YG30硬质合金与45钢TIG焊接头组织及抗弯强度的研究

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图 1 3 层 TIG焊焊接接头宏观形貌
将焊好的圆盘状试样切割并磨制成标准弯曲试样 ( t = 3 mm , w = 4 mm) ,见图 2 ,试样焊接接头的坡口开 口向下 ,整个焊接接头位于两个上支点之间 。每个规 范分别取 10 个试样进行试验 。试验采用 WE - 10A 型 液压式万能试验机 (0～5 t) 提供试验载荷 ,在室温 10～ 35 ℃下进行 ,弯曲应力增加速率控制在 3～30 MPa/ s 范 围内某个尽量恒定的值 ,采用 YD - 15 型动态电阻应变 仪和 TYPE3036X - YRECORDER 记录仪实现试验结果 的输出并绘制 P - f 关系曲线 。将试样对称地安放 于弯曲试验装置上 ,对试样连续施加弯曲力 ,直至试
把圆盘状 (直径 50 mm ,厚 6 mm) 的 YG30 和 45 钢 分别切成半圆盘状 ,沿直径开 30°坡口 ,每一种焊丝分别 进行 3 层 TIG焊 。TIG焊工艺参数 :焊接电流90 A ;频率 80 Hz ;焊接速度 40 mm/ min 。焊后沿试样中心纵向剖
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成 η相 ,但由于焊丝中碳的含量过高 ,使焊缝及 YG30/ 焊缝界面处生成了较多的 TiC ,焊缝的含碳量增加 ,反 而降低了焊接接头的抗弯强度 。因此 ,当采用 Ni - Fe - C 合金作为填充金属时 ,只有碳含量适当 ,才能起到 既抑制了 η相的生成 ,又能提高抗弯强度的作用 。
利用 X 射线衍射仪对 YG30/ 焊缝的界面处物相进 行分析 ,谱线见图 4 ,可以看出界面处除了有焊缝组织 γ- ( Fe , Ni ) 与 TiC、YG30 硬 质 合 金 的 WC 外 , 还 有 Fe3W3C 生成 ,这就证明了在 YG30/ 焊缝的界面处产生 的 η相为 M6C 型的 Fe3W3C[7 ,8 ] 。 2. 3 焊接接头抗弯强度分析
关键词 : η相 TIG 焊 硬质合金 抗弯强度
STUDY ON MICROSTRUCTURE AND BENDING STRENGTH OF WELDED JOINTS OF Y G30 CEMENTED CARBIDE AND STEEL 45
Dalian Railway University Wang Hao , Yang Dexin , Zhao Xiujuan , Chen Chunhuan Dalian Heavy2industry Group Co Ltd Wang Qingzhang , Zhao Xiaohui
Key words : η phase , TIG welding , cemented carbide , bending strength
0 前 言
硬质合金具有高硬度 、高耐磨性及良好的红硬性 等优异性能 ,因而广泛的应用于机械加工 、地质勘探 、 矿山开采等工业领域 。硬质合金与钢连接已成为解决 硬质合金尺寸有限 、形状简单 、成本高 、韧性差等不足 的主要方法[1～3 ,4 ,5 ] 。但目前通常采用的钎焊结合强度 和使用温度低[6] ,扩散焊生产设备要求高 、硬质合金与 钢界面易形成有害的 η相 ,使结合部位抗弯强度低等 问题[3] 。钨极惰性气体保护焊 ( TIG 焊) 是硬质合金与 钢连接的新方法 。本文分析了用 Ni - Fe 合金和 Ni - Fe - C 合金作为填充金属的 TIG焊接头中 η相的形貌 、分
焊接接头弯曲试样的抗弯强度见图 5 ,我们可以看
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图 4 YG30/ 焊缝界面相分析 图 5 抗弯强度与断裂位置
图 3 YG30/ 焊缝界面组织
到 ,1 # 试样的平均抗弯强度最低 ,为 0. 96 GPa ,3 # 试样 平均抗弯强度最高 ,为 1. 341 GPa 。观察断裂的弯曲试 样 ,发现 1 # 试样大部分是沿 YG30/ 焊缝界面断裂 ,断口 平直 ,见图 6a 。在扫描电镜下观察断裂位置 ,能清晰的 看到裂纹沿分布有大块 η相的熔合线起裂 ,由于在整 个界面都有大块的 η相聚集 ,所以裂纹沿着整个界面 扩展 ,见图 6b ,最终沿界面断裂 。因此我们认为大块 η 相存在于 YG30/ 焊缝区域是 1 # 试样抗弯强度低的原因 所在 。大部分 2 # 试样是由熔合线起裂 ,然后扩展到硬 质合金母材 ,断口形状不规则 。这是由于 2 # 试样生成 的η相少而且分布不连续 ,在坡口下部有 ,而上部没 有 ,所以裂纹虽然从大块的 η相处起裂 ,但没有沿熔合 线扩展 ,而是扩展到了脆性的 YG30 母材 ,2 # 试样较 1 # 试样的抗弯强度有所提高 。图 6c 为 2 # 试样断口的扫 描电镜形貌 ,断口分为两个区域 ,一个区域是断在 YG30 母材处 ,是明显的脆性断口 ,没有韧性的痕迹 ,可以看到 大量 WC 颗粒的堆积 。另一个区域则是焊缝组织 ,是韧 窝断口 ,在断口表面有许多凹凸不平的的小坑 ,即所谓 的韧窝 。图 6d 为另一张 2 # 试样的断口形貌 ,可以看到 在焊缝组织上附着着几个大块的η相 ,η相的内部还有 未转变完全的 WC。由此可见 ,在应力的作用下 ,首先 从大块 η相聚集的地方起裂 ,如果大块 η相是不连续 的 ,则裂纹向硬质合金母材扩展 ;如果大块 η相在界面
图 2 四点弯曲试验示意图
样断裂 ,读取最大弯曲力 Fbb ,通过弹性弯曲应力公式 σbb = 3 Fbb ( L - l) / (2 wt2) 计算抗弯强度 。
2 试验结果与分析
2. 1 焊接接头的组织 用扫描电镜对焊接接头 YG30/ 焊缝一侧组织进行
了观察 , YG30/ 45 钢 TIG 焊的所有接头焊接界面接合良 好 ,没有焊接缺陷 。在采用 1 # 和 2 # 焊丝时 ,在 YG30/ 焊缝处有 η相 (η相呈黑色) 形成 ,而用 3 # 和 4 # 焊丝的 YG30/ 焊缝处没有形成 η相 。图 3 为焊接接头纵向坡 口中部组织 。采用 Ni - Fe 合金焊丝 (1 # ) 时 ,见图 3a , 在 YG30/ 焊缝整个界面处分布有一些大块的η相 ,在距 界面稍远距离有大量细小的 η相 ,η相层厚度可达 150 μm 左右 ,这些大块的 η相具有较规则的外形 ,在内部 大部分有明显的晶界 ,一般大块 η相中有未转变完全 的 WC ,呈白色 。η 相形成的原因在于 , 一方面 , 由于 YG30/ 焊缝界面的两侧碳化学位差的存在 , 使 WC 贫 碳 ,同时焊缝和 45 钢中的大量 Fe 元素扩散到界面处 , 使 Fe 元素的浓度达到很高的值 ,这样的情况下 , Fe 元 素容易进入贫碳的 WC ,从而使 WC 从外部到心部发生 向 η相的转变 ;另一方面 ,在 YG30 侧的近熔合线处 ,由 于 YG30 中的 Co 熔点较低而熔化 ,加上焊接过程的搅 拌作用 ,使已转化的与未转化完全 WC 的开始聚集 ,从 而在 YG30 侧近熔合线处形成了大块的 η相[6] 。采用 2 # 焊丝 (图 3b) 时 ,对整个焊缝的组织观察表明 ,只有在 坡口下部有细小的η相生成 ,而在坡口上部没有形成η 相 ,相对于 1 # 焊丝来说 ,η相的量少 ,η相的层也比较 薄 ,这说明在焊丝中 C 的加入减小了 YG30/ 焊缝两侧 C 的化学位差 ,有效抑制了 η相的产生 。由图 3c 、图 3d 可以看出 ,3 # 、4 # 焊丝 TIG焊没有生成 η相 ,在 4 # 试样 的焊缝区域有大量的白色颗粒 ,通过能谱和 X 射线衍 射分析 ,它们是富 Ti 的物质 ,结合焊丝的成分 ,我们认 为是由于焊丝中含 C 元素较多 ,因此在界面焊缝区域 形成了一些 Ti 的碳化物 ,如 TiC。 2. 2 YG30/ 焊缝界面的 X 射线分析
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试验研究
Y G30 硬质合金与 45 钢 TIG 焊接头组织及抗弯强度的研究
大 连 铁 道 学 院 材 料 科 学 与 工 程 系 (116028) 王 浩 杨德新 赵秀娟 陈春焕 大连重工集团有限公司焊接技术研究所 (116022) 王庆章 赵晓辉
图 6 扫描电镜断口形貌
布和化学成分 ,探讨了 η相对焊接接头弯曲强度的影 响 ,为硬质合金与钢 TIG焊连接技术研究及 Ni - Fe - C 焊丝的开发奠定了基础 。
1 试验材料与方法
试验的被焊材料为 YG30 硬质合金和工业用 45 钢 ,填充金属为 2. 5 mm ×2. 5 mm ×350 mm 的 Ni - Fe 、 Ni - Fe - C 合金 ,其主要化学成分见表 1 。
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处连续分布 ,则裂纹沿界面的 η相迅速扩展 ,直到材料 发生破坏 。因此 ,大块 η相往往是断裂的根源 ,它的存 在使焊接接头的抗弯强度大大下降 。3 # 试样由于适量 碳的加入 ,完全抑制了脆性 η相的形成 ,从而提高了接 头的韧性 ,得到了最高的抗弯强度 。4 # 试样也没有形
摘要 选用 Ni - Fe 合金和 Ni - Fe - C 合金作为填充金属对 YG30 硬质合金与 45 钢进行了 TIG 焊试验 ,运用扫 描电镜 、X 射线衍射 、弯曲力学性能试验等方法对焊接接头的组织形态 、物相及抗弯强度进行了研究 。结果表明 , 分布于 YG30/ 焊缝界面区域的 η相为 M6C 型的 Fe3W3C , η相的存在是焊接接头抗弯强度低下的原因 。适当碳含 量的 Ni - Fe - C 合金作为填充金属 ,能够提高焊接接头的抗弯强度 。
Abstract The tungsten inert - gas arc welding (TIG welding) of YG30 and steel 45 was carried out using the filler metal with Ni - Fe - C alloy and Ni - Fe alloy. The scanning electronic microscope (SEM) , X - rays and bending strength test were used to analyze the microstructure , phase and bending strength of the welded joints. The results showed that the ηphase distribut2 ed at the interface of YG30 and weld bead was Fe3W3C , which belonged to the type of M6C. It was the existence of the ηphase that lowered the bending strength and the toughness of the welded joint seriously. By using Ni - Fe - C alloy with proper carbon content as filler metal , the formation of the ηphase could be restrained and the bending strength of the welded joint could be im2 proved.
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开 ,制备金相试样 (宏观形貌见图 1) ,用村上试剂[6] 浸 蚀组织 。η相形貌用 JSM - 6360LV 型扫描电镜进行了 分析 ,并利用 Philips PW1710 型 X 射线衍射仪对界面组 织进行物相鉴定 。
表 1 试验材料的主要化学成分 ( %)
No.
Ni
C
Hale Waihona Puke Fe155. 38