梯度硬质合金与45钢的TIG焊研究

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(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028 )

0 前言

硬质合金制品一般具有很高的硬度和耐磨损性能，有很高的使用价值，但同时伴随着尺寸有限、形状简单、成本高、韧性差等缺陷，因此将硬质合金与钢连接具有重要意义。但硬质合金与钢连接时，由于二者线膨胀系数差别较大，在接头中形成较大的残余应力会使接头开裂，且在硬质合金侧焊缝界面处易生成脆性的η相碳化物，会导致接头性能变差[1-3]。

赵秀娟等人[4-8]选用不同成份纯Ni，Ni-Fe 合金、Ni-Fe-C 合金焊丝对YG30 硬质合金与45钢进行了TIG 焊试验，徐明冉[9]研究了WC-Co-Ni系硬质合金与45钢的TIG 焊，结果表明，粘结相含量为30%的硬质合金可以实现硬质合金侧不开裂的电弧冷焊接头，控制好填充材料的Ni含量和C含量可以使界面区不能形成有害的η碳化物层。但粘结相含量到达和超过30%的硬质合金硬度显著降低，此类硬质合金与钢的电弧连接实用价值并不高。针对以上问题，如果把不同粘结相含量的硬质合金制成梯度硬质合金，低粘结相侧保持高硬度，高粘结相侧具有优良的焊接性，能实现与钢电弧焊连接，不仅对扩大硬质合金的使用范围具有重要意义，同时能为国内的高性能硬质合金的制备和焊接提供科学的参考依据。文中选取由牌号YG8,YG15和YG20的商用硬质合金与WC-5Co-25Ni硬质合金以扩散烧结的方式制备梯度硬质合金，其中硬度最高的YG8作为工作硬质合金，焊接性最好的WC-5Co-25Ni作为焊接端与45钢连接，YG15和YG20作为过渡层夹在中间缓冲应力。采用Ni-Fe-C焊丝对梯度硬质合金与45钢进行TIG焊连接，通过对焊接接头的组织和力学性能的分析，研究了梯度硬质合金用于与45钢TIG焊的可行性。

1 试验材料及方法

试验所用母材为梯度硬质合金以及热轧态的45钢(Fe-0.45C，质量分数)。梯度硬质合金是由WC-5Co-25Ni硬质合金与商用YG8,YG15，YG20分别以垂直和倾斜两种形式按一定尺寸进行精确堆叠，通过扩散烧结的方法制备而成的三明治结构(图1)，梯度硬质合金各母材和Fe-55Ni-C合金焊丝成分见表1。

图1 母材尺寸及装配示意图

表1 梯度硬质合金母材成分(质量分数，%)

试验选用的焊接方式为TIG焊，使用Fronius TPS 4 000型多功能焊机。焊接参数为：直流电流100 A，纯Ar气保护，气体流量为10 L/min，采用对接方式，焊接间隙为1 mm，焊前不预热，焊后空冷。梯度硬质合金和45钢制成厚度6 mm长方形板材，由于梯度硬质合金不便于加工坡口，对于垂直堆叠的梯度硬质合金仅在45钢端开45°坡口，倾斜堆叠的梯度硬质合金由于自带60°倾角，仅在45钢侧开30°坡口，母材尺寸及装配情况如图1所示。焊前用砂轮机将坡口打磨至光亮。焊接试验结束后，制备金相试样及弯曲试样。 然后用Zeiss SUPRA 55场发射扫描电镜对微观组织进行观察，采用WE-10A型液压式万能试验机对试件进行室温弯曲试验。为方便区分，文中用试样A1，A2分别代表垂直堆叠和倾斜堆叠两种梯度硬质合金的焊件。

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头的组织

由于45钢的TIG焊接已较为成熟，且通过微观观察以及力学试验表明钢/焊缝界面不是薄弱界面，因此没有对45钢/焊缝一侧的焊接接头组织进行分析，而主要观察分析集中在焊缝/硬质合金一侧。

图2a～2b为A1接头的硬质合金/焊缝界面显微组织。可以看出，焊缝基本上沿硬质合金原始表面平直走向，说明焊接时硬质合金侧熔化很少。中上部硬质合金/焊缝界面处未发现η碳化物层(图2a)，但在底部的硬质合金/焊缝界面处有大块η相生成(图2b)，具有不规则的外形，分布厚度在10 μm左右。在一些大块的η相中可以观察到其内部有许多形状不一的WC晶粒，有些WC晶粒被包裹在η相中，晶界比较明显，但有一些WC晶粒边缘已经熔化，几乎融合于η相中。由文献[7-8,10]可知，硬质合金的两相区范围很窄，在焊接过程中，很容易因C原子的大量扩散而导致液相中严重贫碳，使得WC继续固溶到液相中以平衡C浓度，当界面中的C损失过量，原料中含碳量低或烧结过程中脱碳造成合金中缺碳，就会导致Fe-W-C体系中生成M6C型或M12C型Fe-W-C化合物，即η相。

同时，硬质合金/焊缝界面除了灰色基体相γ-(Fe,Ni),还有一些白色网状共晶碳化物。由文献[7-8]可知，共晶碳化物为Fe3W3C-Fe4W2C ，其中存在大量的W元素，W元素的存在说明在硬质合金与45钢TIG焊接过程中，进入到焊缝中的部分WC 颗粒受热发生了分解，分解W原子和C原子，与焊缝中大量存在的Fe原子发生反应，生成碳化物组织。由于碳化物呈网状弥散分布在熔合区，其危害不如大块η相对接头造成的影响大。

图2c～2d为A2试样进行TIG焊后焊缝/硬质合金界面的扫描电镜微观组织，可以看出，与A1试样相比，A2试样焊接后沿焊缝/硬质合金的界面处没有大块脆性η相生成，硬质合金中的WC扩散距离较远，避免了焊接接头力学性能的降低。焊缝组织主要由灰色基体相γ-(Fe,Ni)构成，共晶碳化物Fe3W3C-Fe4W2C 呈弥散均匀分布，与A1试样相比可明显看出A2试样中的硬质合金焊接时熔化较多，与焊缝相互融合。

通过对比A1和A2试样可发现，两试样虽然均没有宏观缺陷，但显微组织却有很大差异。与A2试样相比，A1试样的梯度硬质合金垂直烧制，焊接时只在45钢一侧开45°坡口，这种方法在焊接时容易在焊缝底部界面形成η相，这是由于硬质合金母材比45钢熔点高难熔，焊接初期电弧较难向底部硬质合金母材倾斜，而使钢侧熔化过多，导致熔敷金属中Fe含量升高，难以抑制η相的生成。倾斜烧结带60°倾角的梯度硬质合金，焊接时钢侧母材对填充金属的稀释率得到控制，抑制了η相的生成，保证了接头质量。

图2 硬质合金/焊缝界面SEM照片

2.2 弯曲试验分析

对A1和A2试样进行四点弯曲试验，两种试样弯曲试验结果见表2。

表2 试样弯曲试验数据

从表2可以看出，A1试样承受的最大抗弯强度为0.76 GPa，平均抗弯强度0.74 GPa，断裂位置在硬质合金与焊缝的界面处。A2试样承受的最大抗弯强度为1.41 GPa，平均抗弯强度1.29 GPa。与A1试样相比，承受的应力值有大幅度的提高，且A2试样的断裂位置在硬质合金母材处。A1试样断裂在硬质合金母材/焊缝界面处，说明界面生成的脆性η相导致接头强度不足，易在η相内部形成裂纹并扩展导致断裂。A2试样断裂位置在硬质合金母材处，说明界面不生成η相的接头焊缝强度高，接近或高于硬质合金母材强度，使得在硬质合金母材处发生脆断，这种接头才是满足实际生产需要的接头。

2.3 断口分析

利用扫描电镜对弯曲试验后的断口进行SEM观察分析。对比A1和A2试样的断口形貌和微观组织，可以看出断口呈两类不同的类型。

A1试样经过弯曲试验后，断裂面形貌如图3a所示。高倍下观察断口可以看见断面上存在着比WC晶粒尺寸大的剥落坑，结合图2b，判断此处是大块的脆性η相，η相周围布满大量的二次裂纹，这是由于η相作为一种脆硬相会成为裂纹萌生的位置，在应力集中的情况下这些裂纹极易发生扩展，发生断裂。而焊缝中的γ-(Fe,C) 韧性较好，所以断面处也存在韧窝。

图3b为A2试样的断口，断口形貌整体比较平整，该试样的断裂位置在硬质合金母材处，图中可以清晰的看到断口位置都是硬质合金晶粒剥落坑，棱角分明，呈冰糖状，还有一些细小的韧窝，是粘结相在应力作用下产生塑性变形，扩展后断裂产生的。

图3 断口微观形貌

3 结论

(1)YG8/YG15/YG20/WC-5Co-25Ni四层结构梯度合金可以实现缓解焊接应力的目的，与45钢TIG焊可以获得硬质合金侧无开裂接头。

(2)垂直堆叠烧制的梯度合金焊接时仅能在45钢侧开45°坡口，导致钢侧母材熔化过多，易在焊缝底部界面位置形成η碳化物层，60°倾角倾斜堆叠烧制的梯度合金焊接时相当于双侧30°坡口，45钢侧母材对填充金属的稀释率得到控制，界面位置不再形成有害碳化物层。

(3)由于η碳化物层的存在，垂直堆叠梯度合金的焊接接头弯曲时断于焊缝与梯度合金的界面处，抗弯强度仅为0.74 GPa，倾斜堆叠梯度合金的焊接接头的抗弯强度提高到1.29 GPa，断裂位置为梯度合金处。