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钨钴钛硬质合金与40Cr钢的真空钎焊
钨钴钛硬质合金与40Cr中碳钢采用真空钎焊工艺焊接而成的。真空钎焊方法适用于成批生产各种硬质合金刀具和钻探用的硬质合金钻头等。可以一次加热完成多刃硬质合金刀具的钎焊，有较高的钎焊效率。大部分硬质合金工具以前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。在真空钎焊钨钴钛硬质合金时，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、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。钎焊大面积硬质合金时，无论强度高低，均应采取特殊措施，以减小焊接应力和防止裂纹的产生。
1.硬质合金钎料的选择
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、常温钎料和低温钎料三大类。钎焊温度在1000℃以上的钎料称为高温钎料，如紫铜和106钎料等；中温钎料的钎焊温度在850～1000℃之间，如H62、H68黄铜钎料等；低温钎料是指钎焊温度在650～850℃之间，如B-Ag-1和L-Ag-49等含银钎料。紫铜钎料的钎焊温度高而焊缝强度低，多用于真空钎焊。纯铜钎料属单相组织，比较容易控制钎焊温度，对各类硬质合金都有良好的润湿能力，塑性好、价格最便宜。紫铜钎焊焊缝的剪切应力在150MPa左右，可在400℃以下使用。H68黄铜的钎焊温度比紫铜低得多，但因焊缝强度过低，不经常使用。H62黄铜的熔点和钎焊温度比较低，焊缝具有一定的室温强度，是比较常用的硬质合金钎料。一般用于钎焊在中、小负荷条件下使用的硬质合金工具。需要高温强度的焊缝或焊接面较小的情况下，应采用105钎料。L-Ag-49低温银钎料在国外使用比较普遍，因其熔点较低（690～710℃），对硬质合金有较好的润湿性，有钎焊方便和应力小等优点。必要时还可以使用紫铜片做补偿垫片，几乎可以完全消除钎焊应力，避免钎焊裂纹。可用于钎焊一些易裂的硬质合金或一些大钎焊面的硬质合金工具。由于用L-Ag-49银钎料钎焊的工件随着使用温度的提高，焊缝强度迅速下降，所以用L-Ag-49钎料的工件工作温度应限制在200℃以下。与L-Ag-49银钎料配合使用的钎剂中含有较多的氟化物和氯化物，对焊后清理工作要求较高，否则会因清洗不干净而导致工件表面腐蚀。B-Ag-1钎料是一种超低温银钎料，熔点在600～610℃左右，能使硬质合金接头的残余应力进一步降低，也可用紫铜片做补偿垫片来钎焊一些易裂的工件。由于B-Ag-1银钎料的超低熔点且对碳化钨有良好的润湿性，也适用于金刚石大锯片等某些金刚石工具的钎焊。但B-Ag-1银钎料的价格高、高温强度低，只适宜在低于150℃的温度下使用。该钎料中镉含量为24%，钎焊温度较高时容易蒸发，有害于人体健康。钎焊时除了必须控制钎焊温度外，还应在钎焊操作处安装排气装置。钎焊后也应注意将工件清洗干净，以免工件腐蚀。
2.钎剂的选择
钎剂的作用是使刀杆和硬质合金表面的氧化物还原，使钎料能很好地润湿被钎焊的金属表面。一般钎剂的熔点人低于钎料熔点100℃以上，并有较好的流动性和较低的黏度。钎焊加热过程中熔化了的钎剂能保护钎料和钎焊面，同时起到对氧化物的还原作用。
对硬质合金钎料的主要要求如下。
① 钎料应对被钎焊硬质合金和钢基体有良好的润湿能力，保证钎料具有良好的流动性与渗透性。
② 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的强度。
③ 钎料的熔点要尽可能地低，以减小钎焊应力，防止发生裂纹，但钎料的熔点要高于焊缝的工作温度300℃，以保证刀具在高速切削时能正常工作。
④ 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。
① 材质 刀体材质为40Cr钢，刀片材质为 钨钴钛硬质合金。
② 填充材料选用厚度为0.1mm的片状纯铜钎料BCu(Cu99.95%)，熔化温度1083℃，钎焊温度1100～1150℃；
钎剂 选用钎剂牌号为YJ1，主要成分为硼砂，钎焊温度为800～1150℃。也可以选用硬钎剂QJ201，钎剂成分为：硼酸80%，硼砂14.5%，氟化钙5.5％；钎焊温度为850～1150℃。
硼砂是硬质合金与钢钎焊时最常用的钎剂，使用中应注意各种硼砂的适用范围。
① 工业硼砂（生硼砂） 在使用前应先进行脱水处理，因为工业硼砂内含有10份结晶水（Na2B4O7.10H2O），再加上在空气中吸收了大量水分，在钎焊加热过程中会产生大量泡沫，不但使钎焊操作困难，而且也影响焊缝的质量，最好不采用。
② 脱水硼砂（Na2B4O7） 可用于钎焊各种牌号的硬质合金工作，钎焊温度范围在850～1150℃左右，适合用为紫铜、黄铜、Cu-Zn钎料、银钎料等的钎焊熔剂，但不适于熔点低于800℃的钎料钎焊。脱水硼砂存放时必须注意防潮，若受潮应烘干后再使用。
硼砂的脱水处理是将工业硼砂盛在钢制坩埚内，将坩埚放入850℃的电阻炉或焦炭炉内加热，加热过程中坩埚内的硼砂冒出大量的白色泡沫。随着加热温度的升高，泡沫逐渐减少，直至泡沫消失。等硼砂全部融化成液体时即可停止加热，将坩埚内绿色透明的液态硼砂倒在铁盒内，冷却后即自动裂碎成绿色玻璃状碎块。脱水后的硼砂颜色与熔炼时间长短有关，熔炼时间越长硼砂的颜色越深，但对钎焊的质量没有影响。将熔炼后的硼砂块捣碎，用60～80目筛子过筛后装入瓶内待用。
③ 脱水硼砂（85%～90%）+氟化钾（10%～15%）的混合熔剂 主要用于YT60、YT30等牌号硬质合金的钎焊。因氟化钾有毒性，钎焊时在加热设备附近必须装有强力通风设备，及时将有害气体排出。
氟化物和氯化物有较强的吸水性，在配制含有氟化物和氯化物的熔剂时，也应进行脱水处理。脱水是氟化物和氯化物放在陶瓷或不锈钢的坩埚中加热至270℃左右，保温3～4h，直到不冒烟为止。脱水后的氟化物和氯化物应储存在密闭的玻璃容器内。在使用含氟化物或氯化物的熔剂时应注意通风，及时排除有害气体。钎焊后及时清洗焊件，以免残余的熔剂腐蚀焊缝和基体金属。大多数钎剂都容易吸潮，要注意密封保存，做到随用随取。也可以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，糊状钎剂应现用现配。
真空钎焊前准备
①真空钎焊前应先检查硬质合金是否有裂纹、弯曲或凸凹不平等缺陷。钎焊面必须平整，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，才能保证钎焊质量。
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和黑色牌号字母。如不去除硬质合金钎焊面上的氧化层，钎料不易润湿硬质合金。经验证明，钎焊面上若有氧化层或黑色牌号字母，应进行喷砂处理，否则钎料不易润湿硬质合金，钎缝中仍会出现明显的黑色字母，使钎焊面积减少，发生脱焊现象。
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，因为它们都是靠腐蚀硬质合金表面层的黏结剂（钴）来加快研磨或提高磨削效率的，而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。真空钎焊前必须清理材料表面。方法是：在铸铁块上涂抹W3．5金刚石研磨膏，对硬质合金钎焊部位进行打磨，直至光亮为止。同样也对40Cr钢进行表面处理：先在W150水砂纸上去除表面污物，再在W40砂纸上打磨。钎料也应在W150砂纸上打磨，使表面洁净。最后，40Cr钢、YG8硬质合金及钎料放入丙酮中清洗，除去表面油污等。处理完毕后，将钎料置于硬质合金与40Cr钢之间(硬质合金位于上部)，然后一并放入夹具中，特殊情况下，硬质合金钎焊面必须用上述方法或电火花线切割处理时，可将处理后的硬质合金再进行喷砂处理或用碳化硅砂轮磨去表面层。喷砂后的硬质合金可用汽油、酒精清洗，以去除油污。
④ 真空钎焊前应仔细检查钢基体上的槽形是否合理，尤其是对易裂牌号的硬质合金和大钎焊面的硬质合金工件，更应严格要求。刀槽也进行喷砂处理和清洗去除油污。清洗量大时，可采用碱性溶液煮沸10～15min。高频或浸铜钎焊的多刃刀具及复杂量具，最好用饱和硼砂水溶液煮沸20～30min，取出烘干后再进行焊接。
⑤ 钎料使用前用酒精或汽油擦净，并根据钎焊面裁剪成形。钎焊一般硬质合金刀具或模具时，钎料厚度0.4～0.5mm左右比较合适，大小与钎焊面相似即可。当用连续氮气保护钎焊炉加热时，钎料可适当增加。在钎焊硬质合金多刃刀具、量具等工件时，应尽量缩小钎焊片的面积，一般可将钎料片剪成钎焊面的1/2左右，当钎焊技术熟练时，可将钎料片减少至钎焊面的1/3或更小。减少钎料可使焊后工件外形美观、刃磨更方便。
真空钎焊过程
硬质合金工具的真空钎焊工艺是否正确对焊接质量有至关重要的作用。加热速度对焊接质量有明显的影响。快速加热会使硬质合金片产生裂纹和温度不均；但加热过慢，又会引起表面氧化，使接头强度降低。
真空焊接硬质合金工具时，均匀加热刀杆和硬质合金片是保证焊接质量的基本条件之一。如果硬质合金片加热温度高于刀杆，熔化后的钎料润湿了硬质合金片而不能润湿刀杆，接头强度就会降低，在沿焊层剪切合金片时，钎料不破坏，而随合金片脱开。在焊层上还可看到刀杆支撑面铣刀痕迹。如加热速度过快，刀杆温度高于合金片时，会出现相反的现象。
钎剂、钎料和硬质合金安放顺序和相互位置对钎焊质量有直接的影响。正确的安放方法是：将钎料放在刀槽上，撒上钎剂，再放硬质合金，在硬质合金顶面沿侧面焊缝处再撒上一层钎剂。这样在钎焊时便于掌握钎焊温度，减少焊缝外黏附的多余钎料。真空钎焊过程中要正确地控制工件的真空钎焊温度。真空钎焊温度过高，会造成焊缝氧化和含锌钎料中锌元素的蒸发；真空钎焊温度过低，焊缝会因钎料的流动性不好而偏厚，焊缝内有大量的气孔和夹渣，这是造成脱焊的主要原因。真空钎焊温度应比钎料熔点高30～50℃，这时钎料的流动性、渗透性好，易于渗透布满整个焊缝。真空钎焊时，真空度保持在5 X 10-2Pa左右。真空钎焊加热速度是真空钎焊过程中的重要参数，加热速度过陕导致真空度急剧下降，易使硬质合金及钎料氧化。在生产中，真空钎焊工艺为：从室温以10 ℃／min的速率升至800 ℃，保温30min；再以9 ℃／min的速率升至设定温度，保温10min；然后随炉冷却。800℃保温是使母材受热均匀；以9℃／min的速率升至设定温度，真空度不会明显下降；设定温度下的短时保温是为了让钎料充分熔化，并防止高真空下颗粒状金属镁的过量挥发。虽然硬质合金钎焊冷却时对冷却速率有所要求，但在随炉冷却过程中，未发现由于应力过大而导致开裂的现象。根据钎料的熔点，确定真空钎焊的温度为1105～1120℃，共6个钎焊温度。在确定最佳钎焊温度后，设置EP23温控表,按照设定真空钎焊工艺执行.
真空钎焊后的冷却速度是影响钎焊裂纹的主要因素之一。冷却时硬质合金片表面产生瞬时拉应力，硬质合金的抗拉应力大大低于抗压应力。尤其是YT60、YT30、YG3X等硬质合金钎焊面积较大以及基体小而硬质合金较大的工件，更应注意钎焊后的冷却速度。通常是将焊后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中，使工件缓慢冷却。这种方法操作简单，但是无法控制回火温度。有条件的可在钎焊后立即将工件放入220～250℃的炉内回火6～8h。采用低温回火处理能消除部分钎焊应力，减少裂纹和延长硬质合金工具的使用寿命。
真空钎焊后清理
真空钎焊完毕后，产品可用砂纸打磨，并用抛抛光膏精抛。对真空钎焊好的硬质合金工件进行焊后清理，以便将焊缝周围残余的熔剂清除干净，否则在刀具刃磨时多余的熔剂会将砂轮堵塞，使磨削困难。焊后残留的熔剂也会腐蚀焊缝和基体。常用的清除方法是将焊后已冷却的工件放入沸水中煮1～2h左右，然后再进行喷砂处理，即可清除焊缝四周黏附的残余钎剂及氧化物等；或将工件放入酸洗槽中进行酸洗（硝酸浓度为3％ ～5％），和NaOH溶液洗。酸洗时间大约1～4min，然后放入冷水槽和热水槽中反复清洗干净。
真空钎焊产品质量检验
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。刀片钎焊歪斜，不符合图纸要求者应重焊。硬质合金刀片的裂纹倾向可用下列方法检查。
① 刀具经喷砂清理后，先用煤油清洗，然后用肉眼或放大镜观察。当刀片上有裂纹时，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，用肉眼可明显地看到。
矿山采掘用硬质合金工具的使用特点是冲击负荷大、震动大，要求硬质合金片既要焊得牢固，钎焊应力又要小，槽形加工的表面粗糙度对焊缝强度有较大的影响，粗糙度越低焊缝的强度越高（但是粗糙度越低加工越困难。一般在粗糙度Ra6.3左右即可。为了得到外观又薄又均匀的焊缝，硬质合金量具的槽形加工精度应高一些。
常用硬质合金的分类与牌号
|
类别 |
牌号 |
化学成分 Ｗ/% |
性能 |
适用范围 |
|
WC |
TiC |
TaC |
Co |
|
钨钴类合金 |
YG3X |
96.5 |
- |
＜0.5 |
3 |
适于铸铁、有色金属及其合金的精镗、精车等，亦可用于合金钢、淬火钢及钨、钼材料的精加工 |
碳化钨含量较高，粘结剂含量较低时，其硬度较高，抗弯强度则较低；
因而，YG3则适于精加工；反之YG15能承受较大的冲击载荷，适用于粗加工。 |
|
YG6 |
94.0 |
- |
- |
6 |
适于铸铁、有色金属及其合金、非金属材料连续切削时的粗车，间断切削时的半精车、精车 |
|
YG8C |
92.0 |
- |
- |
8 |
适于冲击回转凿岩机凿坚硬岩石，含坚硬夹石的切煤机齿、油井钻头、钻进坚硬岩石的冲击式钻头、冲压模具、刨刀和插刀等 |
|
YG15 |
85 |
- |
- |
15 |
适于冲击回转凿岩机凿坚硬、极坚硬岩石，在较大应力下工作的穿孔及冲压工具 |
|
钨钛钴类合金 |
YT5 |
85 |
5 |
- |
10 |
适于碳钢、合金钢、锻件、冲压件、铸件的表皮加工，不平整断面、间断切削时的粗车、粗刨、半精刨。粗铣、钻孔等 |
加人碳化钛，提高了硬度和耐热性。
含碳化钛越多，钴越少，则合金的硬度、耐磨性和耐热性越好，而抗弯强度就越差。因此YT30用于精加工，而YT15适用于粗加工。 |
|
YT15 |
79 |
15 |
- |
6 |
适于碳钢。合金钢连续切削时半精车、精车，间断切削时小断面精车，连续面半精铣、精铣、孔精扩、粗扩等 |
|
YT30 |
66 |
30 |
- |
4 |
适于碳钢、合金钢精加工，如小断面精车、精镗、精扩等 |
|
通用合金 |
YW1 |
84～85 |
6 |
3～4 |
6 |
适于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工钢材的精加工，及一般钢材、普通铸铁、有色金属的精加工 |
加人碳化钽，显著提高了合金的硬度、耐磨性、耐热性及抗氧化的能力。 可铸铁、耐热钢、高锰钢、高级合金钢等难加工的材料和有色金属。 |
|
YW2 |
82～83 |
6 |
3～4 |
8 |
适于耐热钢、高锰钢、不锈钢、高级合金钢等难加工钢材的半精加工，及一般钢材、普通铸铁、有色金属的半精加工 |
硬质合金的焊接特点
硬质合金主要用于制造刀具、量具、模具、采掘工具以及整体刀具等双金属结构。切削部分为硬质合金，基体为碳素钢或低合金钢，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。硬质合金具有高硬度和耐磨性好的特点，但也存在脆性高、韧性差等缺点。
真空钎焊硬质合金与钢焊接时有如下的特点。
① 线膨胀系数与钎焊裂纹的关系 硬质合金的尺寸比较小，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用。钎焊是把硬质合金和基体金属连接在一起的有效焊接方法。硬质合金的线膨胀系数（4.1～7.0×10-6/℃）与普通钢的线膨胀系数（12×10－6℃－1）相比差别很大，硬质合金只有钢的1/3～1/2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。
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。根据不同牌号的硬质合金的硬度和强度大小可以判断硬质合金的焊接裂纹敏感性，由差到好的排列顺序如下。
YG类 YG3X，YG3，YG4，YG6X，YG6，YG8，YG11，YG15
YT类 YT60，YT30，YW1，YT15（YW2），YT14，YT5
以上两类硬质合金，从左至右表明硬度和耐磨性逐渐降低，而强度和韧性增加，钎焊裂纹发生的可能性减小。
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。
硬质合金真空钎焊焊料及焊缝间隙
1.硬质合金截齿钎焊焊料的选择:
（1）具有良好的润湿性,在真空钎焊温度下,易于填充钎缝的间隙,需要钎料能够同时适用于硬质合金和钢两种材料，形成优良的钎焊接头。
（2）满足截齿的力学性能，即成型接头焊缝的抗剪强度应为180MPa，需要有一定的韧性，可以承受高温工作；
（3）满足真空钎焊工艺和钎焊性，需要具有合适的熔点，比所需的真空钎焊要求钎焊温度低于930℃,以避免截齿体在过高的温度下,使其钢组织晶粒长大,影响截齿体的韧性,另外过高的真空钎焊温度也易造成硬质合金的损害,对真空钎焊炉的寿命也有影响;
（4）成本价格：不同钎焊料的价格存在差异,铜钎料的成本相对较低，而银钎料的成本费用较高,一般是相同体积铜钎料价格的40~50倍。从以上四个方面综合考虑，如无特殊要求，挑炉钎焊材料时应尽可能选择铜钎料，但其缺点是：钎焊点温度偏高，一般在900℃以上，焊缝应力较大；银焊料的优点是：工艺性能好，有良好的润湿性，熔点低，具有填充间隙的能力及良好的强度和延展性；其缺点为:成本高,真空钎焊接头进行工作环境温度要求低，无法达到标准值等，目前较好的截齿钎焊焊料有铜锰镍焊料等。
综上所述,截齿的真空钎焊淬火因其生产效率高,钎焊接头的质量稳定,完全在真空环境中加热、钎焊和冷却淬火,使截齿避免氧化与脱碳，因此，截齿的真空钎焊淬火工艺将越来越普遍地被采用。
东俊真空钎焊工作室
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