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真空條件下鎢鈷鈦硬質合金與40Cr鋼的真空釬焊

作者:蔡東俊 人氣:347742 日期:2022-01-22 16:29:56
 
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鎢鈷鈦硬質合金與40Cr鋼的真空釬焊
未刪減中英文全文下載:鎢鈷鈦硬質合金與40Cr鋼的真空釬焊
     鎢鈷鈦硬質合金與40Cr中碳鋼采用真空釬焊工藝焊接而成的。真空釬焊方法適用于成批生產各種硬質合金刀具和鉆探用的硬質合金鉆頭等?梢砸淮渭訜嵬瓿啥嗳杏操|合金刀具的釬焊,有較高的釬焊效率。大部分硬質合金工具以前是用焊接的辦法鑲嵌在中碳鋼或低合金鋼基體上使用,焊接工藝與硬質合金的使用性能密切相關,焊接性能的好壞直接影響到硬質合金的使用效果。在真空釬焊鎢鈷鈦硬質合金時,必須使焊接殘余應力盡量減小。焊接時必須采取措施減小釬焊應力,可采取降低釬焊溫度、焊前預熱及緩冷、選用塑性好的釬料、加補償墊片、改進接頭結構等措施。釬焊大面積硬質合金時,無論強度高低,均應采取特殊措施,以減小焊接應力和防止裂紋的產生。
 
1.硬質合金釬料的選擇
     硬質合金與鋼釬焊的釬料根據熔點和釬焊溫度分為高溫釬料、常溫釬料和低溫釬料三大類。釬焊溫度在1000℃以上的釬料稱為高溫釬料,如紫銅和106釬料等;中溫釬料的釬焊溫度在850~1000℃之間,如H62、H68黃銅釬料等;低溫釬料是指釬焊溫度在650~850℃之間,如B-Ag-1和L-Ag-49等含銀釬料。紫銅釬料的釬焊溫度高而焊縫強度低,多用于真空釬焊。純銅釬料屬單相組織,比較容易控制釬焊溫度,對各類硬質合金都有良好的潤濕能力,塑性好、價格最便宜。紫銅釬焊焊縫的剪切應力在150MPa左右,可在400℃以下使用。H68黃銅的釬焊溫度比紫銅低得多,但因焊縫強度過低,不經常使用。H62黃銅的熔點和釬焊溫度比較低,焊縫具有一定的室溫強度,是比較常用的硬質合金釬料。一般用于釬焊在中、小負荷條件下使用的硬質合金工具。需要高溫強度的焊縫或焊接面較小的情況下,應采用105釬料。L-Ag-49低溫銀釬料在國外使用比較普遍,因其熔點較低(690~710℃),對硬質合金有較好的潤濕性,有釬焊方便和應力小等優點。必要時還可以使用紫銅片做補償墊片,幾乎可以完全消除釬焊應力,避免釬焊裂紋?捎糜阝F焊一些易裂的硬質合金或一些大釬焊面的硬質合金工具。由于用L-Ag-49銀釬料釬焊的工件隨著使用溫度的提高,焊縫強度迅速下降,所以用L-Ag-49釬料的工件工作溫度應限制在200℃以下。與L-Ag-49銀釬料配合使用的釬劑中含有較多的氟化物和氯化物,對焊后清理工作要求較高,否則會因清洗不干凈而導致工件表面腐蝕。B-Ag-1釬料是一種超低溫銀釬料,熔點在600~610℃左右,能使硬質合金接頭的殘余應力進一步降低,也可用紫銅片做補償墊片來釬焊一些易裂的工件。由于B-Ag-1銀釬料的超低熔點且對碳化鎢有良好的潤濕性,也適用于金剛石大鋸片等某些金剛石工具的釬焊。但B-Ag-1銀釬料的價格高、高溫強度低,只適宜在低于150℃的溫度下使用。該釬料中鎘含量為24%,釬焊溫度較高時容易蒸發,有害于人體健康。釬焊時除了必須控制釬焊溫度外,還應在釬焊操作處安裝排氣裝置。釬焊后也應注意將工件清洗干凈,以免工件腐蝕。
 
2.釬劑的選擇
 
     釬劑的作用是使刀桿和硬質合金表面的氧化物還原,使釬料能很好地潤濕被釬焊的金屬表面。一般釬劑的熔點人低于釬料熔點100℃以上,并有較好的流動性和較低的黏度。釬焊加熱過程中熔化了的釬劑能保護釬料和釬焊面,同時起到對氧化物的還原作用。
對硬質合金釬料的主要要求如下。
① 釬料應對被釬焊硬質合金和鋼基體有良好的潤濕能力,保證釬料具有良好的流動性與滲透性。
② 硬質合金的使用特點之一是有較高的紅硬性,所以要保證釬焊焊縫在常溫和高溫下有足夠的強度。
③ 釬料的熔點要盡可能地低,以減小釬焊應力,防止發生裂紋,但釬料的熔點要高于焊縫的工作溫度300℃,以保證刀具在高速切削時能正常工作。
④ 釬料中不應含有低蒸發點的元素,以免在釬焊加熱時因釬料中的元素蒸發而影響接頭質量或有害于人體健康。
① 材質 刀體材質為40Cr鋼,刀片材質為     鎢鈷鈦硬質合金。
②   填充材料選用厚度為0.1mm的片狀純銅釬料BCu(Cu99.95%),熔化溫度1083℃,釬焊溫度1100~1150℃;
釬劑 選用釬劑牌號為YJ1,主要成分為硼砂,釬焊溫度為800~1150℃。也可以選用硬釬劑QJ201,釬劑成分為:硼酸80%,硼砂14.5%,氟化鈣5.5%;釬焊溫度為850~1150℃。
硼砂是硬質合金與鋼釬焊時最常用的釬劑,使用中應注意各種硼砂的適用范圍。
① 工業硼砂(生硼砂) 在使用前應先進行脫水處理,因為工業硼砂內含有10份結晶水(Na2B4O7.10H2O),再加上在空氣中吸收了大量水分,在釬焊加熱過程中會產生大量泡沫,不但使釬焊操作困難,而且也影響焊縫的質量,最好不采用。
② 脫水硼砂(Na2B4O7) 可用于釬焊各種牌號的硬質合金工作,釬焊溫度范圍在850~1150℃左右,適合用為紫銅、黃銅、Cu-Zn釬料、銀釬料等的釬焊熔劑,但不適于熔點低于800℃的釬料釬焊。脫水硼砂存放時必須注意防潮,若受潮應烘干后再使用。
硼砂的脫水處理是將工業硼砂盛在鋼制坩堝內,將坩堝放入850℃的電阻爐或焦炭爐內加熱,加熱過程中坩堝內的硼砂冒出大量的白色泡沫。隨著加熱溫度的升高,泡沫逐漸減少,直至泡沫消失。等硼砂全部融化成液體時即可停止加熱,將坩堝內綠色透明的液態硼砂倒在鐵盒內,冷卻后即自動裂碎成綠色玻璃狀碎塊。脫水后的硼砂顏色與熔煉時間長短有關,熔煉時間越長硼砂的顏色越深,但對釬焊的質量沒有影響。將熔煉后的硼砂塊搗碎,用60~80目篩子過篩后裝入瓶內待用。
③ 脫水硼砂(85%~90%)+氟化鉀(10%~15%)的混合熔劑 主要用于YT60、YT30等牌號硬質合金的釬焊。因氟化鉀有毒性,釬焊時在加熱設備附近必須裝有強力通風設備,及時將有害氣體排出。
     氟化物和氯化物有較強的吸水性,在配制含有氟化物和氯化物的熔劑時,也應進行脫水處理。脫水是氟化物和氯化物放在陶瓷或不銹鋼的坩堝中加熱至270℃左右,保溫3~4h,直到不冒煙為止。脫水后的氟化物和氯化物應儲存在密閉的玻璃容器內。在使用含氟化物或氯化物的熔劑時應注意通風,及時排除有害氣體。釬焊后及時清洗焊件,以免殘余的熔劑腐蝕焊縫和基體金屬。大多數釬劑都容易吸潮,要注意密封保存,做到隨用隨取。也可以釬劑預先調制成糊狀,糊狀熔劑是將配制好的釬劑加少量酒精、松香油、凡士林油等調成糊狀,涂抹在待焊的工件表面。使用低溫銀釬料時,也可用水將釬劑調成糊狀使用,糊狀釬劑應現用現配。
 
真空釬焊前準備
①真空釬焊前應先檢查硬質合金是否有裂紋、彎曲或凸凹不平等缺陷。釬焊面必須平整,如果是球形或矩形的硬質合金釬焊面也應符合一定的幾何形狀,保證合金與基體之間有良好的接觸,才能保證釬焊質量。
② 對硬質合金進行噴砂處理,沒有噴砂設備的情況下,可用手拿住硬質合金,在旋轉著的綠色碳化硅砂輪上磨去釬焊面上的氧化層和黑色牌號字母。如不去除硬質合金釬焊面上的氧化層,釬料不易潤濕硬質合金。經驗證明,釬焊面上若有氧化層或黑色牌號字母,應進行噴砂處理,否則釬料不易潤濕硬質合金,釬縫中仍會出現明顯的黑色字母,使釬焊面積減少,發生脫焊現象。
③ 在清理硬質合金釬焊面時,最好不用化學機械研磨或電解磨削等方法處理,因為它們都是靠腐蝕硬質合金表面層的黏結劑(鈷)來加快研磨或提高磨削效率的,而硬質合金表面的鈷被腐蝕掉后,釬料就很難再潤濕硬質合金,容易造成脫焊現象。真空釬焊前必須清理材料表面。方法是:在鑄鐵塊上涂抹W3.5金剛石研磨膏,對硬質合金釬焊部位進行打磨,直至光亮為止。同樣也對40Cr鋼進行表面處理:先在W150水砂紙上去除表面污物,再在W40砂紙上打磨。釬料也應在W150砂紙上打磨,使表面潔凈。最后,40Cr鋼、YG8硬質合金及釬料放入丙酮中清洗,除去表面油污等。處理完畢后,將釬料置于硬質合金與40Cr鋼之間(硬質合金位于上部),然后一并放入夾具中,特殊情況下,硬質合金釬焊面必須用上述方法或電火花線切割處理時,可將處理后的硬質合金再進行噴砂處理或用碳化硅砂輪磨去表面層。噴砂后的硬質合金可用汽油、酒精清洗,以去除油污。
④ 真空釬焊前應仔細檢查鋼基體上的槽形是否合理,尤其是對易裂牌號的硬質合金和大釬焊面的硬質合金工件,更應嚴格要求。刀槽也進行噴砂處理和清洗去除油污。清洗量大時,可采用堿性溶液煮沸10~15min。高頻或浸銅釬焊的多刃刀具及復雜量具,最好用飽和硼砂水溶液煮沸20~30min,取出烘干后再進行焊接。
⑤ 釬料使用前用酒精或汽油擦凈,并根據釬焊面裁剪成形。釬焊一般硬質合金刀具或模具時,釬料厚度0.4~0.5mm左右比較合適,大小與釬焊面相似即可。當用連續氮氣保護釬焊爐加熱時,釬料可適當增加。在釬焊硬質合金多刃刀具、量具等工件時,應盡量縮小釬焊片的面積,一般可將釬料片剪成釬焊面的1/2左右,當釬焊技術熟練時,可將釬料片減少至釬焊面的1/3或更小。減少釬料可使焊后工件外形美觀、刃磨更方便。
 
真空釬焊過程
 
    硬質合金工具的真空釬焊工藝是否正確對焊接質量有至關重要的作用。加熱速度對焊接質量有明顯的影響?焖偌訜釙褂操|合金片產生裂紋和溫度不均;但加熱過慢,又會引起表面氧化,使接頭強度降低。
    真空焊接硬質合金工具時,均勻加熱刀桿和硬質合金片是保證焊接質量的基本條件之一。如果硬質合金片加熱溫度高于刀桿,熔化后的釬料潤濕了硬質合金片而不能潤濕刀桿,接頭強度就會降低,在沿焊層剪切合金片時,釬料不破壞,而隨合金片脫開。在焊層上還可看到刀桿支撐面銑刀痕跡。如加熱速度過快,刀桿溫度高于合金片時,會出現相反的現象。
 
     釬劑、釬料和硬質合金安放順序和相互位置對釬焊質量有直接的影響。正確的安放方法是:將釬料放在刀槽上,撒上釬劑,再放硬質合金,在硬質合金頂面沿側面焊縫處再撒上一層釬劑。這樣在釬焊時便于掌握釬焊溫度,減少焊縫外黏附的多余釬料。真空釬焊過程中要正確地控制工件的真空釬焊溫度。真空釬焊溫度過高,會造成焊縫氧化和含鋅釬料中鋅元素的蒸發;真空釬焊溫度過低,焊縫會因釬料的流動性不好而偏厚,焊縫內有大量的氣孔和夾渣,這是造成脫焊的主要原因。真空釬焊溫度應比釬料熔點高30~50℃,這時釬料的流動性、滲透性好,易于滲透布滿整個焊縫。真空釬焊時,真空度保持在5 X 10-2Pa左右。真空釬焊加熱速度是真空釬焊過程中的重要參數,加熱速度過陜導致真空度急劇下降,易使硬質合金及釬料氧化。在生產中,真空釬焊工藝為:從室溫以10 ℃/min的速率升至800 ℃,保溫30min;再以9 ℃/min的速率升至設定溫度,保溫10min;然后隨爐冷卻。800℃保溫是使母材受熱均勻;以9℃/min的速率升至設定溫度,真空度不會明顯下降;設定溫度下的短時保溫是為了讓釬料充分熔化,并防止高真空下顆粒狀金屬鎂的過量揮發。雖然硬質合金釬焊冷卻時對冷卻速率有所要求,但在隨爐冷卻過程中,未發現由于應力過大而導致開裂的現象。根據釬料的熔點,確定真空釬焊的溫度為1105~1120℃,共6個釬焊溫度。在確定最佳釬焊溫度后,設置EP23溫控表,按照設定真空釬焊工藝執行.
 
   
   真空釬焊后的冷卻速度是影響釬焊裂紋的主要因素之一。冷卻時硬質合金片表面產生瞬時拉應力,硬質合金的抗拉應力大大低于抗壓應力。尤其是YT60、YT30、YG3X等硬質合金釬焊面積較大以及基體小而硬質合金較大的工件,更應注意釬焊后的冷卻速度。通常是將焊后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中,使工件緩慢冷卻。這種方法操作簡單,但是無法控制回火溫度。有條件的可在釬焊后立即將工件放入220~250℃的爐內回火6~8h。采用低溫回火處理能消除部分釬焊應力,減少裂紋和延長硬質合金工具的使用壽命。
 
真空釬焊后清理
 
   真空釬焊完畢后,產品可用砂紙打磨,并用拋拋光膏精拋。對真空釬焊好的硬質合金工件進行焊后清理,以便將焊縫周圍殘余的熔劑清除干凈,否則在刀具刃磨時多余的熔劑會將砂輪堵塞,使磨削困難。焊后殘留的熔劑也會腐蝕焊縫和基體。常用的清除方法是將焊后已冷卻的工件放入沸水中煮1~2h左右,然后再進行噴砂處理,即可清除焊縫四周黏附的殘余釬劑及氧化物等;或將工件放入酸洗槽中進行酸洗(硝酸濃度為3% ~5%),和NaOH溶液洗。酸洗時間大約1~4min,然后放入冷水槽和熱水槽中反復清洗干凈。
 
真空釬焊產品質量檢驗
 
     主要檢查硬質合金與鋼釬焊接頭質量以及硬質合金有無裂紋存在。正常的焊縫應均勻無黑斑,釬料未填滿的焊縫不大于焊縫總長的10%,焊縫寬度應小于0.15mm。刀片釬焊歪斜,不符合圖紙要求者應重焊。硬質合金刀片的裂紋傾向可用下列方法檢查。
① 刀具經噴砂清理后,先用煤油清洗,然后用肉眼或放大鏡觀察。當刀片上有裂紋時,表面上會出現明顯的黑線。
② 用65%的煤油、30%的變壓器油及5%的松節油調成溶液,加入少量蘇丹紅,將預檢查的工具放入該溶液中浸泡約10~15min,取出用清水洗凈,涂上一層高嶺土,烘干后檢查表面,如工具上有裂紋,溶液的顏色便在白土上顯示出來,用肉眼可明顯地看到。
 
     礦山采掘用硬質合金工具的使用特點是沖擊負荷大、震動大,要求硬質合金片既要焊得牢固,釬焊應力又要小,槽形加工的表面粗糙度對焊縫強度有較大的影響,粗糙度越低焊縫的強度越高(但是粗糙度越低加工越困難。一般在粗糙度Ra6.3左右即可。為了得到外觀又薄又均勻的焊縫,硬質合金量具的槽形加工精度應高一些。
 
常用硬質合金的分類與牌號
類別
牌號
化學成分。/%
性能
適用范圍
WC
TiC
TaC
Co
鎢鈷類合金
YG3X
96.5
-
<0.5
3
 適于鑄鐵、有色金屬及其合金的精鏜、精車等,亦可用于合金鋼、淬火鋼及鎢、鉬材料的精加工
 
 碳化鎢含量較高,粘結劑含量較低時,其硬度較高,抗彎強度則較低;
 因而,YG3則適于精加工;反之YG15能承受較大的沖擊載荷,適用于粗加工。
YG6
94.0
-
-
6
 適于鑄鐵、有色金屬及其合金、非金屬材料連續切削時的粗車,間斷切削時的半精車、精車
YG8C
92.0
-
-
8
 適于沖擊回轉鑿巖機鑿堅硬巖石,含堅硬夾石的切煤機齒、油井鉆頭、鉆進堅硬巖石的沖擊式鉆頭、沖壓模具、刨刀和插刀等
YG15
85
-
-
15
 適于沖擊回轉鑿巖機鑿堅硬、極堅硬巖石,在較大應力下工作的穿孔及沖壓工具
鎢鈦鈷類合金
YT5
85
5
-
10
 適于碳鋼、合金鋼、鍛件、沖壓件、鑄件的表皮加工,不平整斷面、間斷切削時的粗車、粗刨、半精刨。粗銑、鉆孔等
 加人碳化鈦,提高了硬度和耐熱性。
 含碳化鈦越多,鈷越少,則合金的硬度、耐磨性和耐熱性越好,而抗彎強度就越差。因此YT30用于精加工,而YT15適用于粗加工。
YT15
79
15
-
6
 適于碳鋼。合金鋼連續切削時半精車、精車,間斷切削時小斷面精車,連續面半精銑、精銑、孔精擴、粗擴等
YT30
66
30
-
4
 適于碳鋼、合金鋼精加工,如小斷面精車、精鏜、精擴等
通用合金
YW1
84~85
6
3~4
6
 適于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工鋼材的精加工,及一般鋼材、普通鑄鐵、有色金屬的精加工
 加人碳化鉭,顯著提高了合金的硬度、耐磨性、耐熱性及抗氧化的能力!】设T鐵、耐熱鋼、高錳鋼、高級合金鋼等難加工的材料和有色金屬。
YW2
82~83
6
3~4
8
 適于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼、高級合金鋼等難加工鋼材的半精加工,及一般鋼材、普通鑄鐵、有色金屬的半精加工
 
硬質合金的焊接特點
    硬質合金主要用于制造刀具、量具、模具、采掘工具以及整體刀具等雙金屬結構。切削部分為硬質合金,基體為碳素鋼或低合金鋼,通常為中碳鋼。這類工件在工作時受到相當大的應力作用,特別是壓縮彎曲、沖擊或交變載荷,要求接頭強度高、質量可靠。硬質合金具有高硬度和耐磨性好的特點,但也存在脆性高、韌性差等缺點。
 
真空釬焊硬質合金與鋼焊接時有如下的特點。
 
① 線膨脹系數與釬焊裂紋的關系 硬質合金的尺寸比較小,一般是固定在一個比較厚大的鋼支撐材料上使用。釬焊是把硬質合金和基體金屬連接在一起的有效焊接方法。硬質合金的線膨脹系數(4.1~7.0×10-6/℃)與普通鋼的線膨脹系數(12×10-6℃-1)相比差別很大,硬質合金只有鋼的1/3~1/2左右。加熱時硬質合金和鋼都自由膨脹,但冷卻時鋼的收縮量比硬質合金大得多。此時焊縫處于受壓力狀態,而在硬質合金表面上則承受拉應力。如果殘余應力大于硬質合金的抗拉強度時,硬質合金的表面就可能產生裂紋。這是硬質合金釬焊時產生裂紋的最主要原因之一。
 
② 硬度與裂紋敏感性的關系 硬質合金的硬度與耐磨性和焊接裂紋敏感性成正比,硬質合金的硬度越高,釬焊時產生裂紋的可能性越大。而且,一般精加工或超精加工所用的硬質合金,在釬焊時容易發生裂紋。根據不同牌號的硬質合金的硬度和強度大小可以判斷硬質合金的焊接裂紋敏感性,由差到好的排列順序如下。
 
YG類 YG3X,YG3,YG4,YG6X,YG6,YG8,YG11,YG15
 
YT類 YT60,YT30,YW1,YT15(YW2),YT14,YT5
 
以上兩類硬質合金,從左至右表明硬度和耐磨性逐漸降低,而強度和韌性增加,釬焊裂紋發生的可能性減小。
 
③ 焊接殘余應力的影響 焊接區域的殘余應力是一種潛在的危害,盡管焊接后硬質合金工件上不一定能馬上發現裂紋,但在隨后的刃磨、保管或使用過程中卻容易產生裂紋,造成工具報廢。當硬質合金的釬焊面積越大時,產生的焊接殘余應力越大,發生裂紋的可能性也越大。
 
 
 
 
 
 
 

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