硬质合金是种高生产率的工具材料，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、采掘工具和以耐磨作为主要性能的各种零部件，特点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

硬质合金是金属碳化物粉末与钴的混合物，常用的金属碳化物是碳化钨、碳化钛、碳化铌和碳化钒等，均可使硬质合金具有高硬度和高耐磨性。硬质合金的黏结剂主要是金属钴或金属镍等，能保证硬质合金具有一定的强度和韧性。

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和YG两大类。YT类是由碳化钛、碳化钨和钴等组成，主要成分为WC、TiC和Co，多用于制作切削钢材的刀具。YG类是碳化钨和钴的合金，主要成分是WC和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、地质采矿和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和钢结硬质合金两类。

① 金属陶瓷硬质合金 将难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等）和黏结剂（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）和钨钴钛类硬质合金（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、压制和烧结而成的粉末冶金材料。这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、工具和耐磨零件等。

1.2 硬质合金的性能

常用硬质合金的力学性能和物理性能见表2。

表2 常用硬质合金的力学性能和物理性能

硬质合金的力学性能和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、碳素钢和铜的线膨胀系数。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、抗压强度和热导率方面，YG类则更好些。在硬质合金中加入TaC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和耐磨性好的特点，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和合金元素，虽然可以进行焊接加工，但焊接时容易出现淬硬组织和裂纹。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、真空扩散焊和电子束焊等。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，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用。钎焊是把硬质合金和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。加热时硬质合金和钢都自由膨胀，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和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和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，从左至右表明硬度和耐磨性逐渐降低，而强度和韧性增加，钎焊裂纹发生的可能性减小。

③ 焊接残余应力的影响 焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接后硬质合金工件上不一定能马上发现裂纹，但在随后的刃磨、保管或使用过程中却容易产生裂纹，造成工具报废。当硬质合金的钎焊面积越大时，产生的焊接残余应力越大，发生裂纹的可能性也越大。

在焊接硬质合金工具时，必须使焊接残余应力尽量减小。焊接时必须采取措施减小钎焊应力，可采取降低钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。钎焊大面积硬质合金时，无论强度高低，均应采取特殊措施，以减小焊接应力和防止裂纹的产生。

④ 氧化问题 硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金的表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。当加热至950～1100℃时，表面层会发生急剧的氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低力学性能。表面氧化层的存在，也降低了焊缝的强度、硬度。在焊接时采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象，是提高焊接质量的重要措施。

2.2 基体材料的选择和槽形设计

（1）基体材料的选择

硬质合金通常与基体材料连接在一起使用，基体材料的选择主要考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。一般载荷的刀具基体材料可用45钢或40Cr钢。需要淬硬的刀体可选用9SiCr钢，因为9SiCr钢焊后淬火用的冷却介质温度比40Cr高，对硬质合金有利。

9SiCr钢做小刀体时还可采用空冷或压缩空气气冷的冷却方式，也能使刀杆达到一定硬度。一些受力、受冲击和切削热量大的硬质合金刀具的基体材料，如大龙门刨的刀杆，可用50钢或55钢。高精度硬质合金刀具可用W18Cr4V高速钢做基体材料，焊后采用空冷。由于高速钢的线膨胀系数与硬质合金较接近，焊接应力也较小，刀具寿命也比较高。表3是常用的硬质合金工具刀体材料。

表3 硬质合金刀体所用的材料

硬质合金模具的基体材料只承受轻微载荷时可用45钢制造，受冲击载荷的可用50钢或55钢，冲击较强时可用40Cr或9SiCr。受强烈冲击或反复热振动的模具要用9SiCr，条件特别恶劣或尺寸较大时也可用W18Cr4V，以提高模具的热稳定性和减少钎焊应力。

（2）槽形设计

钢与硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理。硬质合金槽形设计的原则如下。

① 尽量减少钎焊面，避免采用封闭和半封闭槽形结构，以减少钎焊应力，防止产生裂纹，尽可能采用自由焊槽形，以使钎焊应力降低到最低限度。

② 焊接前装配硬质合金时应尽量靠硬质合金的自重或靠基体上的凸台、凹槽等部位定位，尽量避免使用夹具固定硬质合金。

③ 设计槽形时应考虑在钎焊过程中便于排渣，避免因焊缝中夹渣而使焊缝强度降低或发生脱焊现象。

④ 钎焊后刀头部分不应黏附过多的焊料，以免刃磨困难，尤其是在设计硬质合金多刃刀具时应特别加以注意。

封闭和半封闭刀槽的设计如图1所示。这种刀槽形状增加了焊接面，使硬质合金刀片的焊接应力大大增加，并使应力分布复杂化，容易使硬质合金刀片发生裂纹，降低刀具的使用寿命。较为合理的开口槽的槽形设计如图2所示。这种设计使硬质合金刀片在钎焊时仅受到两个钎焊面的应力，在钎焊时发生裂纹的可能性比封闭或半封闭槽的刀具要小，刀具的使用寿命也较长。

硬质合金自由焊刀具的槽形设计如图3所示。这种设计可以减少钎焊面的槽形设计，既能减小应力，避免裂纹产生，又不增加刀槽的加工工序。这种设计使硬质合金刀片与钢质刀体的焊接面减少至一个，而在侧面焊缝处仅留下刀片厚度的30%～40%，起到刀片的定位作用。自由焊槽形的设计能使钎焊应力降低到最低限度，可大大减少和防止钎焊裂纹的产生，提高刀具使用寿命10%～30%。

一些大钎焊面的硬质合金刀具、量具或模具的槽形设计，可以采取开工艺沟的办法使一个大的焊接面分割或几个小块，以减少钎焊应力和避免产生裂纹（见图4）。同时工艺沟还能起到排渣的作用，保证焊缝有足够的强度。工艺沟的宽度和深度可在1.5～2mm左右，工艺沟的数量可以根据钎焊面的大小确定。

硬质合金刀片立焊可以成倍增加硬质合金刀片切削部分的厚度，而且硬质合金的抗压强度无论在常温或高温下都要比钢高得多，能够承受较大的切削力和切削热，能避免产生裂纹或发生崩坍现象。双重刀片叠焊法还可以将两种不同牌号的硬质合金刀片叠焊在一起，如下层焊YG8刀片，上层焊YT15、YT30、YG3X、YG6X等刀片。由于上下两层硬质合金的线膨胀系数比较接近，上层硬质合金刀片在钎焊后不会发生裂纹，而且残余应力很小。

矿山采掘用硬质合金工具的使用特点是冲击负荷大、震动大，要求硬质合金片既要焊得牢固，钎焊应力又要小，这样在使用过程中才不会发生硬质合金刀头脱焊和崩刃。在设计这类槽形时要有足够的钎焊面积，保证焊缝有足够的强度，又要考虑尽量减小钎焊应力。当硬质合金块的长度不超过20mm时，槽的宽度B＝〔b+(0.1～0.15)〕mm(b为硬质合金宽度)。当硬质合金块的长度大于20mm时，要考虑采用补偿垫片的钎焊办法，在焊缝中夹有一层塑性比较好的金属片，以减小钎焊应力和防止发生裂纹。这时槽形的宽度B＝〔b+2C+(0.15～0.25)〕mm(式中C是补偿垫片的厚度)。

在浸铜焊或在一些比较特殊条件下的钎焊，为了固定硬质合金刀片或便于使硬质合金定位，可设计带有工艺墙的槽形，并尽量减少工艺墙的厚度和高度，刀片与刀槽之间的配合可参照3级精度中的第二或第三种过渡配合的公差尺寸。装配时用木锤轻轻将硬质合金敲入槽中，钎焊后将工艺墙磨去。

槽形加工的表面粗糙度对焊缝强度有较大的影响，粗糙度越低焊缝的强度越高（见表4）。但是粗糙度越低加工越困难。一般在粗糙度R_a6.3左右即可。为了得到外观又薄又均匀的焊缝，硬质合金量具的槽形加工精度应高一些。

表4 基体槽形表面粗糙度对焊缝强度的影响

3. 硬质合金与钢的钎焊

3.1 硬质合金与钢的钎焊特点

硬质合金与钢的钎焊方法主要有氧气－乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊、接触电阻钎焊、浸铜钎焊以及加热炉中钎焊等。

（1）常用的钎焊方法

① 氧气－乙炔火焰钎焊 是最常用的钎焊方法之一。硬质合金钎焊可用一般的氧气－乙炔设备，不需要增加其他的专用设备。根据氧气－乙炔火焰的特点，采用合理的加热方式和选用正确的工艺，能焊出优质的硬质合金工具。氧气－乙炔火焰钎焊适用于批量比较小的中小型硬质合金刀具、模具和量具，也适于野外修复损坏的硬质合金采掘工具。

氧气－乙炔焰的焰心温度高达3000℃左右，在钎焊加热时应避免用焰心直接喷射硬质合金，以免温度过高产生裂纹。钎焊前先将钎剂、钎料和硬质合金依次放好，用还原火焰在靠近硬质合金的底部基体部分进行预热。当预热温度达到700～800℃钎剂开始熔化时，再从上面加热硬质合金片及周围的焊缝，直到钎料熔化呈晶亮的液态，并沿侧面焊缝渗至表面。此时应抬高火焰，使焰尾继续沿焊缝四周加热，以保持钎焊温度。同时用金属棒拨动刀征沿刀槽往复移动2～3次，调整并压紧刀片，把多余的钎料及熔渣排出。排渣后，即停止加热并用加压棒在硬质合金顶面的中心部分加压，停留2～3s，待钎料凝固后，即可送入保温箱或保温介质中保温2～3h，使之缓慢冷却。缓冷后的刀具，如再经过消除应力的回火处理，能收到更好的效果。回火温度约300℃，保温6h后随炉冷至室温。

② 高频感应钎焊 高频感应钎焊是利用频率为600kHz，功率在10～100kW之间的高频感应加热电源，产生高频电流。当高频电流穿过感应器时产生高频交变磁场，在感应器中的被焊金属中产生感应电流。高频加热速度很快，可以在很短时间内加热到很高的温度，使焊料熔化。高频感应钎焊使用的感应器大多是用直径5～10mm的紫铜管绕制而成。感应器的几何形状和尺寸选择是否合适，是决定高频感应钎焊的加热速度、温度均匀性、生产效率及钎焊质量的重要因素之一。

在焊接前，应根据焊接工具的大小调节高频设备的输出功率，使工件加热速度适中，温度均匀。功率过大易使工件局部过热和钎料熔化不完全，易使硬质合金产生裂纹；功率太小，则加热时间过长，容易造成刀体氧化，影响生产效率。一般焊接加热速度为30～60℃/s，钨钛钴合金的加热速度应为10～40℃/s。

高频感应钎焊加热速度快，效率高，操作简单，劳动条件比较好。适用于大批量的自动或半自动钎焊。但是设备投资大，耗电量多。

③ 接触钎焊 是在专门用于钎焊硬质合金刀具的钎焊机或对焊机上进行，焊接变压器的次级线圈电压小于36V，电流在1000A以上。钎焊时将工件夹在两个紫铜电极之间，当次级线圈输出的强大电流通过焊接工件时，利用硬质合金和钢基体之间接触电阻产生的热量作为焊接热源使钎料熔化。

接触钎焊常用于钎焊车刀、刨刀等工具。接触钎焊的焊接效率高，焊接一把大截面的硬质合金车刀、刨刀只需4～5min。在加热过程中断电1～2次，直到晶亮的液态钎料布满整个焊缝。由于加热时间短，氧化和热变形小，并且操作方便。但是加热过程中电极容易烧伤工件表面，有时也会因电极或硬质合金表面未清理干净，或接触面的电阻过大而无法导电加热。

④ 浸铜钎焊 是将工件的钎焊部分浸入熔化的液态钎料中，利用毛细作用使液态钎料沿工件的焊缝渗入，从而达到钎焊的目的。浸铜焊通常以盐浴炉、焦炭炉或油炉做热源，钎料和钎剂都置于石墨或耐热不锈钢坩埚中加热至液态。这种钎焊方法适用于成批生产各种碛质合金刀具和钻探用的硬质合金钻头等。可以一次加热完成多刃硬质合金刀具的钎焊，有较高的钎焊效率。

采用浸铜钎焊的硬质合金多刃刀具要求刀片槽有0.3～0.4mm深的夹持刀片用的工艺墙，并且刀片与刀片槽配合要好。装配前用四氯化碳仔细清洗刀片和刀槽，用尖片将刀片铆紧，然后在刀具离焊缝2mm外的非焊接面上涂上厚度为1～3mm的保护涂料层。待阴干后，放入250～300℃的烘箱内烘烤30min，即可进行焊接。

（2）常用的保护涂料

硬质合金钎焊中常用的保护涂料有以下两种。

① 印刷用的黑色油墨和240号粒度的石英粉，按1:2的比例混合均匀，调成糊状，即可使用。

② 用Al₂O₃粉20%，石墨粉80％混合均匀后，再与5%的水和50%的水玻璃（模数为1.2，密度为1.6g/cm³）液体调配而成，氧化铝越多，涂层的强度越高。

（3）钎焊中应采取的措施

当浸铜钎焊的坩埚升温至450～550℃时开始放入钎料，加热至750～780℃时放入硼砂。在加热过程中，硼砂首先熔化，然后是钎料。当钎料熔化后，硼砂浮在钎料上。硼砂既可以防止钎料氧化，又避免了钎料中的金属挥发，并使焊液温度均匀。钎焊前可以用铁丝钎料的温度是否适中。将铁丝插入铜液中再抽出来，若铁丝上均匀地粘上一层薄铜，表明钎料的温度合适，可以进行焊接；如果铁丝上粘的铜太多太厚，表明钎料温度过低；如果铁丝上粘的铜太少，并且铁丝取出后铜液不断地往下滴，表明钎料的温度过高。

浸铜钎焊前工件要先进行预热，预热温度为400～500℃，然后再放入硼砂溶液中进行第二次预热，当温度达到700℃时，即可沉入铜液中浸焊。浸焊的时间随刀具形状和尺寸大小不同而异，按截面最小的尺寸计算，每毫米需12s。为了防止工件表面的涂料脱落，在铜液中浸焊时，不能来回摆动工件。浸焊到规定的时间后，应缓缓提起工件，防止焊料因来不及冷凝而流失。焊接好后，应对工件进行保温缓冷，以减小应力。一些基体需要淬硬的工件，可在加热钎焊的同时进行淬火处理。