（材料科学与工程专业论文）基于cu基微晶钎料的硬质合金钢钎焊试验研究.pdf

中文摘要 论文题目：基于c u 基微晶钎料的硬质合金钢钎焊试验研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：梁存琨签名：幽一) 指导教师：翟秋亚副教授 签名：敞勉 1 一 摘要 本文应用铜基微晶钎料箔分别对y g 6 0 c r l 8 n i 9 n b 、y g 6 2 5 c r 3 m o a 进行了高频钎焊 和真空钎焊试验研究。分析了钎接接头的组织形貌、钎缝的物相组成及主要合金元素在接 头中的分布特征；测试了接头的剪切强度；建立了钎料母材原子扩散模型，研究了钎焊 过程熔融钎料与母材之间合金元素原子的扩散行为。进一步对比分析了两种钎焊工艺及接 头性能特点。研究结果表明： 应用c u 基微晶钎料可以取代价格昂贵的a g 基钎料，实现硬质合金与钢的扩散钎接。 c u 基微晶钎料在母材上的润湿性和铺展性良好，形成的钎缝饱满致密，接头钎着率高。 0 c r l 8 n i 9 删c h 7 s n y g 6 接头无气孔、夹渣等缺陷，钎缝组织均匀，无脆性化合物相产 生。0 c r l 8 n i 9 1 3 5 s n y g 6 接头亦无气孔、夹渣缺陷，但由于c u 1 3 5 s n 钎料中 含s n 量较高，钎缝组织较为复杂，钎缝中除了a c u 固溶体相之外，还存在着少量的c u 3 s n 相、c u 9 n i s n 3 相，以及极少量的n i l 7 s m 相。2 5 c r 3 m o a c u s n n i y g 6 接头钎缝区域过渡圆 润，表观质量良好，钎缝组织由主体相a c u 相和少量的c u 3 s n 相、c u 9 n i s n 3 相及( f c ) 相组 成。真空钎焊中c u 原子由钎缝向母材的扩散深度达2 靴m 。应用c u 基微晶钎料真空钎焊 2 5 c r 3 m o a 与y g 6 所获得的接头剪切强度较高，达1 6 9 m p a 。与感应钎焊相比，真空钎焊 更易获得钎料与母材之间合金化程度理想、钎缝组织良好的接头。 关键词：微晶钎料；真空钎焊；高频感应钎焊；接头组织与性能 本文课题研究得到陕西省自然科学基金( 2 0 0 6 e 1 2 0 ) 和西安理工大学校科学研究计划 的资助。 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nb r a z l n go fc e m e n t e dc a r b i d et os t e e l u s i n gc u - b a s e dm i c r o c r y s t a l l i n eb r a z i n ga l l o yf o i l s m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ， n a m e ：c u n k u nl i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f q i u y az h n a b s t r a c t s i g n a t u r e ：幺k 必 s i g n a t u r e ：耻 i nt h i sp a p e r , h i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n go fy g 6t o0 c r l 8 n i 9 n ba n dv a c u u m b r a z i n go fy g 6t o2 5 c r 3 m o aw e r ec o n d u c t e db yu s i n gc u b a s e dm i c r o c r y s t a l l i n eb r a z i n g a l l o yf o i l s t h em i c r o s t r u c t u r eo fj o i n t ，p h a s ec o n s t i t u t i o no fb r a z i n gs e a ma n dd i s t r i b u t i o n so f m a i ne l e m e n t sw i t h i nt h ej o i n tw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h es h e a r i n gs t r e n g t ho fj o i n t sw a st e s t e d ai n t e r d i f f u s i o nm o d e lo fa t o m sb e t w e e nl i q u i db r a z i n ga l l o ya n dp a r e n tm e t a l sw a se s t a b l i s h e d a n da t o m sm u t u a ld i f f u s i o nw a sa n a l y s e dt h e o r e t i c a l l y m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb r a z i n g t e c h n i q u ea n dj o i n tp r o p e r t i e sw e r ec o m p a r e db e t w e e nt o wk i n d so fb r a z i n gt e c h n i q u e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i f f u s i o nb r a z i n go fc e m e n t e dc a r b i d et os t e e lc o u l db e r e a l i z e du s i n gc u b a s e dm i c r o e r y s t a l l i n eb r a z i n ga l l o y si n s t e a do fe x p e n s i v ea g b a s e db r a z i n g a l l o y s t h eb r a z i n ga l l o y sp e r f o r ma l le x c e l l e n tw e t t a b i l i t ya n ds p r e a d a b i l i t yi nb r a z i n gp r o c e s s ， t h u st h eb r a z i n gs e a m ss p r e a d e ds o u n d l ya n dt h ej o i n t sh a v eah i i g hw e l d e dr a t i o t h e r ei sn o p o r o s i t ya n di n c l u s i o ni n0 c r l 8 n i 9 n b c u 一7 s n y g 6j o i n t sa n dt h es e a mm i c r o s t m c t u r ew a s h o m o g e n e o u sw i t h o u tb r i t t l ei n t e r m e d i a t ep h a s ei ni t t h e r ei sa l s on op o r o s i t ya n di n c l u s i o ni n 0 c r l 8 n i 9 n b c u - 1 3 5 s n y g 6j o i n t ，b u tt h ep h a s ec o n s t i t u t i o ng e t sc o m p l e x ，w h i c hc o n s i s t s o faf e wo fc u 3 s np h a s e ，c u 9 n i s n 3p h a s ea n dn i l 7 s n 3p h a s ee x c e p tm a i np h a s ea c us o l i d s o l u t i o nd u et o t h e h i g h e r s nc o n t e n ti nc u - 1 3 5 s n b r a z i n ga l l o y t h e 2 5 c r 3 m o a c u s n n i y g 6j o i n th a sag o o da p p e a r a n c ew i t hs m o o t ht r a n s i t i o na r o u n dt h e b r a z i n gs e a m t h e m i c r o s t r u c t u r eo fj o i n tc o n s i s t sm a i n l yo fa - c up h a s e ，af e wo fc u 3 s np h a s e ， c u 9 n i s n 3p h a s ea n df i e ) p h a s e t h ed i f f u s i o nd e p t ho fc ua t o m sf r o mb r a z i n gs e a mt ob a s e m e t a lr e a c h e st o2 5 肛mi nv a c u u mb r a z i n gj o i n t t h es h e a r i n gs t r e n g t ho ft h ej o i n to b t a i n e db y v a c u u mb r a z i n gu s i n gc u - b a s e dm i c r o c r y s t a l l i n eb r a z i n ga l l o yi sh i g hu pt o1 6 9 m p a t h u s ，i t w a so b v i o u s l yt h a tv a c u u mb r a z i n gi sl i k e l yt oo b t a i nj o i n t sw i t hs o u n ds e a mm i c r o s t m c t u r e a n dw e l la l l o y i n ge x t e n tb e t w e e nb r a z i n ga l l o ya n db a s em e t a l sc o m p a r e dw i t hh i 【g h f r e q u e n c y a b s t r a c t i n d u c t i o nb r a z i n gm e t h o d k e yw o r d s ：m i c r o c r y s t a l l i n eb r a z i n ga l l o y ；v a c u u mb r a z i n g ；h i g h 一仃e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ； m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fj o i n t t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a a n x ip r o v i n c e ( 2 0 0 6 e 1 2 0 ) a n d x i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ys c i e n c es t u d yp l a n m 目 录 - j l - _ _ 一 刖声 硬质合金具有很高的硬度和耐磨性，被广泛用于刀具、采掘工具以及以耐磨作为主要 性能的各种零件。在我国，近年来航空、汽车、机械等行业作为国家支柱产业正在高速发 展，这些行业的发展，给硬质合金制品创造了广大的应用空间。显然，这块市场应是我国 硬质合金企业的必争之地，也应是我国硬质合金产业新的经济增长点。 由于制备硬质合金所需的钨和钴都是稀缺材料，价格昂贵，因此硬质合金制品一般以 硬质合金钢的焊接件形式应用于工程上。一般硬质合金零件的尺寸都比较小，必须固定 在一个较大和较厚的支承材料上，作为一种镶嵌件而存在。钎焊是把硬质合金固定到钢或 其它金属上最成功的方法，也是最常用的方法。钎焊技术具有工艺简单、连接强度高、结 果重复性好、接头尺寸及形状适应性广、相对成本较低、适合规模化生产等一系列优点， 其作为成熟的硬质合金连接方法在实际生产中得到了广泛的应用。 常用的硬质合金钎焊方法有氧乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊和真空炉中钎焊。在钎 焊技术中，钎料是决定钎焊接头质量的关键因素。通常情况下，工程上钎焊硬质合金和 钢主要使用常规晶态钎料。 2 0 世纪7 0 年代，一种与常规晶态钎料相比成分组织更均匀、润湿性和铺展性更好、 物理性能和力学性能更优良的c u 基微晶钎料问世，该种钎料在航空航天、汽车和民用等 工业领域的硬质合金工件生产上有着极大的应用潜力。然而，目前关于应用c u 基微晶钎 料对硬质合金和钢进行钎焊的研究并不多见，在其钎焊工艺及钎焊效果方面还未形成系 统的研究成果。因此，研究c u 基微晶钎料在硬质合金钢钎焊上的应用具有重要的工程 价值。 笪量查 一。_ _ ，一一 p感应电动势o r ) 层磁场强度( d ， 导体长度( 删n ) t 时间( r a i n , s ) 磁导率 电流频率( 蚴 痧 直径( r a m ) 口 角度( 。) r 温度( k ) u 电压o r ) ， 电极压力( n ) f 剪切强度( m p a ) g 溶解量( 酚 p 密度( g ，m m 3 ) 符号表 l i s to fs y m b o l s c极限溶解度( 训：哟 y体积( 姗3 ) s 面积( 珈吼2 ) 口 溶解系数( r a m s ) 6 厚度( r a m ) c 浓度 距离( m m ) 扩散系数( m m 2 s ) 频率因子( m m 2 s ) 扩散激活能0 0 m 0 1 ) 气体常数( j m o l k ) 互扩散系数( n i m 2 s ) 百分含量( 州) 工 d q 足 _ d x 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知。除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：塑幽珈辑岁_ ，2 7 1 日 学位论文使用授权声明 本人差2 坌丝在导师的指导下创作完成毕业论文。，本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：弛墨如导师签名：程丞垒删年? 月，尹日 第一章研究背景和意义 1 研究背景和意义 1 1 引言 由于硬质合金熔点高、硬度高，其热导率和热膨胀系数与普通钢相比相差较大，加 上熔化焊时易发生硬质合金中w c 的烧蚀熔化及形成危害焊接质量的，7 相( f c 3 w 3 c ) ，所以 实际生产中，一般不采取熔化焊的方法生产硬质合金焊接件。钎焊是把硬质合金固定到 钢或其它金属上最成功的方法，也是最常用的方法n 制。钎焊技术具有对母材影响小、工 艺简单、连接强度高、结果重复性好、接头尺寸及形状适应性广、相对成本较低、适合 规模化生产等一系列优点，其作为成熟的硬质合金连接方法在实际生产中得到了广泛的 应用1 2 6 1 4 1 。 常用的钎焊硬质合金的方法有氧乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊和真空炉中钎焊。在 钎焊技术中，钎料是决定钎焊接头质量的关键因素。钎焊时钎料对母材的润湿、铺展和 流动过程对钎焊质量具有极其重要的作用。钎料不润湿母材，就无法实现钎焊；钎料不 在母材上铺展、流动和填缝，就不可能获得良好的钎焊接头 i i 1 8 1 。 目前，工程上常用n i 8 2 粉状钎料( 粘结剂为三氯乙烯) 和c u 3 片状钎料( 厚0 2 m m ) 真 空钎焊硬质合金和结构钢。由于n i 基钎料润湿性能较差，易导致钎缝的连续性和均匀性 恶化；液态纯c u 的流动性虽好，但易发生漫流而使硬质合金产生漂移，接头错位不可避 免。再加上残余应力的存在，接头易产生翘曲变形，严重时还发生开裂 1 9 , 2 0 1 。随着市场 竞争日趋激烈，工程上对硬质合金钢焊接件接头结合强度的要求也越来越高了。可见， 研发一种与母材润湿性能好、钎焊温度低、结合强度较高、适于硬质合金钢钎焊用的钎 料，具有重要的现实意义。 应用快速凝固技术制备的c u 基微晶钎料，其成分组织均匀，纯净度高，使用方便， 浸润性和流动性好，物理性能和力学性能优良，可显著地提高钎焊接头质量。由于c u 基 微晶钎料具有以上突出的优点，其在航空航天、汽车和民用等工业领域有着极大的应用潜 力 2 1 - 2 6 1 0 因此，探讨c u 基微晶钎料在钎焊硬质合金钢上的应用，无论是在工业生产上 还是在理论研究上，都具有十分重要的现实意义。 1 2 硬质合金的焊接性 硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末与粘结剂混合，用粉末冶金法制得 的合金工程材料。常用的金属碳化物是w c 、t i c 以及t a c 、n b c 和v c 等，它们能使合 金具有高的硬度和高的耐磨性。粘结剂主要是金属钴或金属镍等，它们能保证合金具有 一定的强度和韧性。由于硬质合金具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、抗 氧化和膨胀系数小等一系列优点，因此在工业中被广泛用于刀具、采掘工具以及以耐磨 作为主要性能的各种零件| 1 2 7 1 。 国产的硬质合金分为y t 和y g 两大类( y 是冶金工业部标准；g 和t 是硬质合金分 西安理工大学硕士学位论文 类代号，g 和t 后面的数字表示c o 或t i c 的含量百分比) 。1 盯类主要成分为t i c ，w c ， c o ，多用于制造切削钢材的刀具；y g 类主要成分是w c 和c o ，多用于制造切削铸铁件、 淬火钢、不锈钢等的刀具，以及用于制造各种硬质合金量具、模具、地质采矿和石油钻 井的采掘工具等。其中，y g 类硬质合金碳化物颗粒较粗，耐磨性好，强度高，因此常用 于制造各种磨擦磨损件 1 , 2 7 j 。 1 2 1 硬质合金的特点 硬质合金的力学性能和物理性能与化学成分之间有以下的变化规律 l 1 2 , l g , 2 7 ： ( 1 ) 硬度硬质合金的硬度一般在h r a 8 6 - - 0 3 之间，并随着硬质合金中钴量的增加而 降低。在y t 类硬质合金中，硬度随碳化钛量的增加而提高。硬质合金的红硬性比较好， 只有当使用温度高于5 0 0 时，硬度才开始降低。但是在1 0 0 0 - - - 1 1 0 0 的高温下，硬度仍 可高达瑚之a 7 3 7 6 。 ( 2 ) 抗弯强度常温时硬质合金的抗弯强度在9 0 - - 1 5 0 m p a 之间，并且含钴量越高抗 弯强度越高。 ( 3 ) 冲击韧性硬质合金的脆性很高，且几乎与温度无关。在高温时，钢的冲击韧性 比硬质合金大数百倍。在镶焊硬质合金工具时，不允许对硬质合金刀片做冲击性的压紧。 硬质合金的冲击韧性与合金中含钴量有关。含钴量越高，冲击韧性也越高。 ( 4 ) 热导率钨钴合金的热导率为0 5 8 0 8 8 j c m s ，比高速钢约高1 倍，而钨钴 钛合金的热导率仅为0 1 7 加2 1 j e r a s ，比高速钢低。硬质合金的热导率随钴含量增加 而增加，而钨钻钛合金的热导率随碳化钛的含量增加而降低。 ( 5 ) 线膨胀系数硬质合金的线膨胀系数低于高速钢、碳素钢和铜的线膨胀系数。钨 钴合金的线膨胀系数比较小，并且随含钴量增加而增加；钨钻钛合金的线膨胀系数比钨钴 合金高，且随碳化钛增加而略增。 y t 类合金与y g 类合金相比有更高的硬度、热硬性、抗氧化性、抗腐蚀性，但在抗 弯强度、抗压强度和热导率方面，y g 类则更好些。在硬质合金中加入t a c 对强度影响不 太显著，但明显提高了合金的热硬性，在9 0 0 1 0 0 0 时超过y t 类合金。 一些常用硬质合金的性能特点与用途可见表1 1 。 1 2 2 硬质合金的焊接性分析 硬质合金含有较高含量的碳化物和合金元素，虽然可以进行焊接加工，但焊接时容 易出现淬硬组织和裂纹。必须采取有效的工艺措施，才能获得满意的焊接接头。目前生 产中硬质合金与钢焊接的焊接方法有氧乙炔火焰钎焊、真空钎焊、电弧焊、惰性气体保 护焊、摩擦焊、等离子弧焊、真空扩散焊和电子束焊等。作为新型材料的硬质合金同工 具钢、结构钢等材料相比较，各项物理、力学等性能相差较大，因此硬质合金与异质材 料间的焊接难度较大，故分析硬质合金的焊接性就显得十分必要。 硬质合金与钢焊接时有如下的特点： 2 第一章研究背景和意义 表1 - 1 常用硬质合金的性能特点与用途1 t a b 1 - 1p e r f o r m a n c e sa n da p p l i c a t i o n s o f c o m m o nc e m e n t e dc a r b i d e s ( 1 ) 线膨胀系数与钎焊裂纹的关系硬质合金的线膨胀系数( 4 1 7 o x l 0 6 m m o ) 与普 通钢的线膨胀系数( 1 2 xl o 6 m m ) 相比差别很大，硬质合金只有钢的1 3 一l 2 左右。加热 时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多。此时焊缝处于受压 应力状态，而在硬质合金表面上则承受拉应力。如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时， 硬质合金的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 1 8 , 2 7 1 。 ( 2 ) 硬度与裂纹敏感性的关系硬质合金的硬度与耐磨性和焊接裂纹敏感性成正比， 硬质合金的硬度越高，钎焊时产生裂纹的可能性越大。而且，一般精加工或超精加工所用 的硬质合金，在钎焊时容易发生裂纹。 ( 3 ) 焊接残余应力的影响焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接后硬质 合金工件上不一定能马上发现裂纹，但在随后的刃磨、保管或使用过程中却容易产生裂纹， 造成工具报废。当硬质合金的钎焊面积越大时，产生的焊接残余应力越大，发生裂纹的可 能性也越大“l1 4 2 7 。在焊接硬质合金工具时，必须使焊接残余应力尽量减小。焊接时必须 采取措施减小钎焊应力，可采取降低钎焊温度、钎焊前预热及钎焊后缓冷、选用塑性好的 钎料、加补偿垫片、改进接头的结构等措施。钎焊大面积硬质合金时，无论强度高低，均 西安理工大学硕士学位论文 应采取特殊措施，以减小焊接应力和防止裂纹的产生( 1 8 , 2 7 1 。 ( 4 ) 氧化问题硬质合金在空气中加热到8 0 0 以上时，硬质合金的表面开始氧化， 生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。当加热到9 5 0 - - 1 1 0 0 时，表面层会发生急 剧的氧化，形成的氧化膜使硬质合金变脆，降低力学性能。表面氧化层的存在，也降低了 焊缝的强度、硬度。在焊接时采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象，是提高焊 接质量的重要措施 1 5 1 0 , 2 7 | 。 ( 5 ) r ( f e 3 w 3 c ) 拘形成及危害焊接时，由于硬质合金与普通钢材的c 含量相差较大 而在焊缝两侧产生c 的化学位的差异，使w c 贫c ，同时焊缝和普通钢中的大量f e 元素 扩散到界面处，使f e 元素的质量浓度达到很高的值，这样f e 元素容易进入贫c 的w c ， 从而使w c 从外部到心部发生向，7 相的转变。另一方面，在硬质合金侧的近熔合线处， 由于硬质合金中的c o 熔点较低而熔化，加上焊接过程的搅拌作用，使已转化的与未转化 完全的w c 开始聚集，从而在硬质合金侧近熔合线处形成了大块的r 相。大块叩相存在于 焊缝是焊接强度降低的原因 2 7 1 。 ( 6 ) 合金元素的影响对于w c c o 合金，随着粘结剂( c o ) 含量越低，合金的线膨胀 系数越小，抗弯强度和韧性越低，焊接时产生裂纹的可能性越大；对于含碳化物( n c ) 的 硬质合金，随着t i c 含量越高，合金的导热系数越小，抗弯强度和韧性越低，焊接时产 生裂纹的可能性越大( 2 8 - 3 2 。低钴和高钛的硬质合金在焊接时产生裂纹的可能性最大。 ( 7 ) 其他因素的影响焊接工艺对硬质合金刀具焊接质量的影响很大。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的影响。例如，用熔化焊的方法焊接硬质合金钢，较易发生硬质 合金中w c 的烧蚀熔化，造成基体金属含碳量的急剧增加，形成含碳量高的白口铸铁， 脆性增大，无法满足基体金属承受冲击载荷的要求，并且造成硬质合金的大量浪费，增 加生产成本。又如在钎焊硬质合金与钢时，若加热速度太快，不能使硬质合金和刀体得 到充分的预热而急速进入高温阶段，由于钢的导热系数比硬质合金大得多，容易使刀体 与刀片、刀片表面与内部的温差太大，致使焊接应力过大而产生焊接裂纹n 瓦埔3 1 。 1 。3 硬质合金的焊接方法 材料的焊接方法通常有熔化焊、半熔化焊和固态焊接。硬质合金因其在熔化焊中容易 发生w c 烧蚀熔化的特点而几乎不能采用熔化焊接，而固态焊方法又无法实现这类材料 的焊接，因此通常用半熔化焊方法进行焊接。钎焊与熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化， 采用比母材熔化温度低的钎料，加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连 接方法。当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展， 并与母材相互熔解和扩散实现零件问的连接。钎焊与其它焊接方法相比，对母材影响小， 不会出现热影响区 1 8 , 3 7 1 0 根据1 2 2 中分析的硬质合金的焊接性，钎焊是实现硬质合金与 钢连接最有效、最理想的方法。 4 第一章研究背景和意义 1 3 1 硬质合金常用钎焊方法 根据钎焊所用热源及介质的不同，钎焊可分为火焰钎焊、电阻钎焊、感应钎焊、真空 钎焊、盐浴钎焊等。硬质合金的常用钎焊方法主要有氧一乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊和 真空钎焊。 a 氧乙炔火焰钎焊 氧一乙炔火焰钎焊是指利用氧一乙炔气体的火焰作为热源，实现金属材料间钎焊连接 的方法，是生产硬质合金刀具最常用的钎焊方法之一。硬质合金钎焊可用一般的氧一乙炔 设备，不需要增加其他的专用设备。根据氧一乙炔火焰的特点，采用合理的加热方式和选 用正确的工艺，能焊出优质的硬质合金工具。钎焊操作工艺如下乜”： ( 1 ) 焊前先将基体金属与钎剂、钎料及硬质合金依次安放好。 ( 2 ) 用还原性火焰对近硬质合金底部的基体金属进行预热。当7 0 0 - 8 0 0 钎剂开始熔 化时，再从上面加热硬质合金片及周围的焊缝，直到钎料熔化并沿侧面焊缝渗至表面。 ( 3 ) 抬高火焰，焰尾继续沿焊缝四周加热，同时用金属棒拨动刀片沿刀槽往复移动2 3 次，调整并压紧刀片，把多余的钎料及熔渣排出。 排渣后，停止加热并用加压棒在硬质合金顶面的中心部分加压，停留2 3 s ，待钎 料凝固后，即可送入保温箱或保温介质中保温2 3 h ，使之缓慢冷却。 ( 5 ) 回火处理：熟处理规范为3 0 0 6 h ，随炉冷却。 氢一乙炔火焰钎焊适用于批量比较小的d e d , 型硬质合金刀具、模具和量具焊接，也适 于野外修复损坏的硬质合金采掘工具。 b 高频感应钎焊 感应钎焊是利用交变磁场、电场感应现象，场中的工件上的涡流效应对工件进行加热， 使钎料熔化，液态钎料在毛细作用下填充间隙从而实现钎焊的一种方法。高频感应钎焊加 热速度快，易于实现局部加热，可实现热量的集中，温度易控制，易于实现自动化，而这 些特点也使感应加热更符合目前社会市场的快速、敏捷、低成本的市场要求“瓦训。 ( 1 ) 高频感应加热基本原理 当线圈中的电流是交流电时，在线圈内部和其周围就产生了交变磁场。在感应加热时， 置于感应线圈中的零件就被这个交变磁场的磁力线所切割。根据电磁理论，变化的磁场就 产生感应电动势，用法拉第电磁感应定律( 式1 1 ) 表示u 钉： p = 4 e d l = - d e d t ( 1 1 ) 式中：e 为感应电动势，e 为磁场强度，为导体长度，f 为变化时间。 由于感应电动势的存在，工件表面和内部就会产生感应电流，从而工件中就会产生电 阻热。工件实行感应加热主要就是依靠这种热量，使钎料发生熔化从而实现钎焊。 ( 2 ) 高频感应加热特点 表面效应( 集肤效应) ：当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，但 西安理工大学硕士学位论文 是当交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，当电流频率 相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面，这种现象称为高频电流 的表面效应。涡流是由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指 数曲线衰减的，因此，涡流的最大值集中在工件的表面，这也是表面效应。涡流的理论透 入深度为( 式1 2 ) n 钉： 万= 去尻 m2 ， 式中：6 为透入深度，p 为材料电阻率，为导磁率，为电流频率。 邻近效应：两邻近的导体，例如感应线圈与被感应加热的零件，在有电流通过的情况 下，由于电流磁场的相互作用，导体上的电流将重新分布，这种现象被称之为“邻近效应”。 圆环效应：圆环形导体通入高频( 或中频) 交流电时所产生的磁场在环内集中，环外分 散，环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体本身，这样就使环形导体外侧的 磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电 流透入深度中流过，这种现象称为高频电的环形效应 1 5 , 3 8 | 。 ( 3 ) 高频感应钎焊主要参数及工艺要点 利用高频电源，产生高频电流，当高频电流穿过感应器时产生高频交变磁场，在感应 器中的被焊金属中产生感应电流，高频加热速度很快，可以在很短时间内加热到很高的温 度，使焊料熔化。感应器用直径5 o m m 的紫铜管绕制而成。感应器的几何形状和尺寸 选择是决定高频感应钎焊的加热速度、温度均匀性、生产效率及钎焊质量的重要因素 1 6 1 。 在焊接前，应根据焊接工具的大小调节高频设备的输出功率，使工件加热速度适中， 温度均匀。功率过大易使工件局部过热和钎料熔化不完全，易使硬质合金产生裂纹；应 对工件进行保温缓冷，以减小应力。一些基体需要淬硬的工件，可在加热钎焊的同 时进行淬火处理。 应用高频感应设备进行高频焊，要制定合理的焊接工艺和参数。首先，焊接线圈和 焊接夹具的设计是一个重要环节。其次，根据高频炉的特点及钎焊要求选择合适的焊接电 流、加热时间和保温时间。电流过大易使钎料迅速熔化和冷速过快，损害母材组织，导致 接头晶粒粗大，焊接质量低：电流过小则不能使钎料熔化，或加热时间过长而使效率变低， 焊缝易生成脆性组织。保温时间合适有利于防止母材冷速过快而使组织晶粒长大，有利于 接头的力学性能。 c 真空钎焊 ( 1 ) 真空钎焊基本原理 真空钎焊是指在真空保护气氛下，将温度升至钎料熔化温度，利用液相钎料的凝固以 及和母材之间的扩散来实现金属间的连接。真空钎焊是在真空气氛中不用施加钎剂而连接 零件的一种先进工艺方法，可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构，而得到光洁 致密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头。目前，这种工艺不仅在航空、航天、 6 第一章研究背景和意义 原子能、电气仪表等尖端工业中成为必不可少的生产手段，而且在石油、化工、汽车、工 具等有关机械制造领域中得到了推广和普及“毛1 6 , 3 9 1 。 ( 2 ) 真空钎焊特点 真空钎焊与其它钎焊方法相比，具有一系列的优点n ： 1 ) 在全部钎焊过程中，被钎焊零件处于真空条件下，不会出现氧化、增碳、脱碳及污 染变质等现象。 2 ) 钎焊时，零件整体受热均匀，热应力小，可将变形量控制到最小限度，特别适宜于 精密产品的钎焊。 3 ) 基体金属和钎料周围存在的低压，能够排除金属在钎焊温度下释放出来的挥发性气 体和杂质，可使基体金属的性能得到改善。 4 ) 因不用钎剂，所以不会出现气孔、夹杂等缺陷，可以省掉钎焊后清洗残余钎剂的工 序，节省时间，改善了劳动条件，对环境无污染。 5 ) 可将零件热处理工序在钎焊过程中同时完成；选择适当的钎焊工艺参数，还可将钎 焊安排为最终工序，而得到性能符合设计要求的钎焊接头。 6 ) 可一次钎焊多道邻近的钎缝，或同炉钎焊多个组件，钎焊效率高。 移) 可钎焊的基体金属种类多，特别适宜钎焊铝及铝合金、钛及钛合金、不锈钢、高温 合金筹。也适宜于钛、锆、铌、钼、钨、钽等同种或异种金属的钎焊。对于复合材料、陶 瓷、石墨、玻璃、金刚石等材料也适用。 8 ) 开阔了产品设计途径，对带有狭窄沟槽、极小过渡台、盲孔的部件的封闭容器、形 状复杂的零组件均可采用，无需考虑由钎剂等引起的腐蚀、清洗、破坏等问题。 此外，真空钎焊虽然存在上述许多优点，但也不可避免地存在一些缺点。真空钎焊与 其他高纯钎焊气氛相比的缺点有1 1 5 - 1 7 ： 1 ) 低的压力存在于基体金属和钎料的周围，在高温下，去除了挥发性的杂质和从金属 中来的气体。这是一个缺点，因为在钎焊温度下钎料的元素或基体金属会因为周围低的压 力而挥发。这种趋势能通过合适的真空钎焊工艺、建立局部惰性气体压力来纠正，许多真 空钎焊炉可以在局部惰性气体压力下操作。 2 ) 由于在真空中挥发的金属蒸气将污染真空和抽真空系统，因此真空炉中钎焊不宜使 用含高蒸气压元素( 如锌、镉、锂、锰、镁和磷等) 较多的钎料( 特殊情况例外) ，也不适于 钎焊含这些元素多的合金。 真空炉中钎焊的优点是焊件不受钎剂残渣的有害影响，钎焊质量高，可以方便地钎焊 那些用其他方法难以钎焊的金属和合金。但由于在钎焊前预抽真空以及在冷却时需花费大 量时间，在真空中的热量传递比较困难，故钎焊生产周期长。此外，真空钎焊设比较复杂， 要求较多的投资；对工作环境和工人技术水平也要求较高。 ( 3 ) 真空钎焊操作工艺要点 硬质合金钎焊前的表面制备对钎缝成形及强度影响较大，进行真空钎焊的硬质合金表 7 西安j e y - 大学硕士学位论文 面一般要进行磨加工，使待钎焊表面与钢件能够良好贴合。装配前要认真清洗待钎焊表面 油污。为改善y t 类硬质合金的润湿性，可在表面镀镍或铜；如有必要也可采用真空溅射 涂层来改善表面润湿性能。 硬质合金钎焊前装配定位，一般靠自重或钢件上的定位凸台、凹槽等；选用夹具定位， 要求夹具材料热膨胀系数小，在高温具有一定强度。由于硬质合金密度大，使用夹具的夹 紧力一定要适当，夹紧力太大，夹具在钎焊温度下容易变形，夹紧力太小起不到定位作用。 夹具与零件接触的表面一定要涂阻钎剂，防止夹具与零件在钎焊温度下粘附到一起，因此 硬质合金钎焊时应尽量避免使用夹具。 如果硬质合金体积太大，且与基体材料的热膨胀系数相差甚远时，应在钎缝中间夹置 过渡金属，吸收应力。过渡金属材料的热膨胀系数最好是介于二者之间。常用的过渡金属 有纯铜、康铜、蒙乃尔合金等；如果选用铜基钎料时，过渡金属可用镍板或q 2 3 5 钢板。 为了保证在钎焊加热过程中，硬质合金及基体金属不被氧化，冷态真空度应不低于 5 x l o a p a 。在这种真空条件下，使用铜基钎料时，随着温度超过1 0 0 0 钎料中的铜元素会 发生显著挥发，使钎料组分改变，污染炉壁，严重时能导致钎焊接头填不满。为了解决这 种矛盾，最好的办法是在加热到钎料固相线温度之前，给真空炉中充填高纯氮气或氩气， 这样既能防止铜的挥发，又能保护零件不被氧化n 钉。 硬质合金比热容小，导热性差，尤其在钎焊大块硬质合金时，要控制加热速率，一般 不超过l o c m i n ，保证热量来得及传递和因膨胀不均匀产生的热应力来得及释放m j 氐1 7 1 。 在钎焊温度下的停留时间，应能使钎缝内外温度基本一致，钎缝的合金化作用充分， 以获得高强度的接头。 钎后控制冷却速率是避免钎缝或硬质合金形成裂纹的主要措施。通常是根据硬质合金 的种类及质量大小来合理选定冷却速率tt 2 , 1 6 1 。 1 3 2 硬质合金钎焊用材料 a 钎料 。钎焊硬质合金用钎料的主要要求嘲1 ： ( 1 ) 钎料应对被钎焊硬质合金和钢基体有良好的润湿能力，保证钎焊具有良好的流动 性与渗透性，能在母材表面润湿铺展并填满钎缝间隙。应将钎料的液相线看作钎焊时可采 用的最低温度，钎焊接头整个截面必须加热到液相线温度或更高的温度。 ( 2 ) 钎料的熔点要尽可能地低，以减小钎焊应力，防止发生裂纹，且钎料的熔点要比 熔点低一侧母材的熔点至少低几十度。否则，钎料熔点与母材熔点过分接近将使钎焊过程 不易控制，会导致母材晶粒过于粗大甚至局部熔化。但钎料的熔点要高于焊缝工作温度， 以保证工件的正常工作7 ( 3 ) 钎料能与钢和硬质合金发生扩散相互作用，并形成牢固的冶金结合。钎料与母材 界面适当的相互作用可以使钎料发生合金化反应，提高钎焊接头的力学性能。 8 第一章研究背景和意义 ( 4 ) 所得到的钢与硬质合金钎焊接头应能满足使用要求，如力学性能等方面的要求。 硬质合金的使用特点之一是有较高的红硬性，所以要保证钎焊焊缝在常温和高温下有足够 高的强度。 ( 5 ) 钎料中应具有稳定和均匀的成分，在钎焊过程中应尽量避免出现偏析现象，并且 钎料中不应含有低蒸发点的元素，以免在钎焊加热时因钎料中的元素蒸发而影响接头质量 或有害于人体健康。还应考虑钎料的经济性，在满足工艺性能和使用性能的前提下，尽量 少用或不用稀有金属和贵金属，降低生产成本。 钎焊硬质合金用钎料及其分类： 硬质合金与钢的钎焊通常用铜基或银基钎料，常用的钎料有b c u 6 2 z n 、b c u 6 0 z n m n 、 8 0 1 、b c u 4 7 z n m n n i c o ( 8 4 1 ) 、b a 9 4 5 c u z n ( h l 3 0 3 ) 、b a 9 5 0 z n c u c d n i ( h l 3 1 5 ) 等 1 8 , 2 7 。 硬质合金与钢钎焊的钎料根据熔点和钎焊温度分为高温钎料、中温钎料、低温钎料三 大类： 钎焊温度在1 0 0 0 以上的钎料称为高温钎料，如紫铜和1 0 6 钎料等； 钎焊温度在8 5 0 - 1 0 0 0 之间的钎料称为中温钎料，如h 6 2 、h 6 8 黄铜钎料等； 钎焊温度在6 5 0 - , 8 5 0 c 之间的钎料称为低温钎料，如b - a g 一1 和l - a g - 4 9 等含银钎料。 颓质合金与钢钎焊常用钎料的成分、熔点及使用范围见表1 - 2 。 b 钎：剂 为了使母材钎焊表面的氧化物还原，钎料能很好润湿被钎材料表面，在钎焊过 程中 往往使用钎剂。一般要求钎剂的熔点低于钎料熔点1 0 0 以上，且流动性好和 黏度较低，以利于钎焊过程的顺利进行。 硼砂是钎焊硬质合金时最常用的钎剂。 工业硼砂( 生硼砂f n a 2 8 4 0 1 0 h 2 0 ) ) 在使用前应先进行脱水处理，因为在钎焊加热过 程中会产生大量泡沫，使操作困难，且影响焊缝质量，最好不采用。 脱水硼砂( n a 2 8 4 0 ) 可用于钎焊各种牌号的硬质合金，钎焊温度8 5 0 1 1 5 0 ，适合 作为紫铜、黄铜、银钎料等的钎焊熔剂，但不适于熔点低于8 0 0 的钎料的钎焊。脱 水硼砂存放时必须注意防潮，若受潮应烘干后再使用2 。 8 5 - - , 9 0 n a 2 8 4 0 + 1 0 一15 k f 的混合熔剂，主要用于y t 6 0 ，y t 3 0 等牌号。氟 化钾有毒，钎焊时强力通风“ 。 焊前，可将钎剂预先调制成糊状( 糊状熔剂是将配制好的钎剂加少量酒精、松香油、 凡士林油等调成糊状) ，涂抹在待焊的工件表面。使用低温银钎料时，也可用水将钎剂 调成糊状使用，糊状钎剂应现配现用。 1 3 3 硬质合金钎焊工艺 a 焊前准备 ( 1 ) 焊前应先检查硬质合金是否有裂纹、弯曲或凹凸不平等缺陷。钎焊面必须平整， 9 西安理工大学硕士学位论文 表1 2 硬质合金与钢钎焊用钎料的成分、熔点及使用范围防1 t a b 1 - 2c o m p o n e n t , m e l t i n gp o i n ta n da p l i c a t i o n so fb r a z i n ga l l o y sf r e q u e n t l y u s e e di nb r a z i n go fc e m e n t e dc a r b i d e sa n ds t e e l s 钎料名称 化学成分熔点 使用范围 c uf cn j m ns ia iz ns n a g ， 如果是球形或矩形的硬质合金钎焊面也应符合一定的几何形状，保证合金与基体之间有良 好的接触，才能保证钎质量2 ”。 ( 2 ) 对硬质合金进行喷砂处理，没有喷砂设备的情况下，可用手拿住硬质合金，在旋 转着的绿色碳化硅砂轮上磨去钎焊面上的氧化层。如不去除硬质合金钎焊面上的