浅析硬质合金与钢的焊接

[摘 要]硬质合金具有高硬度、耐磨、耐腐蚀以及良好的红硬性等优异的性能，但硬质合金价格昂贵且韧性差难以生产较大尺寸、形状复杂的制品所以将硬质合金与强度较高、加工性能优异且廉价的钢焊接起来使用具有重要的实用价值。

[关键词]硬质合金；钎焊；钎焊工艺

中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0032-01

1 硬质合金的焊接特点

硬质合金一般采用双金属结构。工作部分为硬质合金基体通常为中碳钢。这类工件在工作时受到相当大的应力作用，特别是压缩弯曲、冲击或交变载荷要求接头强度高、质量可靠。硬质合金硬度高耐磨性好但也存在脆性高、韧性差等缺点。大部分硬质合金工具是用焊接的办法镶嵌在中碳钢或低合金钢基体上使用，焊接工艺与硬质合金的使用性能密切相关，焊接性能的好坏直接影响到硬质合金的使用效果。

2 硬质合金的焊接性

由于与硬质合金相焊的基体材料一般是碳素钢，硬质合金与之相比具有较小的热膨胀系数和较低的热导率，因此焊接时容易出现：焊接裂纹、焊缝脆化、气孔夹渣及氧化等问题。

3 硬质合金与钢的钎焊工艺

3.1 焊前准备

① 焊前应先检查硬质合金是否有裂纹或凸凹不平等缺陷。钎焊面必须平整，保证合金与基体之间有良好的接触，才能保证钎焊质量。

② 对硬质合金进行喷砂处理或在绿色碳化硅砂轮上打磨去掉表面的氧化层，否则钎料不易润湿硬质合金。

③ 在清理硬质合金钎焊面时，最好不用化学机械研磨或电解磨削等方法处理，因为硬质合金表面的钴被腐蚀掉后，钎料就很难再润湿硬质合金，容易造成脱焊现象。

④ 钎焊前应仔细检查钢基体上的槽形是否合理，嵌槽也应喷砂处理和清洗去除油污。

⑤ 钎料使用前用酒精或汽油擦净并根据钎焊面裁剪成形。钎料厚度0.4～0.5mm左右比较合适，大小与钎焊面相似即可。

3.2 钎焊过程

硬质合金工具的钎焊工艺是否正确对焊接质量有至关重要的作用，加热速度过快或过慢都会影响接头质量。部分硬质合金焊接时允许的加热速度见表1：

硬质合金与钢氧-乙炔钎焊的操作技术要点如下：

① 选用碳化焰防止硬质合金在钎焊过程中脱碳或过烧。

② 钎焊温度1000℃左右为宜即硬质合金加热呈亮红色。如果呈暗红色或白亮色时不能钎焊。

③ 焊炬由左向右、由右向左、由上向下反复加热，使其受热均匀一致。

④ 钎焊时焊嘴与焊件的间距约为50mm，焊嘴倾斜角度为110°这样可保证有效地利用火焰热量和加热平衡。钎焊过程中要使火焰始终覆盖在整个钎焊部位，使之与空气隔离以防止氧化或产生气孔。

⑤ 钎焊速度应按焊件的大小来确定，防止硬质合金过烧或脱碳。

⑥ 钎焊之后，需用火焰进行加热，然后慢慢地将焊嘴离开，使焊件缓慢冷却防止裂纹。

3.3钎焊质量检验

主要检查硬质合金与钢钎焊接头质量以及硬质合金有无裂纹存在。正常的焊缝应均匀无黑斑，钎料未填满的焊缝不大于焊缝总长的10%，焊缝宽度应小于0.15mm。硬质合金刀片的裂纹倾向可用下列方法检查。

① 经喷砂清理后，先用煤油清洗，当有裂纹时表面上会出现明显的黑线。

② 用65%的煤油、30%的变压器油及5%的松节油调成溶液加入少量苏丹红，将预检查的工具放入该溶液中浸泡约10～15min，取出用清水洗净，涂上一层高岭土烘干后检查表面，如工具上有裂纹溶液的颜色便在白土上显示出来。

4 硬质合金钎焊过程中容易产生的问题及原因

硬质合金在钎焊的过程中，由于众多的因素，如槽形设计、钎焊工艺、加热过程及刃磨、硬质合金的钎焊面在焊前未经过砂或磨光处理等。容易产生焊接裂纹和硬质合金钎烛发生脱焊。

4.1 硬质合金钎焊裂纹产生的原因

导致硬质合金钎焊工件的裂纹因素是多方面的，如槽形设计、钎焊工艺、加热过程及刃磨等。

① 一些硬度高、强度低的硬质合金如YT60、YT30、YG2和YG3X等，容易产生钎焊裂纹。

② 封闭式或半封闭式的槽形，是增加钎焊应力促使造成裂纹的重要原因。应尽可能减少钎焊面积以减小钎焊应力。

③ 焊接加热速度太快或焊后冷却速度过快会造成热量分布不均，产生瞬时应力引起裂纹。

④ 硬质合金本身有缺陷，在焊前检查时未能发现而导致钎焊后发生裂纹。

⑤ 钎焊后打磨不当也会产生裂纹，如砂轮的材料、硬度和粒度等选用不合适，磨削时用水冷却，磨削余量留的过大等。

4.2 减少硬质合金钎焊裂纹的措施

① 在焊缝中加补偿垫片是减小焊缝应力的有效措施之一。在焊缝中加补偿垫片的方法很多，如用铁丝网、冲孔填片、镍铁合金垫片和在硬质合金上电镀纯铁等。其中采用铁丝网或冲孔垫片的焊缝强度降低60%。由50%镍和50%铁所组成的镍铁合金补偿垫片虽能较好地消除应力和不降低焊缝强度，但因含镍量过多不宜在生产中大量使用。生产中用厚度为0.4～0.5mm的低碳钢片或镀镍铁片做补偿垫片，可取得很好的效果。

② 采用双层硬质合金钎焊法是一种防止裂纹的有效措施。这种方法不需要特殊材料便于推广使用，由于有两层硬质合金叠焊在一起，硬质合金整体的抗压强度提高，延长了刀具的使用寿命。

③ 用紫铜片做补偿垫片时虽然可以有效地减小钎焊应力和防止产生裂纹，但需使用熔点低于850℃的焊料，如L-Ag-49银焊料，否则在钎焊时容易使紫铜片熔化而失去作用。

④ 当钎焊狭长条形状的硬质合金工件时，为了减小钎焊应力和防止发生裂纹，可采用双层硬质合金钎焊下面的一层由小块硬质合金拼成成为预制“裂纹”形式。这种方法对消除裂纹特别有效，可在大型硬质合金刀具和特殊硬质合金的模具上使用。

4.3 硬质合金钎焊脱焊的原因

① 硬质合金的钎焊面在焊前未经过砂或磨光处理，钎焊面上的氧化层降低了钎料的润湿作用，削弱了焊缝的结合强度。

② 钎剂选择和使用不当也会发生脱焊，例如采用硼砂作为钎剂时，因生硼砂含水分较多而不能有效地起到脱氧作用，结果钎料不能很好地润湿被钎焊面，而发生脱焊现象。

4.4 减少硬质合金钎焊脱焊的措施

① 正确的钎焊温度应在钎料熔点以上30～50℃时最为合适，温度过高或过低都会发生脱焊。加温过高会使焊缝中产生氧化现象。用含锌的钎料会使焊缝呈蓝色或白色。当钎焊温度过低时，会形成比较厚的焊缝，焊缝内部布满了气孔和夹渣。以上两种情况会使焊缝的强度下降，当刃磨或使用时容易发生脱焊。

② 钎焊过程中没有及时地排渣或排渣不充分，使大量的钎剂熔渣残留在焊缝中，降低了焊缝的强度，造成脱焊。

5 结论

硬质合金与钢的焊接广泛用于机械加工的刀具、刃具、钻采工具和以耐磨作为主要性能的各种零部件，可以节省大量的贵重金属，降低生产成本提高零部件的使用寿命。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。常用的焊接方法有氧-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。尤其是钎焊成为了硬质合金与钢焊接的主要方法。

参考文献

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