硬质合金的真空钎焊工艺

硬质合金的真空钎焊工艺
冯胜利，蒋邻
（庆安制冷有限公司，陕西西安，710077）
摘要：介绍了活门套组件真空钎焊过程中所存在的工艺难点，及解决这一难点所做的工艺改进工作和试验研究，成功地解决了由于硬质合金与合金钢之间的热膨胀系数相差较大，在真空钎焊过程中因吸热、散热不一致产生应力而引起硬质合金开裂的问题；分析了工艺过程中发生了脱焊、开裂现象，及其影响钎焊接头质量的因素，对发生的故障做了充分的失效分析；介绍了采用划线--压持定位钎焊夹具，解决钎焊定位精度的方法。

目前按此工艺方案生产出几批零组件，整机装配使用，效果良好。

关键词：硬质合金；真空钎焊；应力补偿；焊接定位
0 引言
防喘调节器是发动机的重要调节部件。

防喘调节器通过飞重组件感受发动机变化着的转速，控制分油活门轴向位移，输出液压功率，对发动机的流场进行调节，以适应不同的飞行姿态，防止发动机喘振。

1 产品要求
活门分组件通过锥形销与活门连接组成活门组件，工作时它在飞重组件的带动下，以3000 r/min的高速旋转同时轴向运动分配油液。

因此，活门套分组件是防喘调节器的核心部件。

活门分组件见图1。

它是由1 号活门套(25Cr3MoA)、2 号内垫圈（1Cr12Ni3MoVN）、3 号耐磨圈（YG6）和4号耐磨片（YG6）组成。

产品要求：活门套与耐磨片选用Cu3无氧铜（200 目粉状）作钎料在真空炉内焊接，定位焊要求三耐磨片对成均布（安装中心相距120°±1°）其角向位移量不大于0.38 mm，如图1 所示。

焊后900℃±20℃淬火和600℃+20℃回火处理，再将该焊件按尺寸机加成形；先将内垫圈与耐磨圈选用HLAgCdZnCu(25-16-17) 银铜锌镉焊料片，采用高频钎焊焊接。

最后采用J-27H 粘结剂连接在活门套组件上，见组件产品图2。

2 工艺制造难点
（1）采用的Cu3 粉状钎料，钎焊后钎缝厚度达不到要求，焊后产生应力裂开。

（2）焊件真空钎焊后，在后续加工淬火- 回火热处理过程中，钎缝或耐磨片拉裂。

（3）耐磨片钎焊定位精度：角向位移量不大于0.38mm 难以达到。

3 工艺工程对钎焊接头的影响因素
3.1 钎焊
产品钎料熔点1 083℃，钎焊温度在1 120℃，在真空炉内焊接。

钎料使用时，钎料预置到被钎焊零件之间。

为了防止液态钎料对耐磨片的漂移作用，影响焊后产品的定位精度，设计制造了压持焊接定位夹具，装配时，按照划线限位，台阶销顶压位的方法保证了钎焊后的定位尺寸。

焊后目视检查：钎缝结合面周边连续。

荧光检查：耐磨片三周边没有荧光堆积（另一边根部R角形成间隙过大，形不成毛细作用）。

低倍金相检查中发现Cu3 钎料对钢和硬质合金均有较好的润湿性，形成的钎缝层较薄，不到0.4 mm，对后续加工的应力变形不利。

3.2 淬火- 回火热处理对钎焊质量的影响
组件钎焊后在900℃~910℃保温50~60 min油淬，再经620℃保温70~90 min回火。

荧光检查发现产品钎缝有荧光堆积的现象，表明钎缝已不连续。

这是由于活门套25Cr3MoA 材料与硬质合金YG6 膨胀系数差异较大，在加热过程中，产生较大的剪切应力，由于钎缝较薄，塑性变形能力有限，当产生的应力大到一定程度钎缝被拉裂。

这是产生裂纹的根本原因。

3.3 镀铜、渗氮和退铜槽液对钎缝的影响
产品表面镀铜后经机加去掉部分镀铜层露出材料基体进行渗氮强化处理（加热到480℃保温60 h），再放入退槽液中浸泡2~3 h，退掉渗氮保护的镀铜层。

荧光检查，原先荧光堆积的有所增加，无堆积的仍不出现荧光堆积。

选择荧光堆积比较严重的试件做剪切力机性试验，试验结果无缺陷的抗剪切力最大为3.85 kN，缺陷严重的只有0.94 kN，都是同一零件相差甚大。

从破坏的结合面发现，凡承载剪切力大的拉断处均连带基体材料，断口不齐呈撕破状；凡承载剪切力小的只有小部分呈撕破状，大部分结合面存在有黑色疏松粉状物，局部还形了凹坑。

这是因为镀铜槽液渗入钎缝裂纹，残留在缝隙内，再经渗氮加热碳化，退铜槽液对钎缝进一步腐蚀开裂，这类缺陷影响较严重。

但对无裂纹的钎焊接头影响不大。

3.4 机加对钎焊缝的影响
机加磨削对钎缝的影响也不可忽视，若磨削量过大，加工过程产生的热量和磨削造成的摩擦力，均对钎缝造成损坏。

4 影响钎缝强度和掉片的主要原因
4.1 钎缝层薄
钎缝层薄是由于在钎焊过程中，采用焊接夹具的压持作用所为。

焊时把Cu3 钎料预置到钎焊间隙中间，在加热条件下钎料熔化，因为外部温度高，真空度好，加上焊接夹具的压持作用，液态钎料向外流淌，被焊零件间隙变小。

凝固后形成很薄的钎缝。

4.2 热应力
被钎焊材料硬质合金比热容小，导热性差，热膨胀系数小，与25Cr3MoA材料热膨胀系数相差3倍。

耐磨片厚不足2 mm，宽窄比约为2：1的条片在淬—回火热处理加热—冷却过程中，产生较大的热应力，易拉裂钎缝或硬质合金片，这是产生裂纹的主要原因。

5 真空钎焊工艺改进
5.1 应力补偿片
在钎缝中心增加过渡金属，来吸收所产生的热应力，过渡金属起着吸收应力的补偿作用。

在工艺上被称作应力补偿片。

补偿片的热膨胀系数应是介于两被钎焊的材料之间。

本次试验选用BNi2基钎料，补偿片用T2纯铜带材。

5.2 应力补偿片表面镀冲击镍
为了满足生产急需，Ni 基钎料对两被钎焊材料有较好的润湿性能，结合产品特点和现有工艺条件，选用T2纯铜带材做应力补偿片，采用BNi82CrSiB200目粉状钎料。

钎焊后硬质合金表面出现裂纹，如图3低倍金相照片所示。

钎缝溶蚀如图4所示，钎缝中心铜片被Ni 基钎料溶蚀，在图5中这种现象更为严重。

这是因为铜与镍有着相互无限固溶的冶金特性。

钎焊过程中，钎料熔化后，液态钎料中的镍对固态铜片有较大的互溶作用，形成匀晶。

然而镍基钎料组分的B 和Si 元素能够穿过晶粒向铜基体扩散，形成的B 和Si 的间隙固溶体新合金相，使铜基体塑性下降、材质硬化，加热过程产生的热应力无法吸收，使硬质合金产生裂纹。

为了阻止镍基钎料中的B 和Si元素对铜补偿片的硬化作用，采用镀镍层作吸附层，以吸附镍基钎料的B和Si元素的扩散。

另外在试验中，还发现压持夹具定位台阶销与耐磨片硬质合金压持接触点粘连，卸去钎焊夹具，硬质合金触压点有麻点，经锉修麻点扩大，造成局部区域疏松。

粘连、麻点区域疏松缺陷分析：钎焊时，在压持夹具自重压力下，使夹具承力部分台阶销与镀镍的耐磨片紧密贴合，在真空负压、1 060℃±10℃高温条件下，经过5~7min达到了固—固相相互扩散的条件，镀层Ni、台阶销（1Cr18Ni9Ti）和耐磨片（WC+Co）相互扩散，形成含有Ni-Co、Ni-W 和C的金属化合物相等新的接头，使压持点局部产生脱碳，造成区域的贫W、贫Co，为了防止扩散形成粘连、麻点和区域疏松，决定取消耐磨片镀Ni并在夹具台阶销压持部位涂止
流剂，以阻止扩散形成。

5.3 耐磨片焊接定位
为了保证真空钎焊后耐磨片定位焊精度在1 201° ±1°，设计制造了压持定位夹具。

压持定位夹具开敞性好，依靠夹具自重压持定位，基本满足真空钎焊工艺的要求。

耐磨片体积小，安装面窄小，较难观察和安装。

为了放置精确，依照耐磨片尺寸，在活门套待钎焊位置划线，划出定位区域，线框误差应符合定位精度要求。

安装时利用5 倍台式放大镜可以准确放置，焊后基本满足了定位要求。

5.4 工艺要求
5.4.1 喷砂
为了改善钎焊面的润湿性能及结合强度，活门套除油后对待钎焊面喷砂（允许整体喷砂）处理。

5.4.2 应力补偿片镀冲击Ni
冲制成形的T2 铜补偿片去毛刺、校平，镀冲击Ni，镀后立即放入无水乙醇溶液内浸泡清洗，严禁裸手触摸污染或放置时间过长（不超过4 h为最佳）。

5.4.3 调制钎料
采用镍基钎料BNi82CrSiB、规格为150~200 目粉状；与三氯乙烯或无水乙醇调制成稀糊状。

5.4.4 装配、入炉
为了防止过量镍基钎料，应特别注意适量逐层涂抹。

放置压持夹具应轻、稳和准确，注意台阶销定位作用和台阶销压持接触处涂止流剂。

校正定位应在5倍台式放大镜下进行，确认无误后入炉，允许在炉内晾干调制剂。

6 钎焊质量检查
用应力补偿片的镍基真空钎焊工艺，荧光检查生产过程成品，未发现荧光堆积，产品宏观可观察到补偿片边沿铜层，钎焊连续。

抽1#和2#做低倍和金相组织检查，从15倍、50倍、200倍金相照片分别观察到，钎缝结合正常。

由金相试验报告结果：镍基钎料对铜片无溶蚀现象，表明T2铜补偿片表面镀冲击Ni避免B和Si元素的渗透固溶。

钎焊面100%铺展，机体材料25Cr3MoA为典型回火索氏体，组织正常。

由机性试验报告结果，最低抗剪强度也在2.2kN，破坏处均未在钎缝结合面，都使耐磨片破碎，表明钎焊质量优良。

7 结论
经过工艺试验研究，解决了制造过程存在的工艺难点，成功试生产过两批零组件，供装
配使用。

（1）采用T2铜片（表面镀冲击Ni）作应力补偿片，成功解决了因被钎焊材料热膨胀系数差异较大（1：3），钎焊后淬-回火热处理钎缝开裂工艺难点；
（2）选用HBNi82CrSiB 镍基钎料，改善了钎焊工艺性能，达到了该产品钎透率；
（3）T2铜应力补偿片表面镀冲击Ni做隔离层，阻止了镍基钎料对应力补偿片的溶蚀；
（4）采用划线、放大镜下装配，压持夹具定位，基本保证了耐磨片的定位精度；
（5）台阶销除止流剂，排除了耐磨片与定位台阶销粘连和压持处的麻点缺陷。

作者简介
冯胜利男，庆安制冷有限公司高级工程师，从事焊接研究。

蒋邻女，庆安制冷有限公司高级工程师，从事焊接研究。