3.4 钎焊硬质合金的缺陷及防止

（1）硬质合金钎焊裂纹产生的原因

导致硬质合金钎焊工件的裂纹因素是多方面的，如槽形设计、钎焊工艺、加热过程及刃磨等。

① 一些硬度高、强度低的硬质合金，如YT60、YT30、YG2和YG3X等，容易产生钎焊裂纹。尤其是这些牌号的硬质合金的钎焊面积比较大时更应当引起重视。

② 封闭式或半封闭式的槽形，是增加钎焊应力促使造成裂纹的重要原因。应在满足焊缝强度使用要求的情况下，尽可能减少钎焊面积，以减小钎焊应力。

③ 焊接加热速度太快或焊后冷却速度过快会造成热量分布不均，产生瞬时应力引起裂纹。快速加热时，硬质合金外层受压应力，中间受拉应力，超过允许的加热速度时，可能产生可见的裂纹和内部不可见的裂纹。钎焊后快速冷却时，外层上会出现拉应力，而引起合金中出现裂纹。应避免将工件放在潮湿的地面上，或放在潮湿的石灰槽中，这会使硬质合金因骤冷而产生裂纹。

④ 硬质合金本身有缺陷，在焊前检查时未能发现而导致钎焊后发生裂纹。对于大面积或特殊形状的硬质合金，钎焊前必须逐块的进行严格检查。硬质合金在烧结过程中的缺陷，如小裂纹、崩角、疏松等情况，加热钎焊后可能扩大形成大裂纹。

⑤ 钎焊后刃磨不当也会产生裂纹，如砂轮的材料、硬度和粒度等选用不合适，磨削时用水冷却，磨削余量留的过大、磨削工艺不当等也易造成裂纹。

（2）减少硬质合金钎焊裂纹的措施

① 在焊缝中加补偿垫片是减小焊缝应力的有效措施之一。在焊缝中加补偿垫片的方法很多，如用铁丝网、冲孔填片、镍铁合金垫片和在硬质合金上电镀纯铁等。由于这些补偿物的熔点高于钎料熔点200℃以上，钎焊时垫片不熔化而夹在焊缝中间。焊缝冷却时，硬质合金和基体金属之间的焊缝各层有充分塑性变形，使焊缝各部分能比较自由地收缩，减小了钎焊应力。但是加补偿垫片会导致焊缝强度的大幅度下降（见表9）。其中采用铁丝网或冲孔垫片的焊缝强度降低60%。由50%镍和50%铁所组成的镍铁合金补偿垫片虽能较好地消除应力和不降低焊缝强度，但因含镍量过多不宜在生产中大量使用。生产中用厚度为0.4～0.5mm的低碳钢片或镀镍铁片做补偿垫片，可取得很好的效果。

表9 焊缝中垫放附加材料对缝强度的影响

附加材料	硬质合金	基体材料	焊 料	熔 剂	焊缝平均剪切强度 /MPa
铁丝网	YT15	45钢	62黄铜	脱水硼砂	121
镀镍铁	YT15	45钢	62黄铜	脱水硼砂	186
硬质合金镀铁	YT15	45钢	62黄铜	脱水硼砂	77

② 采用双层硬质合金钎焊法是一种防止裂纹的有效措施。这种方法不需要特殊材料，便于推广使用。能消除YT30、YT60、YG2、YG3X等高硬度硬质合金的钎焊裂纹。是将高强度的YG8硬质合金作垫片与基体焊在一起，然后将强度低硬度高的硬质合金再焊在上面。其优点在于使钎焊应力集中在作为垫片的高强度硬质合金上，而上面容易发生裂纹的硬质合金因与YG8焊在一起，线膨胀系数比较接近，钎焊后应力小，不会产生裂纹。由于有两层硬质合金叠焊在一起，硬质合金整体的抗压强度提高，延长了刀具的使用寿命。

③ 用紫铜片做补偿垫片时虽然可以有效地减小钎焊应力和防止产生裂纹，但需使用熔点低于850℃的焊料，如L-Ag-49银焊料，否则在钎焊时容易使紫铜片熔化而失去作用。紫铜本身比较软，不适于在冲击或重载荷和高温情况下使用。

④ 当钎焊狭长条形状的硬质合金工件时，为了减小钎焊应力和防止发生裂纹，可采用双层硬质合金钎焊，下面的一层由小块硬质合金拼成，成为预制“裂纹”形式。这种方法对消除裂纹特别有效，可在大型硬质合金刀具和特殊硬质合金的模具上使用。

（3）硬质合金钎烛发生脱焊的原因

① 硬质合金的钎焊面在焊前未经过砂或磨光处理，钎焊面上的氧化层降低了钎料的润湿作用，削弱了焊缝的结合强度。

② 钎剂选择和使用不当也会发生脱焊，例如采用硼砂作为钎剂时，因生硼砂含水分较多而不能有效地起到脱氧作用，结果钎料不能很好地润湿被钎焊面，而发生脱焊现象。

③ 正确的钎焊温度应在钎料熔点以上30～50℃时最为合适，温度过高或过低都会发生脱焊。加温过高会使焊缝中产生氧化现象。用含锌的钎料会使焊缝呈蓝色或白色。当钎焊温度过低时，会形成比较厚的焊缝，焊缝内部布满了气孔和夹渣。以上两种情况会使焊缝的强度下降，当刃磨或使用时容易发生脱焊。

④ 钎焊过程中没有及时地排渣或排渣不充分，使大量的钎剂熔渣残留在焊缝中，降低了焊缝的强度，造成脱焊。

4. 硬质合金与钢的焊接实例

4.1 YT15合金与40钢的火焰钎焊

（1）材料特点及焊接缺陷

刀片材料为钛钨钴硬质合金YT15，成分为：WC78％～80％，TiC15%～16%，Co5%～6%；刀体材料为40钢。这两种材料焊接时常见的焊接缺陷有以下几种。

① 出现淬硬组织 由于母材金属含碳、碳化物及合金元素较多，焊后在40钢母材一侧产生马氏体淬硬组织；

② 产生热裂纹 这是因为母材金属含硫量较高，合金偏析等造成的；

③ 形成冷裂纹 由于两种母材金属的线膨胀系数不同，焊接时产生应力变形，在低温时冷裂纹倾向较大。

（2）钎焊前的准备及钎剂、钎料

① 采用机械方法加工镶嵌槽 在刀体前部加工刀片的镶嵌槽，十槽的形状和角度与刀片一致，确保装配严密。对镶嵌槽内部及周围进行清更小，彻底清除油污及杂质，最后再放置YT15合金刀片。

② 选用填充材料 选用钎剂为QJ301，主要成分：硼砂30%，硼酸70%；钎焊温度850～1150℃；选用钎料牌号为HL105（型号为BCu58ZnMn）。钎焊设备与用具注意配套使用，选用H01-12型焊炬，配用5号焊嘴。氧气压力为0.7MPa，乙炔压力为0.001～0.1MPa。

（3）操作技术要点

① 为了防止YT15硬质合金刀片脱碳或过烧，钎焊时要选用碳化焰。

② 钎焊温度1000℃为宜，从实际生产经验看，刀片加热呈亮红色。如果刀片呈暗红色或白亮色时不能钎焊，因为前者温度过低，后者温度过高，已出现过烧现象。

③ 钎焊时焊炬由左向右、由右向左、由上向下反复对刀体进行加热，使刀体和刀片受热均匀一致。

④ 钎焊时焊嘴与刀杆的间距为50mm，焊嘴也刀杆端倾斜角度为110º，这样可保证有效地利用火焰热量和加热平衡；钎焊过程中，要使火焰始终覆盖在整个钎焊部位，使之与空气隔离，以防止氧化或产生气孔。

⑤ 钎焊速度按大小来确定，一般应在1min之内焊完，这样能有效地防止YT15硬质合金刀片过烧或脱碳。

⑥ 钎焊之后，要用火焰对刀片部位进行加热，然后慢慢地将焊嘴离开，使其缓慢冷却，防止裂纹。

4.2 YT05硬质合金与40Cr钢的真空钎焊

硬质合金滚齿刀在生产中应用较多，既可加工各种齿轮，又能在加工硬齿面齿轮时，用刮削加工代替磨齿工艺。这种滚齿刀是由YT50硬质合金与40Cr中碳钢采用真空钎焊工艺焊接而成的。

①     滚齿刀材质 刀体材质为40Cr钢，刀片材质为YT50硬质合金。

②     填充材料

a.     钎料 选用厚度为0.2mm的片状纯铜钎料BCu(Cu99.95%)，熔化温度1083℃，钎焊温度1100～1150℃；

b.     钎剂 选用钎剂牌号为YJ1，主要成分为硼砂，钎焊温度为800～1150℃。也可以选用硬钎剂QJ201，倾泻成分为：硼酸80%，硼砂14.5%，氟化钙5.5％；钎焊温度为850～1150℃。

③     钎焊操作要点

a. 将钎料按齿形剪好，夹置于刀体与刀片之间。用夹具将刀片固定在刀体上，夹具与焊件的接触部位要涂钎剂，然后装入真空炉中。

b. 在冷态将炉内抽真空到5×10^-2Pa，然后以450℃/h的速度将炉温加热到1000℃，并约炉中填充高纯氩气，保证炉内压力为2～3Pa，稳定30～40min，使刀体内外温度均匀。

c. 以250℃/h的速度将炉温加热到1120℃，保温15min，然后使炉温随炉内压力冷却到900℃以下，再次对炉内填充高纯氩气，使炉内压力升高到4×10⁴Pa。

d. 当炉温冷却到400℃以下时，加大氩气填充量，使炉内压力上升到8×10⁴Pa，然后启动风扇搅拌氩气，炉温冷却到65℃以下出炉。

e. 滚齿刀出炉后严禁碰撞，在空气中自然冷却，这时车间的环境温度不应低于零度。f. 刀体与刀片完全冷却收缩后，慢慢拆卸夹具，使夹具和滚齿刀不受损坏，清理钎焊

好的滚齿刀。

4.3 CW50钢结硬质合金与45钢的焊接

（1）摩擦焊

生产中采用摩擦焊焊接CW50钢结硬质合金（WC50CrMo）与45钢时，主要困难是在两种母材金属的热影响区出现淬硬组织。从摩擦焊接头热处理后的金相组织看，在45钢母材一侧有马氏体淬硬组织，在CW50钢结硬质合金一侧为马氏体加碳化物，硬度达HV720。采用摩擦焊工艺对CW50钢结硬质合金与45钢进行焊接时，如果工艺参数选择不合理会使焊接接头产生裂纹。可采用C20型摩擦焊机，主轴电动机功率为17kW，主轴转速为2000r/min，最大轴向压力为1200MPa，加压方式为液压，移动夹具进行加压。CW50钢结硬质合金与45钢摩擦焊的工艺参数见表10。

表10 CW50钢结硬质合金与45钢摩擦焊的工艺参数

被焊材料	工   艺   参   数
	摩擦压力 /MPa	摩擦时间 /s	摩擦转速 /r.min-1	顶锻压力 /MPa	停车时间 /s
45钢+CW50CrMo	100～150	6	2000	300～500	0.8

    注：表中焊接参数是在C20型摩擦焊机上测定的。

（2）闪光对

采用连续闪光对焊焊接CW50钢结硬质合金与45钢时，主要经历以下两个过程。

① 烧化过程 两种母材金属在烧化过程中，接触面上的平均电阻值远大于焊件本身电阻，接触面上的析热在加热中起主导作用。由于烧化期间焊件之间的压强极低，焊件间仅通过称为“过染”的液体金属熔滴相连。在烧化过程中，整个端面上形成了一薄层液体金属以保护内部金属不受氧化，而液体金属本身在顶锻力的作用下被挤出接头，液面的氧化物也随之被挤出，避免了产生夹杂。

② 顶锻过程 两种母材金属接头烧化之后要迅速靠拢，把液体金属及氧化物在凝固前挤出接头。这时，在顶锻力作用下，接头局部产生较大的塑性变形，使两种母材金属结合面上形成共同晶粒，从而可获得牢固的焊接接头。

③ 焊接工艺参数 采用UN1-75型通用闪光对焊机，额定功率为75kW，二次空载电压为3.5～7V，顶锻压力为300MPa，焊机送进机构为杠杆，闪光对焊截面积达600mm²，焊机夹紧方式为螺旋夹紧。采用闪光对焊工艺对CW50钢结硬质合金与45钢进行焊接时，推荐的工艺参数见表11。

表11 CW50钢结硬质合金与45钢闪光对焊的工艺参数

被焊材料	伸出长度/mm		烧化量/mm		顶锻压力 /MPa	顶锻速度 /mm.s-1
	CW50	45钢	CW50	45钢
45钢+CW50CrMo	12	20	4	20	120～160	20

注：表中焊接参数是UN1-75型闪光对焊机上测定的。

采用闪光对焊焊接CW50钢结硬质合金与45钢的焊接接头，热处理后金相组织的特点如下。

a.     在CW50钢结硬质合金母材金属侧，发生碳化物堆聚现象，因此淬硬倾向较大。

b. 在45钢母材金属一则，有CW50合金呈带状或网状分布，组织为马氏体加碳化物，硬度高达HV730。

c. CW50钢结硬质合金与45钢闪光对焊焊接接头的强度较高，但由于碳化物的存在，接头的塑性较低。

4.4 印制电路板硬质合金切刀头的真空钎焊

印制电路板硬质合金切刀头的功能是在高速旋转（5000～8000r/min）过程中，将印制电路板多余引线切除，要求刀片与刀体的连接强度高，切应力大于200MPa。刀体材料为9SiCr，硬质合金为YG8。每块硬质合金的面积约1200mm²，厚度为2mm。要求钎焊后刀体的变形量不大于0.5mm。

印制电路板硬质合金切刀头的钎焊接头容易产生裂纹，为了保证接头质量，钎料选用厚度20～30μm的非晶态高强度镍基钎料BNi82.5Cr7Si4.5B3Fe。印制电路板硬质合金切刀头真空钎焊的工艺步骤如下。

① 装配前 在两片非晶态箔状钎料之间夹置厚度0.5mm的紫铜（T2）补偿片。紫铜片的作用不仅是吸收钎焊应力，更重要的是紫铜片与钎基钎料能形成Ni-Cu固溶体的钎缝金属。

② 彩和专用夹具，用螺纹旋具上紧夹具，保证夹紧力均匀。

③ 冷态抽真空到5×10^-1Pa，以500℃/h的速率加热到900℃，稳定20～30min；以450℃/h速率加热到1050℃，保持10～12min，断电。

④ 真空冷却到450℃，充氩气冷却到300℃，气体风扇冷却到65℃以下出炉。

4.5 硬质合金与钢的真空钎焊实例

（1）刮刀式硬质合金钻头的真空钎焊

刮刀式硬质合金钻头是地质勘探或石油钻井使用的硬质合钻头。过去采用火焰或高频钎焊，在大气介质中进行焊接，导致硬质合金氧化，使钻头寿命降低。另外，如果使用银基钎料火焰钎焊，虽然钎焊温度低，但接头强度仍不很高，很维满足大口径（直径φ215mm以上）油井深孔（大于2000m）钻进的要求。

改用真空钎焊时，对钻头体材料为35CrMo钢，切削齿材料为YG11C的硬质合金钻头。选用BCu81Ni钎料，真空度为5×10^-2Pa，钎焊温度1150℃，钎焊保温时间为15min，获得的钻头接头强度σ_b>450MPa，用于大口径深孔钻进，钻头寿命可提高约2～3倍。

（2）硬质合金阀座的真空钎焊

工作在腐蚀性介质中的硬质合金与马氏体不锈钢真空钎焊而成的阀座，既要求耐磨，又要求抗腐蚀。阀座材料分别为YG3硬质合金和4Cr13马氏体不锈钢，二者线膨胀系数相差3倍，钎缝受力小于100MPa。工艺步骤如下。

① 真空钎焊时，选用BCu97NiB钎料，用夹具定位，以保证阀座上下两段的同心度。

② 冷态抽真空到2×10^-2Pa，以650℃/h的速率加热到1000℃，稳定30min，充高纯氩气使炉内压力上升到2～3Pa。

③ 以450℃/h的速率加热到1100℃，保温10min，断电。

④ 随炉内压力缓冷到600℃以下，充氩气冷却到300℃以下，启动风扇加速冷却到65℃以下出炉。

钎缝外观光洁致密。