帥玉妹，楊 雄

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金和45鋼釬焊工藝的研究

帥玉妹，楊 雄

(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

根據(jù)潤(rùn)濕性試驗(yàn)所確定的工藝參數(shù)，針對(duì)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45號(hào)鋼的釬焊工藝進(jìn)行研究。闡述了釬焊試驗(yàn)方案和釬焊過(guò)程，對(duì)釬焊接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。研究表明，GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼釬焊焊接接頭質(zhì)量較好，可以滿足硬質(zhì)合金模具、石油鉆采機(jī)械和其他高強(qiáng)高耐磨零件制造的要求。

硬質(zhì)合金；釬焊；接頭性能；焊接缺陷

GT35是用粉末冶金的方法制造的鉻鉬合金鋼，其中鋼為粘結(jié)相，TiC(35%)為硬質(zhì)相，其性能介于鋼與硬質(zhì)合金之間，具有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性及高耐腐蝕性，又具有鋼的加工性、鍛壓性、焊接性及熱處理性，因而廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性好的冷鐓模具的模芯中，具有使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。當(dāng)硬質(zhì)合金與鋼焊接時(shí)，其硬度越高，釬焊時(shí)產(chǎn)生裂紋的可能性越大。如果殘余應(yīng)力大于硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度，其表面就可能產(chǎn)生裂紋，這是硬質(zhì)合金釬焊時(shí)產(chǎn)生裂紋的最主要原因之一；其次，硬質(zhì)合金在空氣中加熱到800℃以上時(shí)，其表面開始氧化，形成的氧化膜使硬質(zhì)合金變脆，降低力學(xué)性能。因此，在焊接時(shí)應(yīng)采取措施盡量減少硬質(zhì)合金焊接部位的氧化現(xiàn)象，提高焊接質(zhì)量。此外，焊接方法、加熱方式、刀槽型式、熔劑選擇、焊接溫度及加熱速度、冷卻速度、保溫溫度、保溫時(shí)間等對(duì)焊接質(zhì)量都有較大影響。由于硬質(zhì)合金與碳鋼之間的物理性能相差較大，在進(jìn)行硬質(zhì)合金與鋼焊接時(shí)，目前主要采取釬焊和擴(kuò)散焊的方法。此外，一些新的焊接方法如鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊、電子束焊和激光焊等也在進(jìn)行積極探索[1-4]。下面，筆者對(duì)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金和45鋼釬焊工藝進(jìn)行了探討。

1 釬焊工藝試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)用材料加工及接頭設(shè)計(jì)

圖1 焊接試樣 圖2 試樣尺寸

1)試驗(yàn)用材料加工 根據(jù)潤(rùn)濕性試驗(yàn)，選用銀基釬料，其成分為Ag·Cu·Zn，熔點(diǎn)為615～656℃。釬劑為氣劑301，母材為GT35硬質(zhì)合金和45鋼(見圖1)，將GT35通過(guò)外圓車削后，在電火花切割機(jī)上切割，再通過(guò)表面磨削達(dá)到所需的尺寸(?14mm×20mm)；將45鋼用手工鋼鋸切割，經(jīng)過(guò)車削和磨削達(dá)到所需要的尺寸(?14mm×20mm)(見圖2)。

材料的表面狀況對(duì)釬焊質(zhì)量有影響，表面油污、銹蝕等都是不利因素。因此，試驗(yàn)材料加工后必須清除表面的油污、銹蝕等。將線切割后的硬質(zhì)合金塊放到丙酮中清洗去除油脂，然后用細(xì)的SiC粉水糊在玻璃表面上研磨被焊面，以去除切割痕跡和氧化物；用180#砂紙將45鋼表面磨光并使其平整。

圖3 焊接接頭形式

2)接頭設(shè)計(jì) 實(shí)際生產(chǎn)中硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接，其接頭形式的設(shè)計(jì)依照不同使用要求而定，主要有以下幾種形式[5]:①硬質(zhì)合金刀具一般采用開口槽槽形設(shè)計(jì)，便于進(jìn)行自由焊，而不采用封閉和半封閉的槽形。②重型刀具和大焊接面的硬質(zhì)合金刀具、模具及量具的槽形設(shè)計(jì)一般采用刀片立焊或雙重刀片疊焊的形式，有時(shí)采取開工藝溝的方法，使大的焊接面分割成小塊。③礦山采掘用的硬質(zhì)合金工具一般用一字形和十字形釬頭，其槽形呈U字形。此外，在焊接過(guò)程中，其焊接接頭形式有2種形式，即豎直焊和水平焊(見圖3)。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

爐中釬焊試驗(yàn)設(shè)備由加熱裝置和控溫裝置組成，電爐型號(hào)是SXZ 6-13，電爐控溫型號(hào)是Y-12D-16 ,額定功率為12kW，工作電壓為380V?；鹧驸F焊試驗(yàn)設(shè)備由砂輪、氧氣瓶、乙炔氣瓶、火焰焊槍、防護(hù)鏡和墊板等組成。

1.3釬焊工藝參數(shù)的確定

1)加熱速度 由于GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)約為45鋼的一半，當(dāng)釬焊溫度為1000℃時(shí)，冷卻后界面處將產(chǎn)生約1%的畸變，如果該畸變?cè)谒苄暂^好的金屬側(cè)得不到完全釋放，將在GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金側(cè)產(chǎn)生較大損失，并且在界面上產(chǎn)生很大的拉伸殘余應(yīng)力。GT35的硬度很高、韌性差、抗彎強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度很低，因此容易在硬質(zhì)合金與釬縫的界面形成焊接裂紋。同樣，當(dāng)加熱速度很高時(shí)，硬質(zhì)合金從外到里存在很大的溫度梯度。雖然在加熱階段硬質(zhì)合金可以自由膨脹，但由于硬質(zhì)合金中Co相線膨脹系數(shù)是WC相的3倍，因此在Co和WC的界面容易形成微裂紋，并在隨后的冷卻階段擴(kuò)展成宏觀裂紋。為降低加熱速度，可采用雙級(jí)預(yù)熱，第1級(jí)預(yù)熱溫度約為 200～300℃，保溫時(shí)間約20～30min；第2級(jí)預(yù)熱溫度為500～600℃，保溫時(shí)間約30min。然后再加熱到預(yù)定的釬焊溫度，這樣可以有效地減少界面裂紋。

2)釬焊溫度 釬焊溫度不僅影響釬料的潤(rùn)濕性，而且影響釬焊接頭的連接強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，當(dāng)釬焊溫度一般控制在釬料熔點(diǎn)以上20～30℃范圍內(nèi)，接頭可獲得最高強(qiáng)度。

3)保溫時(shí)間 保溫時(shí)間應(yīng)根據(jù)焊件的大小而定，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)使接頭的強(qiáng)度降低。試驗(yàn)表明，在釬料完全熔化后再保溫1min左右較為適宜。

4)冷卻速度 冷卻速度越快，釬焊后越容易產(chǎn)生裂紋，而焊后保溫可有效防止裂紋的產(chǎn)生，但保溫溫度對(duì)接頭的性能影響較大。保溫溫度過(guò)高，防裂效果不明顯，而且容易造成硬質(zhì)合金顆粒的再結(jié)晶，使合金的硬度降低，影響刀片的切削性能；保溫溫度過(guò)低，則起不到防裂作用。研究表明，釬焊后立即送入300～350℃的保溫箱中保溫2～3h，隨后斷電隨爐溫冷卻，可有效地防止裂紋的產(chǎn)生。

5)釬縫寬度 釬焊接頭的強(qiáng)度不僅受釬料成分和釬焊工藝的影響，還與釬縫寬度有關(guān)。當(dāng)釬料成分和釬焊工藝一定時(shí)，可通過(guò)調(diào)整釬縫的寬度，改善接頭的性能。試驗(yàn)表明，釬縫寬度一般控制在0.5～1mm較為適宜。

2 釬焊工藝流程

2.1焊前處理

圖4 焊接試樣

焊前應(yīng)清除GT35與45鋼焊接表面及接合處的油污、氧化物、毛刺及其雜物，保證焊件端部及接合面的清潔與干燥，同時(shí)還需要保持釬料的清潔與干燥。焊件表面的油污可用丙酮、酒精、汽油或三氯已烯等有機(jī)溶液清洗，此外熱的堿熔液除油污也可以收到較好的效果。表面氧化物及毛刺可用化學(xué)浸濕方法進(jìn)行處理，然后在水中沖洗干凈并加以干燥。

2.2釬焊操作

進(jìn)行真空爐中釬焊時(shí)，將試樣重合平放在焊接工作臺(tái)上，用壓頭將試樣壓緊定位以保證焊接間隙的有效性，然后關(guān)上爐門，設(shè)定好工藝參數(shù)。為防止加熱過(guò)程中的熱慣性過(guò)大，導(dǎo)致焊接溫度超出預(yù)定值過(guò)高，在到達(dá)焊接溫度前，在預(yù)定加熱溫度前設(shè)定幾個(gè)溫度臺(tái)階，然后在焊接溫度點(diǎn)保溫15min，隨后切斷電源，讓工件隨爐溫冷卻，待溫度降至100℃以下后將工件取出。圖4所示為釬焊試樣。

3 釬焊接頭的力學(xué)性能測(cè)試分析

3.1釬焊接頭顯微硬度

硬度是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，而硬度試驗(yàn)則是判斷金屬材料或產(chǎn)品零件質(zhì)量的手段，常用方法包括維氏顯微硬度測(cè)試法和努普顯微硬度測(cè)試法。試驗(yàn)采用MH-6顯微硬度計(jì)測(cè)定焊接接頭的維氏硬度分布情況，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼焊縫區(qū)的平均硬度為154.2HV，45鋼的平均硬度為171.8HV，GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金的平均硬度為1481.7HV。

圖5 剪切試驗(yàn)試樣

3.2釬焊接頭剪切強(qiáng)度

采用專用剪切試驗(yàn)夾具和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼釬焊接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試前須將焊接試樣外圓車光滑，使焊縫與母材部分平齊以避免接頭應(yīng)力集中對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生不利影響，試樣尺寸為?14×10mm(見圖5)。測(cè)試時(shí)將編號(hào)后的焊接試樣置于用專用剪切試驗(yàn)夾具中，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加壓剪切強(qiáng)度測(cè)試，記錄剪斷所需的壓力，再根據(jù)試件的截面積計(jì)算剪切強(qiáng)度。同時(shí)，觀察試樣的斷裂位置，進(jìn)而評(píng)定焊縫的性能。GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼釬焊接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼釬焊接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出：①同種焊接方法和工藝參數(shù)下焊接的接頭剪切強(qiáng)度相差不大，且接頭的剪切強(qiáng)度均低于母材的強(qiáng)度。②在同種釬料和釬劑的條件下，爐中釬焊接頭的剪切強(qiáng)度高于火焰釬焊接頭的剪切強(qiáng)度，其原因是爐中釬焊試樣裝夾容易，釬料和釬劑尺寸和數(shù)量容易控制；焊接參數(shù)可精確控制。③斷裂面均發(fā)生在離釬縫較近的硬質(zhì)合金上，其中火焰釬焊試樣的斷面上均有裂紋出現(xiàn)，這樣使得接頭的強(qiáng)度降低，其原因是GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大和釬焊溫度較高，導(dǎo)致冷卻后釬焊接頭界面附近的GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金和45鋼釬焊工藝進(jìn)行研究，探討了釬焊工藝試驗(yàn)方案，介紹了釬焊工藝流程，并對(duì)釬焊接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。研究表明，GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼焊接接頭質(zhì)量較好，說(shuō)明采用釬焊工藝是可行的，可以用于焊接GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金與45鋼。

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[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.048

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16731409(2012)11N14803