硬质合金与中碳钢的钎焊_禹业晓

材近焊缝一侧的扩散区组成；接头组织靠硬质合金一侧界面平整，钢一侧界面有明显反应过渡层区，而且钎料组分有明
显向钢一侧富集的趋势。铜钎料的扩散区相对较窄；银钎料与钢反应扩散区较宽，扩散更充分。维氏硬度测试结果表明，
因感应钎焊的淬火效应焊接后硬质合金的显微硬度有显著增加。
关键词：硬质合金；感应钎焊；界面组织；显微硬度
1 μm
1000 ℃以 内 组 分 很 难 扩 散 ，如 图 4(c)、(d)钎 料 和 硬 质合金界面比较平整， 尤其是黄铜钎料与硬质合金
图 5 钎缝组织 Fig.5 Microstructure of the brazed joint
界面没有明显的界面反应扩散区。
界面反应扩 散区(Cu-Zn-Fe 三 元 反 应 区)，三 者 的 原
有 Cu、Zn、Fe 三种元素，为 45 钢母材与铜锌钎料的 侧的扩散区，二者的原子数之比为 4.26:95.74，该 区
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Hot Working Technology 2013, Vol.42 , No. 11
只有少量 Cu 元素，应该是钎料组分向 45 钢母材的 扩散，而且 Cu 元素要比 Zn 元素更易扩散。
中 图 分 类 号 ：TG454
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2013)11-0172-03
Research on Brazing of Medium Carbon Steel and Cemented Carbide
YU Yexiao, LI Yulong
(Key Lab of Robot & Welding Automation, Mechanical & Electrical Engineering school of Nachang University, Nanchang 330031,China)
100 μm
图 2 45 钢焊接后组织 Fig.2 Microstructure of 45
steel after brazing
2 μm
图 3 硬质合金 Fig.3 Microstructure of
cemented carbide
钎焊时，首先对 45 钢轮盘和硬质合金颗粒焊接 表面进行去氧化膜及去油污处理； 然后将粉末状钎
收 稿 日 期 :2012-12-19 基金项目: 江西省青年科学家 (井冈之星) 培养对象计划资助项目
(2010DQ01000) 作者简介:李玉龙(1978- ),男,辽宁义县人,副教授,博士,硕士生导师,从事
钎焊、特种连接、 光纤智能金属结构方面的科研和教学工作, 发表论文 30 余篇;E-mail:liyulong1112ster@gmail.com
轮盘(调质态)和 YG9 硬质
合金颗粒。 轮盘的内外径
分别为 25、75 mm，YG9 硬
质合金 颗粒为直 径 4 mm、
长 8 mm 的 圆 柱 状 ， 见 图
1。 轮盘 45 钢的显微组 织 图 1 45 钢轮盘和硬质合金
为回火索氏体， 焊接后因
颗粒
Fig.1 45 steel wheel and
界面反应扩散区 10 μm
硬质合金母材
界面反应扩散区 硬质合金母材
2.5 μm
2.5 μm
(a) 45 钢 /CuZn 钎料界面
(b) 45 钢 / 银基钎料界面
(c) YG9/CuZn 钎料界面
图 4 钎缝组织 Fig.4 Microstructure of the brazed joint
(d) YG9/ 银基钎料界面
图 5 是铜锌钎料焊接接头的能谱分析。 图中 1 子数比为 60.34:36.73:2.93， 该区只有 少 量 的 Fe 元
点能谱分析只有 Cu、Zn 两种元素，二者的原子数之 素， 应该是 45 钢母材中的 Fe 原子向钎料区扩散；3
比约为 2:1， 该区为钎缝中心钎料区；2 点能谱分析 点能谱分析只有 Cu、Fe 两种元素，为母材近焊缝一
Abstract：In order to braze the grinding head with high-quality and high-efficiency, the induction brazing experiments of cemented carbide and medium carbon steel were conduct using a copper filler and a silver filler. The results show that the good brazed joints can be acquired using both of the filler metals. The brazed joint consists of residue filler, interfacial reaction diffusion zone and the diffusion zone near the base metal.The enrichment of brazing filler metal component to the side of 45 steel is found; the diffusion area of silver filler metal is wide. The diffusion of silver filler metal is more full while the diffusion area of copper brazing filler metal is relatively narrow. The results show that the hardness of cemented carbide increases significantly because of the quenching effect of induction heating.
Key words：cemented carbide; induction brazing; interfacial microstructutre; microhardness
硬质合金是将高熔点、 高硬度的金属碳化物粉 末与黏结剂混合，冶金压制成各种所需形状工件的 合金材料。硬质合金脆硬，韧性差，难以制成大尺寸、 形状复杂构件； 许多零部件在使用时并不需要整体 都用硬质合金制造。 将硬质合金与韧性好、强度高、 加工性能优异、价廉的碳钢连接起来使用，可以降低 成本，提高工具性能，具有重要实用价值[1]。 对于物 理化学性能差别较大的硬质合金与碳钢的连接而 言，可选择扩散焊、TIG 焊、激光焊、电子束焊、爆 炸 焊 等[2-3]，但 这 些 新 型 焊 接 方 法 普 适 性 差 ，应 用 最 广 泛 的方法仍然是钎焊 。 [4-9] 经过 多年研究发 展，硬质合
焊前硬质合金的平均硬 度为 927.92 HV， 焊后 黄 铜 焊 料 试 样 增 加 了 363.74 HV 达 到 1291.66 HV； 而 银 焊 料 试 样 增 加 了 236.04 HV 达 到 了 1208.96 HV。 焊接后其硬度值有所增加，这是因为硬质合金 钎焊过程相当于进行了淬火处理， 故其硬度有所增 高。而黄铜焊料比银焊料熔化温度高，焊后黄铜焊料 试样会从一个相对银焊料试样较高的温度冷却到室 温，冷却速度会更快，淬火效应更明显，所以黄铜焊 料试样的显微硬度比银焊料试样高。
感应淬火作用而生 成马氏 cemented carbide particles
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《热加工工艺》 2013 年 6 月 第 42 卷 第 11 期
体组织， 如图 2。 YG9 硬质合金的显微组织为 WC 颗粒硬化相和 Co 粘结相，见图 3。 钎料选用流动性 好、接头抗剪强度高、熔化温 度范围为 900～905 ℃ 的 铜 钎 料 Cu62Zn38 和 在 钢 表 面 具 有 良 好 的 铺 展 性、钎焊接头强度和塑性都比较好、熔化温度范围为 740～780 ℃的银基钎料(AgCu)85Zn15；钎剂选用氟 化钙混合物钎剂。
金与钢基体的钎焊工艺已得到较大改进。 随着实际 生产对硬质合金工具要求的不断提高， 如何提高硬 质合金钎焊接头的质量仍需研究[9]。 本文 以实际需 求为背景，对硬质合金与中碳钢的感应钎焊工艺、钎 焊接头组织和性能进行了研究， 进而对硬质合金打 磨头进行了实际钎焊。
1 试验材料及方法
试 验 材 料 选 用 45 钢
头由钎缝中心区、 界面反应扩散区和母材近焊缝一
侧的扩散区组成。 图 4(a)、(b)表明两种钎料都和 45 钢母材反应比较充分，有明显的界面反应扩散区，钎 料组分明显向母材钢侧富集。 而银钎料与钢反应扩 散区更宽，扩散更充分，结合性更好。 硬质合金是以
1
2 3
高 硬 度 难 熔 的 金 属 碳 化 物 (WC、TiC) 为 基 体 ， 在
剂涂敷在轮盘槽中， 钎料弯成未封闭的环状置于轮 盘和硬质合金两个待焊表面之间， 并在钎料和硬质 合金颗粒之间再 涂一层钎 剂； 最后在 SP-25(A)BD 高频感应加热设备上进行加热钎焊。 钎焊工艺参数 为： 根据铜基钎料和银基钎料钎焊温度分别选为 930～960 ℃和 770～830 ℃，保温时间 10～30 s。 焊 后对接头进行切割，将切割后的试样用树脂塑封，采 用 水 磨 砂 纸 按 600、800、1000、1200、1500 号 顺 序 打 磨，然后用 1μm 的金刚石抛光剂抛光、用 4%硝酸酒 精溶液腐蚀 5~8 s。 使用金相显微镜分析接头宏观特 征,用扫描电镜、能谱仪分析接头微观组织特征。 用 HXS-1000A 显微硬度计测试硬度, 加载 200 g, 加载 时间 10 s,每个待测相测试 5 个点,取平均值。
1 μm
1 μm
(a) 45 钢 / 银基钎料界面
(b) YG9/ 银基钎料界面
图 6 银基焊料接头能谱分析
Fig.6 Energy spectrum analysis of Ag-based brazed joint
能谱分析结果表明：1、2 点所在区为银基钎料， 4、5 点分别是 45 钢和硬质合金母材区，3、6 点为银 基钎料分别与 45 钢和硬质合金的边界反应区。 2.2 钎焊接头显微硬度
(a)
ห้องสมุดไป่ตู้
(b)
45 钢母材
银钎料
2 试验结果及分析
2.1 钎焊接头微观结构特征 图 4 是钎焊试样的扫描电镜(SEM)照片。 由图
可见，两种钎料与两侧母材结合良好，焊缝致密、宽 度均匀，接头界面组织相似，满足焊接要求。 钎焊接
(c)
(d)
银钎料
CuZn 钎料
CuZn 钎料
界面反应扩散区 10 μm
45 钢母材
Hot Working Technology 2013, Vol.42 , No. 11
硬质合金与中碳钢的钎焊
禹业晓, 李玉龙
(南昌大学机电工程学院 江西省机器人及焊接自动化重点实验室， 江西 南昌 330031)
摘 要：为实现中碳钢和硬质合金的高效优质钎焊，以铜钎料和银钎料对其进行了感应钎焊并对焊接结果做一比
图 6 是银基钎料接头的能谱分析。 图 6(a)为 45 钢 / 银基钎料界面， 能谱分析结果表明：1 点有 Ag、 Cu、Zn 三种元素，三者原子数比为 60:20:10，应该是 含有 Cu、Zn 的 Ag 基固溶体；2 点 只有 Ag、Cu 两种 元素，二者原子数比为 70:30，可能是银铜共晶；3 点 含 Ag、Cu、Zn、Fe、C 五种元素，对应原子数比为 5:2: 1:91:1，应该是 Ag 基焊料溶解或扩散进入钢母材；4 点含 Fe、C 两种元素，原子数比为 99.5:0.5，为 45 钢 母材。 图 6(b)为硬质合金 / 银基钎料界面，能谱分析 结果表明：5 点包含 Co、C、W 三种元素，原子数比为 5:50:45， 应该是硬质合金母材；6 点含有 Co、Cu 两 种 元 素 ，可 能 是 二 者 的 固 溶 体 ，对 应 原 子 数 比 为 2: 1，因此该点为硬质合金与银钎料的边界反应层。
较 ，分 析 了 钎 焊 接 头 界 面 组 织 和 焊 接 前 后 硬 质 合 金 显 微 硬 度 变 化 。 结 果 表 明 ，两 种 钎 料 都 可 以 使 硬 质 合 金 和 中 碳 钢 形 成
良 好 的 钎 焊 接 头 ，焊 缝 致 密 良 好 、宽 度 均 匀 ，满 足 焊 接 要 求 。 两 种 焊 料 的 钎 焊 接 头 都 由 钎 缝 中 心 区 、界 面 反 应 扩 散 区 和 母