关于材料学的问题

关于材料学的问题关于材料学的问题 硬质合金刀具高频钎焊研究 导读 硬质合金具有极高的硬度和耐磨 性能 特别是在高温下仍能保持其高硬度 目前已广泛应用于制造 各种金属的切削刀具魏强 陕西理工学院 摘要硬质合金具有极高 的硬度和耐磨性能 特别是在高温下仍能保持其高硬度 目前已广 泛应用于制造各种金属的切削刀具 钎焊是将硬质合金牢固地连接到钢基体上的最成功的方法之一 但 硬质合金刀具的焊接技术是引起焊接裂纹的重要因素 本文介绍了硬质合金刀具的高频焊接工艺中减少裂纹产生 提高焊 接点性能的关键技术 关键词硬质合金刀具高频钎焊工艺TG4540引言20世纪后半期 工件 材料的机械性能不断提高 产品的品种和批量逐渐增多 加工精度 的要求日益提高 工件的结构和现状不断复杂化和多样化 硬质合 金刀具在应对这些挑战中发挥了重大作用 而且硬质合金本身也涌现出许多品种 性能不断提高 中国正逐渐成为世界制造业的中心 对硬质合金刀具的需求巨大 预计到xx年国内硬质合金刀具及其材料的年销售规模将迅速增加到3 00亿人民币以上 随着现代制造技术的发展 对金属切削刀具的性能要求越来越高 钎焊硬质合金刀具仍以其结构简单 紧凑 刚性好 使用灵活性较 大 适应性强等特性 被应用在精密加工 和其他各种金属 切削加工中 硬质合金刀具刀片与刀杆的钎焊常采用高频感应钎焊和火焰钎焊 其中高频焊接方法由于具有加热速度快 温度集中 零件变形小等 特点 成为硬质合金刀具焊接过程中常用的一种方法 但是 由于硬质合金较脆 韧性不足和可加工性较差 硬质合金刀 具的寿命及焊接裂纹问题一直是困扰大多数企业生产的一个重要问 题 本文就从材料 焊接 使用等几个方面对硬质合金刀具的制作及使 用进行分析 以图通过对焊接过程各环节的改进和工序细节控制 降低硬质合金刀具的焊接裂纹 提高刀具的使用寿命 1焊接设备和材料1 1高频钎焊设备感应钎焊靠感应加热提供热源 通过感应或工作线圈 而不是对工件直接通电 将电能用感应方法 传递到工件 并有选择地将待焊零件表面加热到钎焊温度的一种焊 接方法 焊接过程使用的设备由高频感应加热设备 高频感应钎焊机械装置 及水冷系统和控制系统组成 1 2硬质合金刀片常用的硬质合金有YT 5 YT 15 YT 30 YG3X YN等 物理性质以其线膨胀系数对焊接性影响较大 线膨胀系数为 4 2 7 10 6 硬质合金导热系数为0 08 0 21卡 厘米 秒 度 这些都是 引起焊接应力的重要原因 1 3刀体硬质合金刀具的常用刀体使用45 55 40Cr等材料 其线 膨胀系数范围为12 0 14 0 10 6 1 4钎料硬质合金钎焊选用的钎料为HL105焊料 因为HL105钎料具有较好的润湿性和较高的焊缝强度 同时HL105钎 料的高温塑性好 钎料形态多样 所以HL105 BCu58ZnMn 钎料是 硬质合金工具钎焊的最佳钎焊材料之一 钎料在使用前需要用酒精等擦净 1 5钎剂在钎焊时 如果没有钎剂配合 容易在钎缝结合处形成脆性 化合物 所以在钎焊时必须配合钎剂来进行 硬质合金刀具的高频感应钎焊工艺采用的钎剂化学成分为脱水硼砂 50 硼酸 35 和脱水氟化钾 15 2焊接工艺关键技术2 1焊前准备2 1 1检查硬质合金刀片上是否有油 污等异物存在 远离操作现场 用汽油 酒精或丙酮清洗 逐件检查刀片不得有肉眼可见裂纹 崩 刃等缺陷 2 1 2对刀体除检查刀槽的形状 尺寸与刀片是否相近外 刀槽处的 毛刺等必须彻底清理 2 2焊接2 2 1钎料 钎剂的涂放钎料上的钎剂应涂放均匀 焊料应 充满焊缝 2 2 2刀具与感应器的相对位置刀具与感应器相对位置的不合理 常 常会出现局部过热 从而引起刀片 刀口崩裂 所以必须控制刀具 与感应器的相对位置 刀具与感应器的各相对位置尺寸为3 5mm 2 2 3感应器感应器的形状应根据刀具的形状尽量使感应电流平行于 焊接平面流动 感应器中刀具的个数应控制为1 2个 2 2 4加热高频钎焊时 钎焊温度及加热速度是影响钎焊焊接质量的 主要工艺参数 过高的钎焊温度及过快的加热速度使刀具内部产生 很大的内应力 焊后易产生裂纹及崩裂现象 过低的钎焊温度影响到钎焊焊缝的强度 过慢的加热速度引起母材 晶粒长大 金属氧化等不良现象 钎焊时钎焊温度作为其主要工艺参数一般应高出钎料融化温度30 5 0 HL105钎料的液相线为909 钎焊温度在939 959 最为合适 这时钎料的流动性 渗透性最好 如加温过高 容易引起钎料中的锌蒸发与锰氧化 引起夹渣与接头 强度下降等问题 太低则影响钎料的铺展 2 2 5操作 将预焊件放入感应器中 应连续按动开关 使其缓慢加 热 当加热至940 左右的钎料像汗珠一样渗出时 应用紫铜加热 棒将硬质合金沿槽窝往返移动3 5次 以排除焊缝中的熔渣 熔渣不排除 则形成夹渣 影响焊接质量 采用紫铜棒进行操作的优点 在于它不粘熔剂 焊料和合金 而且 它不易感应 可在各种钎焊加热时使用 排渣完后 用拨杆将刀片放正 注意刀片与刀槽 2 3焊后保温焊后保温是硬质合金钎焊的一道重要工序 保温的好坏 直接影响到焊缝质量 对裂纹倾向较大的硬质合金刀具 YT类 禁止将刚焊好的刀具与 水及潮冷的地面接触 也不得用急风吹冷 一般应在石英砂 石棉粉或硅酸铝纤维箱中进行缓冷 刀具在保温 箱中应密集叠放 靠大量工件的热量来保温并缓慢冷却 有条件的可采用保温缓冷和低温回火同时进行的方法 即将焊好的 刀具立即送入保温箱 在250 300 保温5 6小时后随炉冷却 2 4清除焊缝附近的多余熔剂将焊后已冷却的工件放入沸水中煮30 45分钟 再进行喷砂处理 就可以彻底清除焊缝处多余的熔剂和氧 化皮等脏物 在条件允许的情况下 也可以将工件放入酸洗槽中进行酸洗 酸洗 后必须经过冷水槽和热水槽相继清洗干净 酸洗时间不宜过长 一般视具体情况在1 4分钟 过长时间的酸洗 可能造成焊缝的腐蚀 2 5钎焊后的质量检查检查焊缝处有无气孔 检查被焊工件有无裂纹 对已检查出有缺陷的工件 可重新加热钎焊 但也应尽量减少重焊 次数 以免硬质合金因反复加热而影响质量 对于已发生裂纹的工件 应在分析原因后将有裂纹的硬质合金取下 重新钎焊 3结束语在硬质合金刀具高频钎焊中严格按以上工艺施焊 硬质合金 刀具的焊接裂纹大大降低 并且刀具寿命得到有效提高 经过工程实践 用户反应使用情况良好 金相试样制备金相试样制备是金相研究非常重要的一部分 它包括 试样的截取 试样的镶嵌 试样的磨光 试样的抛光 金相显微组 织的显示 目录1金相试样的截取2金相试样的镶嵌 取样 磨制 抛光1金相试样 的截取金相试样截取的原则选择有代表性的金相试样是金相研究的 第一步 不重视取样的重要性常常会影响试验结果的成败 1 截取试样的部位 必须能表征材料或部件的特点及检验的目的 对机件破裂的原因进行金相分析时 试样应在部件破裂部位截取 为了得到更多的资料 还需要在离开破裂源较远的部位截取参考试 样 进行对照研究 对于工艺过程或热处理不同的材料或部件 试样的截取部位也要 相应地改变 研究分析铸件的金相组织 必须从铸件的表层到中心同时观察 根据各部位组织的差异 从而了解铸件的偏析程度 小机件可直接截取垂直于模壁的横断面 大机件应在垂直于模壁的 横断面上 从表层到中心截取几个试样 轧制型材或锻件取样应考虑表层有无脱碳 折迭等缺陷 以及非 金属夹杂物的鉴定 所以要在横向和纵向上截取试样 横向试样主要研究表层缺陷及非金属夹杂物的分布 对于很长的型 材应在两端分别截取试样 以便比较夹杂物的偏析情况 纵向试样主 要研究夹杂物的形状 鉴别夹杂物的类型 观察晶粒粒长的程度 估 计逆性形变过程中冷变形的程度 经过各种热处理的零件 显微组织是比较均匀的 因而只在任一 截面上截取试样即可 同时要考虑到表层情况 如脱碳 渗碳 表 面镀膜 氧化等 2 确定试样的金相磨面研究结果或试验报告上的金相照片应说明取 样的部位和磨面的方向 横截面主要研究内容a 试样外层边缘到中心部位金相显微组织的 变化 b 表层缺陷的检验 如 氧化 脱碳 过烧 折迭等 c 表面处理结果观察 如表面镀膜 表面淬火 化学热处理等 d 非金属夹杂物在截面上的分布情况 e 晶粒度的测定 纵截面主要研究内容a 非金属夹杂物的数量 形状 大小 夹杂 物的情况与取样部位关系非常大 因而必须注意取样部位能代表整 块材料 b 测定晶粒拉长的程度 了解材料冷变形的程度 c 鉴定钢的带状组织以及热处理消除带状组织的效果 3 金相试样截取截面方法试样的截取必须采用合适的方法 避免因 切割加工不当而引起显微组织的变化 引起组织变化的可能性有两方面必须注意 逆性变形使金相组织发 生变化 如低碳钢 有色金属中晶粒受力压缩拉长或扭曲 多晶锌晶粒内部 形变挛晶的出现 奥氏体类钢晶粒内部滑移线的增加等都是容易发 生的毛病 尤其某些低熔点金属 锡 锌等 由于它们的再结晶温度低于室温 如果试样发生逆性变化 将同时伴随有再结晶过程 使原来的组 织 晶粒大小发生根本改变 材料因受热引起的金相组织变化 如淬火马氏体组织 往往因磨 削热影响 使马氏体回火 产生回火马氏体 根据材料的硬度不同 采用不同方法截取试样 a 对软性的材料可用手锯或锯床等截取 b 极硬的合金材料 如淬火钢及硬质合金等 可用砂轮片 金相试 样切割机截取 c 硬脆合金一般用锤击 挑选合适的碎块 然后镶嵌成规整的试样 d 斜面截取法对表层金相组织的分析研究是一种有效的方法 在很 多情况下表层厚度极薄 在一般试样截面上是一条极细的线条 无 法观察到清晰的组织 但采用斜面截切法可扩大观察范围 如表面镀层 拜尔培层的研究 2金相试样的镶嵌适用于对不是整形 不易于拿的微小金相试样进行 热固性塑料压制 如线材 细小管材 薄板 锤击碎块等 在磨光时不易握持 用镶嵌方法镶成标准大小的试块 然后进行切 割 抛光等 常用的镶嵌法有低熔点合金镶嵌法 塑料镶嵌法 实验室金相试样制备过程大概如下正确地检验和分析金属的显微组 织必须具备优良的金相样品 制备好的试样应能观察到真实组织 无磨痕 麻点与水迹 并使金 属组织中的夹物 石墨等不脱落 否则将会严重影响显微分析的正确性 金相样品的制备分取样 磨制 抛光 组织显示 浸蚀 等几个步 骤 取样选择合适的 有代表性的试样是进行金相显微分析的极其重要 的一步 包括选择取样部位 检验面及确定截取方法 试样尺寸等 1 取样部位及检验面的选择取样的部位和检验面的选择 应根据 检验目的选取有代表性的部位 例如分析金属的缺陷和破损原因时 应在发生缺陷和破损部位取样 同时也应在完好的部位取样 以便对比 检测脱碳层 化学热处 理的渗层 淬火层 晶粒度等 应取横向截面 研究带状组织及冷 塑性变形工件的组织和夹杂物的变形情况时 则应截取纵向截面 2 试样的截取方法试样的截取方法可根据金属材料的性能不同而 异 对于软材料 可以用锯 车 刨等方法 对于硬材料 可以用砂轮 切片机切割或电火花切割等方法 对于硬而脆的材料 如白口铸铁 可以用锤击方法 在大工件上取样 可用氧气切割等方法 在用砂轮切割或电火花切割时 应采取冷却措施 以减少由于受热 而引起的试样组织变化 试样上由于截取而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉 3 试样尺寸和形状金相试样的大小和形状以便于握持 易于磨制 为准 通常采用直径 15 20mm 高15 20mm的圆柱体或边长15 2 0mm的立方体 磨制分粗磨和细磨两步 试样取下后 首先进行粗磨 如是钢铁材料试样可先用砂轮粗磨平 如是很软的材料 如铝 铜 等有色金属 可用锉刀锉平 在砂轮上磨制时 应握紧试样 使试样受力均匀 压力不要太大 并随时用水冷却 以防受热引起金属组织变化 此外 在一般情况下 试样的周界要用砂轮或锉刀磨成圆角 以免 在磨光及当抛光时将砂纸和抛光织物划破 但是 对于需要观察表层组织 如渗碳层 脱碳层 的试样 则不 能将边缘磨圆 这种试样最好进行镶嵌 细磨是消除粗磨时产生的磨痕 为试样磨面的抛光做好准备 粗磨平的试样经清水冲洗并吹干后 随即把磨面依次在由粗到细的 各号金相砂纸上磨光 常用的砂纸号数有 01 02 03 04号4种 号小者磨粒较粗 号大者较细 磨制时砂纸应平铺于厚玻璃板上 左手按住砂纸 右手握住试样 使磨面朝下并与砂纸接触 在轻微压力作用下把试样向前推磨 用 力要均匀 务求平稳 否则会使磨痕过深 且造成试样磨面的变形 试样退回时不能与砂纸接触 这样 单程单向 地反复进行 直至 磨面上旧的磨痕被去掉 新的磨痕均匀一致为止 在调换下一号更细的砂纸时 应将试样上磨屑和砂粒清除干净 并 转动90 角 使新 旧磨痕垂直 金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外 更重要的是应尽可能减 少表层损伤 每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层 至少应使前一 道工序产生的变形层减少到本道工序生产的变形层深度 而不是 仅仅把前一道工序的磨痕除去 同时 该道工序本身应尽可能减少 损伤 以便进行下一道工序 最后一道磨光工序产生的变形层深度应非常浅 应保证能在下一道 抛光工序中除去 磨制铸铁试样时 为了防止石墨脱落或产生曳尾现象 可在砂纸上 涂一薄层石墨或肥皂作为润滑剂 磨制软软的有色金属试样时 为了防止磨粒嵌入软金属内和减少磨 面的划损 可在砂纸上涂一层机油 汽油 肥皂水溶液或甘油水溶 液作润滑剂 金相试样还可以用机械磨制来提高磨制效率 机械磨制是将磨粒粗细不同的水砂纸装在预磨机的各磨盘上 一边 冲水 一边在转动的磨盘上磨制试样磨面 配有微型计算机的自动磨光机可以对磨光过程进行程序控制 整个 磨光过程可以在数分钟内完成 抛光目的为去除金相磨面上因细磨而留下的磨痕 使之成为光滑 无痕的镜面 金相试样的抛光可分为机械抛光 电解抛光 化学抛光三类 机械抛光简便易行 应用较广 1 机械抛光机械抛光是在专用的抛光机上进行的 抛光机主要是 由电动机和抛光圆盘 200 300mm 组成 抛光盘转速为200 60 0r min以上 抛光盘上铺以细帆布 呢绒 丝绸等 抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液 抛光液通常采用Al2O 3 MgO或Cr2O3等细粉末 粒度约为0 3 1 m 在水中的悬浮液 机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间产生相对磨削和液压作用 来消除磨痕的 操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上 并沿盘的边缘到中 心不断作径向往复运动 抛光时间一般为3 5min 抛光后的试样 其磨面应光亮无痕 且石墨或夹杂物等不应抛掉或 有曳尾现象 这时 试样先用清水冲诜 再用无水酒精清洗磨面 最后用吹风机 吹干 2 电解抛光电解抛光是利用阳极腐蚀法使试样表面变得平滑光高 的一种方法 将试样浸入电解液中作阳极 用铝片或不锈钢片作阴极 使试样与 阴极之间保持一定距离 20 30mm 接通直流电源 当电流密度足够时 试样磨面即由于电化学作用而发生选择性溶解 从而获得光滑平整的表面 这种方法的优点是速度快 只产生纯化学的溶解作用而无机械力的 影响 因此 可避免在机械抛光时可能引起的表层金属的塑性变形 从而能更确切地显示真实的金相组织 但电解抛光操作时工艺规程不易控制 3 化学抛光化学抛光的实质与电解抛光相类似 也是一个表层溶 解过程 它是一种将化学试剂涂在试样表面上约几秒至几分钟 依靠化学腐 蚀作用使表面发生选择性溶解 从而得到光滑平整的表面的方法 4 组织显示由于金属中合金成分和组织的不同 造成腐蚀能力的差 异 腐蚀后使各组织间 晶界和晶内产生一定的衬度 金属组织得 以显示 常用的金相组织显示方法有 1 化学浸蚀法 2 电解浸蚀法 3