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1、 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 1 页共 16 页 硬质合金与钢的焊接可行性分析报告【摘要】硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC 等)为基体，以过渡族金属(Co，Fe，Ni)为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料，它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质较为稳定等优点，广泛应用于切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域。硬质合金与钢的焊接主要用于机械加工的刀具、刃具、模具、采掘工具和以耐磨作为主要性能的各种零部件，特点是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。尤其是硬质合金工具在各工业部门已经得
2、到广泛的应用，并收到了显著的效果。硬质合金的材质脆硬、韧性差而且价格高，这些因素使其难以被制成大尺寸、形状复杂的构件加以应用，而硬质合金与钢体材质的焊接是弥补其不足的主要方法，合适可靠的焊接技术正在不断拓展它的应用范围。因此，欲更好更合理地应用硬质合金，必须了解它的性能特点，根据其用途的不同而选择合适的焊接工艺。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。本文主要
3、介绍硬质合金的钎焊。【关键词】硬质合金；钎焊。1. 硬质合金的分类、用途及性能硬质合金是金属碳化物粉末与钴的混合物，常用的金属碳化物是碳化钨、碳化钛、碳化铌和碳化钒等，均可使硬质合金具有高硬度和高耐磨性。硬质合金的黏结剂主要是金属钴或金属镍等，能保证硬质合金具有一定的强度和韧性。硬质合金是种高生产率的工具材料，是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末与黏结剂混合，用粉末冶金法压制成各种形状的各种工件。1.1硬质合金的分类及用途（1）常用硬质合金的分类、成分及用途我国常用硬质合金的分类、化学成分、使用性能及用途见表 1。我国生产的硬质合金分为 YT 和 YG 两大类。YT 类是由碳化钛、碳化钨和钴等组
4、成，主要成分为 WC、TiC 和Co，多用于制作切削钢材的刀具。YG 类是碳化钨和钴的合金，主要成分是 WC 和 Co，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用的采掘工具等。此外，还有 YW 类加入少量碳化钽或碳化铌等贵重 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 2 页共 16 页 金属碳化物的钛钨钴类硬质合金，用做切削特殊耐热合金材料的刀具。表 1 常用硬质合金的分类、化学成分使用性能及用途化学成分/%类别 牌号WC TiC TaC(NbC) Co 使用性能及用途YG3X 97 3耐磨性好，但韧性较差。适用于铸铁、有色金属及其合金的
5、精镗、精车等。也可用于合金钢、淬火钢的精加工YG6X 94 6细颗粒碳化钨合金，耐磨性高于 YG6，强度接近于YG6。适用于冷硬合金铸铁与耐热合金钢或普通铸铁的精加工YG6 94 6耐磨性介于 YG8 和 YG3 之间。适于铸铁、有色金属及其合金的粗加工或半精加工，也用于有色金属线材的拉伸，地质勘探、煤炭采掘用钻头等YA6 9193 13 6细颗粒碳化钨合金由于加入少量稀有元素，耐磨性及强度高。适于铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦适用于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工和精加工钨钴类YG8 92 8强度高，耐冲击，适于铸铁、有色金属及其合金或非金属的粗加工、断续切削和钻深孔、扩孔等，还适用于
6、拉丝模、采掘工业用钻头、喷嘴、顶尖、导向装置等YT30 66 30 4红硬性和耐磨性好，可高速切削，但不耐冲击，焊接和刃磨时应加倍小心。适于碳钢和合金钢的精加工，如小断面精车、精镗、精扩及淬火钢的精车YT15 79 15 6耐磨性优于 YT5 和 YT14，但强度和抗冲击性较差。适于钢材的半精加工和精加工，如精车和半精车、精铣和半精铣、扩孔等YT14 78 14 8强度高，抗冲击性好，耐磨性略低于 YT15。适于钢材的粗加工和半精加工，如不平整断面和连续切削时的粗车，间断切削时的半精车，连续面的粗铣，铸孔的扩钻等钨钴钛类YT5 85 5 10在钨钴钛合金中强度最高，但耐磨性较差。适用于碳钢或合
7、金钢的粗加工及断续切削，如粗车、粗刨、粗铣及钻孔等YW1 84 6 4 6红硬性较好，能承受一定的冲击负荷，是一种通用性较好的合金。适用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工钢材和铸铁的加工通用类 YW2 82 6 4 8 耐磨性低于 YW1，但强度高且能耐较大的冲击负荷。适用于耐热钢、高锰钢、不锈钢及高合金钢等特殊难加工钢材的粗加工和半精加工，也可用于铸铁的加工1.2 硬质合金的性能 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 3 页共 16 页 常用硬质合金的力学性能和物理性能见表 2。表 2 常用硬质合金的力学性能和物理性能牌 号 硬 度HRA 抗弯强度/MPa 冲击韧性/J.cm-2 弹性模量/.
8、mm-2 热导率/J.cm-2.s-1.K-1 线膨胀系数/10-6.K-1YG3X 92 1100 4.1YG3 91 1200 6.86.9 0.88YG6X 91 1400 0.2 0.79 4.4YG6 89.5 1450 0.26 6.36.4 0.79 4.5YA6 92 1400 YG8 89 1500 0.25 6.06.1 0.75 4.5YT30 92.8 900 0.03 4.14.0 0.21 7.0YT15 91 1150 5.25.3 0.33 6.51YT14 90.5 1200 0.07 0.33 6.21YT5 89.5 1400 5.96.0 0.63 6.
9、06YW1 92 1200 YW2 91 1350 W18Cr4V 10.412.62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。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. 1 硬质合金的焊接性由于与硬质合金相焊的基体材料一
10、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以下问题：（1）焊接裂纹 硬质合金的热膨胀系数较小，一般为钢的 1/21/3，硬质合金和钢材焊后由于不能同 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 4 页共 16 页 步收缩，会在焊缝区形成很高的残余应力，且在硬质合金上多为拉应力，由此导致硬质合金开裂。焊接应力是钎焊硬质合金时出现裂纹以及接头低应力断裂的主要原因。（2）焊缝脆化 主要是在焊缝区形成 M6C 型复合碳化物 相，其中 M 包含 W、Fe 、Co、Ni 等元素，主要原因是硬质合金与钢进行焊接时，硬质合金中的碳向钢侧扩散，使硬质合金中含碳量降低而形成 相。
11、焊缝脆化导致接头的抗弯强度低。（3）气孔、夹渣及氧化 这主要是出现在钎焊接头中。当加热温度过高时，造成钎缝氧化及焊料成分的严重烧损；而加热温度偏低，则钎料流动性不好，形成虚焊,且焊缝内留有大量气孔和夹渣，以至严重降低焊缝强度.2.2硬质合金的焊接方法与工艺要素由于硬质合金与碳素钢之间的物理性能相差较大，目前钎焊和扩散焊仍然是可行而又实用焊接方法。此外一些新的焊接方法如钨极惰性气体保护电弧焊(TIG),电子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在积极的研究探索之中，将有可能在硬质合金的焊接中得到应用。2.2.1 钎焊钎焊是一种传统且广泛应用的硬质合金焊接方法，它的工艺成熟可靠，依据加热方式的不同分
12、以下一些工艺方法：（1)火焰钎焊火焰钎焊是用可燃气体(乙炔、丙烷等)与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接的一种方法。火焰钎焊设备简单、操作灵活方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。钎料多采用丝状或片状的铜基、银基钎料，其中 HL105 锰黄铜钎料应用最为广泛;钎剂一般采用脱水硼砂。火焰钎焊主要适用于中小尺寸硬质合金刀具、模具和量具的小批量生产，对于大型的硬质合金工具，由于火焰加热的温度和速度难以控制，加热时会产生较大的温度梯度，容易引发裂纹的产生，因此一般不采用此方法。（2)电阻钎焊电阻钎焊一般可分为直接加热法和间接加热法。直接加热法是将电极置于接头两侧，使电流经过钎缝面的接触电
13、阻而发热，从而完成焊接过程;间接加热法是将电极置于接头一侧的钢质母材上，电流通过钎缝一侧的母材电阻发热(或通过发热元件发热)来实现钎焊。采用间接加热法可避免电极与硬质合金接触，防止硬质合金的过热和烧损，避免其硬度的降低和 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 5 页共 16 页 开裂。可配用铜基或银基钎料，常用的有 H68、HL105 钎料等，其中 HL105 钎料的抗剪强度较高，对于 YT5 刀具的焊接，抗剪强度可达 28.5GPa，对于 YG8 可达到 29.7GPa。钎剂一般采用脱水硼砂。加热电压是电阻钎焊的重要参数，要选择合适的数值以保证合理的发热升温速度;其次要保证电极与工件接触处于
14、良好状态。加热过程中要及时排渣，防止钎缝夹杂和气孔形成而降低强度。使用硼砂钎剂时一定要先经过脱水处理，否则由于结晶水的存在，在焊接过程中结晶水蒸发，在焊接区域内产生大量气体，既影响了正常排渣，又易在焊缝中产生气孔。电阻钎焊的操作较为简单方便，效率比火焰钎焊高，工件表面的氧化较少，但是在加热过程中易造成工件局部过热烧损。此外对于复杂形状的工件、多刃刀具及尺寸很小的工件也不便操作。（3)感应钎焊感应加热钎焊的优点是加热迅速，钎料液化过程短，并可以在各种气氛(空气、保护气体、真空)下进行，能减轻硬质合金过热和氧化，有利于提高焊接质量;该方法的缺点是设备较复杂、一次性投资较大，其次是感应电流的趋表效应
15、，当钎焊大厚工件时，加热温度不均匀，难于保证钎焊质量，且效率也低，故一般只适用于钎焊结构型式简单(最好是轴类细长型)的小尺寸焊件。感应钎焊的工艺参数一般包括钎缝间隙、加热速度、冷却速度、感应圈形状尺寸、钎料钎剂的加入方式等因素。这些因素必须有一个合适的组配范围，因素的波动会对焊缝质量造成不良影响，尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力。钎缝间隙值是确保钎焊质量的重要参数。通常认为钎缝越小,焊接应力越大,反之亦然。钎缝间隙过小时,会发生“挤死”和“钎不透”,使接头强度下降和焊接应力增加;而间隙过大,毛细作用减弱,也会导致“钎不透”,使接头强度下降。因而大小适中的钎缝间隙对减小焊接应力和增强焊缝牢度
16、有很大的作用。加热和冷却速度对钎头焊接质量有很大影响。加热速度太快,合金中会产生较大的应力;加热太慢,则高温停留时间长,这虽然能使液态钎料的润湿和扩散更完善,但会造成合金的氧化烧损。通常加热以不超过 100/s 为宜。冷却速度太快,合金中会产生很大的收缩应力;冷却速度太慢,虽然能减小焊接应力,但对钢体材质的淬火不利，故一般以 60/s 为宜。感应圈是感应加热设备的重要元件,交流电源的能量是通过它传递给焊件而实现加热的,因此,感应圈的结构是否合理对于钎焊质量和生产率有很大影响。正确设计和选用感应圈的原则是:感应圈应有与焊件相适应的外形, 尽量减少感应圈本身和焊件之间的无用间隙,间隙最好不大于 23mm，以便提高加热效率。为了使焊件加热平稳、均匀，防止焊件尖角处发 张家界航空工业职业技术学院课程设计第 6 页共 16 页 生局部过热,应当合理选择感应圈的
