硬质合金中粘结相中Co的流失，使接头抗拉强度提高到291.6MPa。Li Y J等采用CuZnNi钎料钎焊YW2硬质合金与45号钢，发现焊缝中几乎没有η相，焊接接头也没有虚焊、氧化等缺陷[11，12]。

Ni基钎料也是硬质合金与钢钎焊过程中的常用钎料之一，对比使用Cu基钎料的接头，使用Ni基钎料的接头具有较好的缓冲应力作用，通过接头弯曲强度试验得出平均强度可提高到846MPa[13]。李卓然等采用BNi2钎料(BNi82CrSiBFe)钎焊YG8硬质合金和低碳钢，发现在焊缝中存在以Fe、Ni元素为主的固溶体、金属间化合物M6C型η相，且接头的抗剪强度能达到441MPa[14]。在实际应用中常将两种或两种以上钎料组合起来使用达到提高焊接接头性能的目的。陆杨等使用Cu和Ni的三明治结构钎焊YG8硬质合金与40Cr钢，最高抗弯强度可达到665MPa，远高于单独使用CuMnNi钎料接头的抗弯强度523MPa[15]。Lee W B等采用Cu和Ni的夹层钎料进行了WC-Co硬质合金与45钢的钎焊，所得接头最大剪切强度可达310MPa[16]。另外通过在Cu-Zn钎料上电镀Ni作为中间层，可以实现YT535和YT758硬质合金与45钢的钎焊，所得接头没有微观缺陷[17]。如不添加钎料，而在YT15硬质合金焊接面上电镀Ni-Cu-P层，再与钢钎焊，也可形成连接并且焊缝处抗拉强度可以达到480MPa[18]。

Ag基钎料中如果含有Cu、Zn、Mn等元素也比较适合于钎焊硬质合金，这些元素都可以提高钎料的润湿性，并且抑制焊缝中η相的长大，提高焊缝强度，防止钎焊裂纹的产生。当采用Ag41Cu42Sn14In3钎料箔焊接YG6与45钢时，可以发现钎缝饱满，钎缝与母材结合良好，In元素固溶于α-Ag中起到固溶强化作用，其接头剪切强度可达到214.6MPa[19]。

由以上分析可以看出，在硬质合金与钢的钎焊时，首先，对于接头性能影响最大的就是η相，这种η相既硬又脆，如产生并长大会影响焊接接头性能，明显降低接头抗剪强度和抗弯强度。其次，在钎料基体中加入适当的合金元素(Co、Mn、Zn等)，可以有效地提高接头处的焊缝性能[2]。再次，Cu基和Ag基钎料熔点都比较低，限制了钎焊接头的服役温度，只有Ni基钎料熔点较高。最后，由于硬质合金和钢的线膨胀系数不一致，硬质合金线膨胀系数较小，不到钢的1/2，使得靠近焊缝处易产生微裂纹，从而影响母材和接头的使用性能。

2 扩散焊

扩散焊分为无中间层焊接和有中间层焊接，硬质合金与钢的直接扩散难以实现，一般需要添加中间层。中间层以含不同合金元素的Ni基中间层为主，这是因为金属Ni与硬质合金表面润湿性较好，且具有良好的缓冲作用。

陈飞雄和李世魁研究了硬质合金与纯铁、45钢、T10碳素工具钢的热等静压扩散连接工艺[20，21]。结果表明不加Ni箔，YG15C硬质合金与45钢扩散焊接头抗弯强度为515MPa，与T10钢扩散焊得到的接头抗弯强度为559MPa。在加入Ni箔中间层后，硬质合金与45钢接头抗弯强度提高到1 011MPa，与T10钢接头抗弯强度提高到1 192MPa，这表明加入Ni箔中间层能够有效消除残余热应力，提高接头性能。Klaasen H等用Ni基合金作为中间层实现了YN05硬质合金与钢的扩散焊[22]。试验结果表明，在一定范围内，接头的强度随着中间层厚度的增加而提高，接头内残余应力随着钢与硬质合金厚度比的增加而降低。

另外，Barrena M I等通过使用Cu-Ni中间层实现了YG15硬质合金与90MnCrV8的扩散焊[23]。Miyakoshi Y等在使用Fe-Ni中间层和Ni中间层进行扩散焊时，发现焊缝中容易出现脆性碳化物η相[24，25]。

由以上分析得出，在进行扩散焊时，无论是采用单一Ni中间层还是复合Ni中间层，扩散焊都能得到性能优良的焊接接头。

3 激光焊

20世纪末国内就有学者利用纯Cu作为填充材料对硬质合金CO2激光焊进行了研究[26，27]。结果表明，焊接时激光束中的大部分能量被Cu吸收，并使其熔化对硬质合金进行浸润，形成焊缝。硬质合金本身吸收能量较少，避免了受热时可能产生大块的η相。只在焊缝处铁素体中形成了大量成分复杂的均匀细化的金属间化合物。随着技术的发展，曹晓莲等在不开坡口、不加填充材料的条件下采用功率密度高、光束质量优良、能量集中的光纤激光对YG20硬质合金与45钢进行焊接，并对接头焊缝成形、组织和元素扩散规律进行研究[28]。结果表明，激光扫描速度较低时，焊缝熔化区附近会出现大量的焊接裂纹，随着扫描速度的增大，裂纹会逐渐较少，直到完全消失；同时，硬质合金中的W、Co与钢中Fe发生互相扩散，钢中的Fe扩散进入硬质合金侧，较好地弥补了Co元素的流失，充当其粘结相，使整个接头达到了很好的冶金结合。

由以上分析可以看出，激光焊阻碍了元素的扩散行为，抑制了在硬质合金与钢界面处η相的产生，改善了接头处的力学性能。其次，激光焊可使钢中Fe元素向硬质合金中扩散，提高了结合强度。

4 电弧焊

电弧焊时，焊接的填充材料以Ni、Fe及Co等元素为主。宋以国等分别把纯Fe、Co-Fe合金、Ni-Fe合金作为填充材料将YG30硬质合金与45钢进行TIG焊，3种填充材料形成的焊缝都有η相产生，其中纯Fe最多，Co-Fe合金次之，Ni-Fe合金最少且分布细小[29，30]。这是因为填充金属中Fe元素会促进η相的形成，但Ni元素抑制η相的形成。另外，王莎莎等通过比较纯Fe与Fe-Co-C这两种填充材料形成的焊缝发现Co元素同样有利于抑制焊缝界面区η相的形成[31]。王浩等用Ni-Fe合金作为填充金属对YG30硬质合金和45钢进行TIG焊，实验结果表明，焊缝处存在着大块的η相，它的存在使焊接接头的抗弯强度降低[32]。为了提高接头强度又采用Ni-Fe-C合金作为填充金属，发现适量的碳可以抑制焊缝中脆性η相的形成，提高接头的韧性，得到的焊接接头最高抗弯强度可以达到1 341MPa。马丁等还尝试利用激光-TIG复合的方式进行硬质合金与因瓦钢的焊接，其缺陷主要为在因瓦合金侧热影响区和焊缝的热裂纹；在硬质合金侧热影响区的冷裂纹；主要分布在焊缝中心和熔合线的气孔[33]。

马丁使用MIG焊的方法，对硬质合金和304不锈钢进行焊接试验，填充纯Ni焊丝[34]。结果表明，在焊接过程中，硬质合金与焊缝界面发生了扩散行为，W、C及Ti等元素由硬质合金向焊缝中扩散，形成缺碳的η相；焊接时，硬质合金的表层出现剥离的趋势，但是填充金属Ni及时地弥补裂纹，使得焊接接头冶金结合良好，硬质合金与焊缝硬度过渡平稳，由硬质合金的1 100HV梯度过渡到焊缝Ni的220HV，焊缝区具有较高的硬度，满足机械性能的要求。

由以上分析可以得出，电弧焊接硬质合金与钢容易出现的问题是在焊接接头中产生裂纹，焊缝中形成η相。添加Ni元素和C元素可以有效抑制裂纹和η相。

5 结束语

从焊缝组织方面看，硬质合金与钢焊接的接头处都存在元素扩散并形成不同的固溶体、金属间化合物和η相。其中Fe元素易向硬质合金方向进行扩散，其扩散距离最长。Co元素易向钢方向扩散。这种扩散行为有利于焊接接头性能的提高。一般来说，Fe-Co-Ni固溶体可以提高焊接接头的韧塑性，η相会降低接头的抗剪强度，而且往往成为断裂源。所以，通常会在焊接时加入Ni、Co等合金元素抑制η相的形成。

从焊接工艺方面看，硬质合金与钢的焊接仍以钎焊为主，其钎焊接头的抗剪强度一般不超过650MPa。其次是硬质合金与钢扩散焊接头，最佳抗弯强度能达到1 192MPa。激光焊硬质合金与钢容易出现裂纹或未焊透的现象，接头强度较难测量。电弧焊热作用范围大，不但会在焊缝附近产生大量的η相，甚至会破坏硬质合金母材的性能，其接头强度普遍不高。

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TheResearchStatusofWeldingProcedureforCementedCarbideandSteelDissimilarMetal

ZHANG Yu-ku, MA Zhi-peng, ZHANG Xu-yun

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Starting with the microstructure and the mechanical properties of joints, the basic welding process for dissimilar metals and cemented carbide was summarized. The results show that,making use of Ni, Fe and Co-based alloys as the filler metal can bring about better welded joint and the Fe-Co-Ni-based solid solution with high toughness can be generated near the interface area of the brazing seam and the brittle M6C η compounds is formed in the middle of the brazing seam. Increasing the content of Co and Ni elements can benefit the formation of Fe-Co-Ni solid solution and inhibit η-phase. Both brazing and diffusion bonding makes the mechanical properties of joints better, and the shear strength of the brazing joints can reach 665MPa and the bending strength of the diffusion bonding joint can reach 1 192MPa.

cemented carbide, dissimilar metal, welding process

*黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GA13A402)，新型钎焊材料与技术国家重点实验室开放课题研究基金项目(SKLABFMT-2015-04)。

**张誉喾，男，1992年8月生，硕士研究生。黑龙江省大庆市，163318。

TQ050.4

A

0254-6094(2016)04-0441-05

2015-11-10，

2015-12-08)