硬质合金与钢的焊接

硬质合金与钢的焊接

硬质合金就是种高生产率的工具材料,就是将高熔点、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所需形状的工件。硬质合金与钢的焊接主要用于机械加工的刀具、刃具、模具、采掘工具与以耐磨作为主要性能的各种零部件,特点就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。硬质合金工具在各工业部门已经得到广泛的应用,并收到了显著的效果。

1、硬质合金的分类、用途及性能

硬质合金就是金属碳化物粉末与钴的混合物,常用的金属碳化物就是碳化钨、碳化钛、碳化铌与碳化钒等,均可使硬质合金具有高硬度与高耐磨性。硬质合金的黏结剂主要就是金属钴或金属镍等,能保证硬质合金具有一定的强度与韧性。

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与YG两大类。YT类就是由碳化钛、碳化钨与钴等组成,主要成分为WC、TiC与Co,多用于制作切削钢材的刀具。YG类就是碳化钨与钴的合金,主要成分就是WC与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、地质采矿与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

(2)用于各类工具的硬质合金

另一种分类方法就是将用于切削、采掘等用途的各类硬质合金分为金属陶瓷硬质合金与钢结硬质合金两类。

① 金属陶瓷硬质合金将难熔的金属碳化物粉末(如WC、TiC等)与黏结剂(如Co、Ni等)混合,加压成形,经烧结而成的粉末冶金材料。例如生产中应用最广泛的钨钴类硬质合金(YG3、YG6、YG8等)与钨钴钛类硬质合金(YT5、YT15、YT30等)。这类硬质合金的刀具耐高温、耐磨损,广泛用于制造量具、模具,也用于制造钎头、钻头等。

② 钢结硬质合金以一种或几种碳化物(如TiC、WC等)为硬化相,以合金钢(如高速钢、铬钼钢等)粉末为黏结剂,经配料、混料、压制与烧结而成的粉末冶金材料。这就是一种新型的工具材料,可分为如下两种。

a、高速钢结硬质合金含TiC为35%,含高速钢的质量分数为65%,经淬火－回火后的硬度为HRC69～73。

b、铬钼钢结硬质合金含WC为50%,含铬钼钢的质量分数为50%。

钢结硬质合金广泛用于制造各种形状复杂的刀具,如机械加工中常用的麻花钻头、铣刀等,也用于制造高温工作的各种模具、工具与耐磨零件等。

1、2 硬质合金的性能

常用硬质合金的力学性能与物理性能见表2。

表2 常用硬质合金的力学性能与物理性能

硬质合金的力学性能与物理性能与化学成分之间有以下的变化规律。

① 硬度硬质合金的硬度一般在HRA86～93之间,并随着硬质合金中含钴量的增加而降低。在YT类硬质合金中,硬度随碳化钛含量的增加而提高。硬质合金的红硬性比较好,只有当使用温度高于500℃时,硬质才开始降低。但就是在1000～1100℃的高温下,硬度仍可高达HRA73～76。

② 抗弯强度常温时硬质合金的抗弯强度在90～150MPa之间,并且含钴量越高抗弯强度越高。

③ 冲击韧性硬质合金的脆性很高,且几乎与温度无关。在高温时,钢的冲击韧性比硬质合金大数百倍。在镶焊硬质合金工具时,不允许对硬质合金刀片做冲击性的压紧。硬质合金的冲击韧性与合金中含钴量有关。含钴量越高,冲击韧性也越高。

④ 热导率钨钴合金的热导率为0、58～0、88J/cm、s、℃,比高速钢约高1倍,而钨钛钴合金的热导率仅为0、17～0、21J/cm、s、℃,比高速钢低。硬质合金的热导率随钴含量增加而增加,而钨钛钴合金的热导率随碳化钛的含量增加而降低。

⑤ 线膨胀系数硬质合金的线膨胀系数低于高速钢、碳素钢与铜的线膨胀系数。钨钴合金的线膨胀系数比较小,并且随含钴量增加而增加;钨钛钴合金的线膨胀系数比钨钴合金高,且随碳化钛增加而略增。

YT类合金与YG类合金相比有更高的硬度、热硬性、抗氧化性、抗腐蚀性,但在抗弯强度、抗压强度与热导率方面,YG类则更好些。在硬质合金中加入TiC对强度影响不太显著,但明显提高了合金的热硬性,在900～1000℃时超过YT类合金。

2、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,特别就是压缩弯曲、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与耐磨性好的特点,但也存在脆性高、韧性差等缺点。

大部分硬质合金工具就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 一般焊接性特点

硬质合金含有较高含量的碳化物与合金元素,虽然可以进行焊接加工,但焊接时容易出现淬硬组织与裂纹。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、真空扩散焊与电子束焊等。硬质合金与钢焊接时有如下的特点。

① 线膨胀系数与钎焊裂纹的关系硬质合金的尺寸比较小,一般就是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用。钎焊就是把硬质合金与基体金属连接在一起的有效焊接方法。硬质合金的线膨胀系数(4、1～7、0×10-6/℃)与普通钢的线膨胀系数(12×10－6℃－1)相比差别很大,硬质合金只有钢的1/3～1/2左右。加热时硬质合金与钢都自由膨胀,但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多。此时焊缝处于受压力状态,而在硬质合金表面上则承受拉应力。如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时,硬质合金的表面就可能产生裂纹。这就是硬质合金钎焊时产生裂纹的最主要原因之一。

② 硬度与裂纹敏感性的关系硬质合金的硬度与耐磨性与焊接裂纹敏感性成正比,硬质合金的硬度越高,钎焊时产生裂纹的可能性越大。而且,一般精加工或超精加工所用的硬质合金,在钎焊时容易发生裂纹。根据不同牌号的硬质合金的硬度与强度大小可以判断硬质合金的焊接裂纹敏感性,由差到好的排列顺序如下。

YG类 YG3X,YG3,YG4,YG6X,YG6,YG8,YG11,YG15

YT类 YT60,YT30,YW1,YT15(YW2),YT14,YT5

以上两类硬质合金,从左至右表明硬度与耐磨性逐渐降低,而强度与韧性增加,

钎焊裂纹发生的可能性减小。