釬焊溫度對(duì)YG8硬質(zhì)合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼釬焊接頭組織與力學(xué)性能的影響

，，

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454000)

0 引 言

硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”，用于制造切削刀具和耐磨零部件等[1]，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、石油鉆井、礦山工具等領(lǐng)域。但硬質(zhì)合金的脆硬、韌性差等缺點(diǎn)使其難以制作出大尺寸、形狀復(fù)雜的構(gòu)件，而將硬質(zhì)合金與鋼材進(jìn)行釬焊可解決該問(wèn)題，且釬焊后構(gòu)件具有優(yōu)良的綜合性能[2-4]。礦山傳輸帶中刮板的材料通常為40Mn2中碳調(diào)質(zhì)錳鋼，該鋼的強(qiáng)度較高、塑性和耐磨性較好，但存在回火脆性、過(guò)熱敏感性和在野外惡劣環(huán)境中易腐蝕等問(wèn)題[5]。為解決刮板在實(shí)際應(yīng)用中存在的上述問(wèn)題，研究人員考慮以YG8硬質(zhì)合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼釬焊[6-12]件作為刮板材料。為此，作者對(duì)YG8硬質(zhì)合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了氬氣保護(hù)釬焊，研究了釬焊溫度對(duì)釬焊接頭組織和力學(xué)性能的影響，為YG8硬質(zhì)合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接刮板的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用釬焊母材為1Cr18Ni9Ti不銹鋼和YG8硬質(zhì)合金，其化學(xué)成分如表1所示，母材試樣尺寸均為15 mm×12 mm×3 mm。釬料為L(zhǎng)304銀焊片，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為49～51Ag，35Cu，14～18Zn，熔點(diǎn)為690～775 ℃，尺寸為11 mm×12 mm。試驗(yàn)前用800#金相砂紙將母材試樣表面打磨至光亮，去除氧化層。將母材和釬料放入丙酮溶液中浸泡5～10 min，然后清洗吹干。YG8硬質(zhì)合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼試樣的搭接長(zhǎng)度為10 mm，在釬料與母材中間涂敷一層銀基釬焊膏后放入專用耐熱鋼夾具中并用螺栓預(yù)緊，釬焊試樣裝配如圖1所示。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼和YG8硬質(zhì)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 1Cr18Ni9Ti stainless steel and YG8 cemented carbide (mass) %

圖1 釬焊試樣裝配示意Fig.1 Schematic drawing of brazing sample assembly

將裝配好的試樣放入SX2-12-11G型保護(hù)氣氛箱式電阻爐中，緊固爐門，打開循環(huán)水，通入20 min氬氣,排盡爐內(nèi)空氣后進(jìn)行加熱。釬焊溫度分別為890，900，910，920，930 ℃，保溫13 min，持續(xù)通入氬氣并隨爐冷卻至室溫。

在光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-7500F型掃描電鏡(SEM)上觀察釬焊接頭的顯微組織，并利用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)分析接頭的物相組成。采用MH-5型顯微硬度計(jì)對(duì)釬焊接頭的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，加載壓力0.5 N，加載、卸載時(shí)間均為10 s。按照GB/T 11363-2008，在IIC-MST-100型電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫剪切試驗(yàn)，試樣尺寸為20 mm×12 mm×6 mm，搭接長(zhǎng)度為10 mm，位移速度為2 mm·min-1。采用JSM-7500F型掃描電鏡及附帶的能譜儀觀察剪切斷口的微觀形貌，分析物相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對(duì)接頭顯微組織的影響

由圖2可以看出：當(dāng)釬焊溫度為890 ℃時(shí)，釬料中原子擴(kuò)散不明顯，焊縫和1Cr18Ni9Ti不銹鋼側(cè)界面處原子的擴(kuò)散較明顯，硬質(zhì)合金側(cè)的擴(kuò)散不明顯，由于溫度較低，銀基釬料潤(rùn)濕性較差，熔化的釬料在界面處聚集而形成連續(xù)黑色組織；當(dāng)釬焊溫度為900，910 ℃時(shí)，焊縫組織均勻致密，黑色組織基本消失，接頭不銹鋼側(cè)界面連接較好，界面處形成了很多細(xì)小晶粒，接頭硬質(zhì)合金側(cè)可以看到一條黑色的直線，這說(shuō)明釬料完全熔化且充分填充焊縫，焊接質(zhì)量較好；當(dāng)釬焊溫度高于920 ℃時(shí)，部分熔融釬料從焊縫處流出，界面有過(guò)熱形成的鐵、鉻、鎳氧化物。

由圖3(a)和表2可以看出：當(dāng)釬焊溫度為910 ℃時(shí)，釬焊接頭硬質(zhì)合金側(cè)(位置1)組織主要為細(xì)小的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織，晶粒尺寸約為10 μm，這說(shuō)明兩側(cè)母材中的鐵、鎳、鈷元素?cái)U(kuò)散到焊縫中；接頭焊縫(位置2)處的主要成分為銅、碳和少量的銀元素，是一種銅基固溶體組織，這說(shuō)明釬料充分熔化后在焊縫處鋪展；釬焊接頭不銹鋼側(cè)(位置3)組織主要為含有銅、碳的銀基固溶體。綜上，在910 ℃釬焊的接頭由銅基、銀基固溶體和細(xì)小的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織組成，釬料與母材的相互擴(kuò)散較明顯，組織致密，界面焊接質(zhì)量良好。

由圖3(b)和表2可知：當(dāng)釬焊溫度為930 ℃時(shí)，釬焊接頭靠近不銹鋼側(cè)出現(xiàn)氣孔和較長(zhǎng)的熱裂紋，該處組織為粗大的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織，這說(shuō)明不銹鋼母材熔化并向硬質(zhì)合金側(cè)擴(kuò)散得更加充分，從而導(dǎo)致共晶組織粗大；釬焊接頭靠近硬質(zhì)合金側(cè)呈一條曲線，位置4處鈷元素含量較高，這說(shuō)明硬質(zhì)合金向焊縫處擴(kuò)散得較為充分；位置5處為含有銅、鐵的銀基固溶體，這說(shuō)明釬料隨熔化后的不銹鋼母材向硬質(zhì)合金側(cè)流動(dòng)并形成銀基固溶體；位置6處為光學(xué)顯微鏡下觀察到的黑色組織，由于釬焊溫度過(guò)高，該組織為鐵、鉻、鎳氧化物。綜上可見，在930 ℃釬焊的接頭由粗大的共晶組織和少量銀基固溶體組成，焊接質(zhì)量較差。

圖2 不同釬焊溫度下釬焊接頭的顯微組織Fig.2 Microstructures of brazing joint at different brazing temperatures

圖3 不同釬焊溫度下釬焊接頭的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of brazing joint at different brazing temperatures

表2 圖3中不同位置處的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.3 (mass) %

2.2 對(duì)焊縫顯微硬度的影響

圖4 不同釬焊溫度下釬焊接頭焊縫的顯微硬度 Fig.4 Micro-hardness of weld in brazing joint at different brazing temperatures

由圖4可以看出：隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭焊縫的顯微硬度呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)釬焊溫度為910 ℃時(shí)，焊縫的顯微硬度最大。釬焊接頭焊縫硬度的變化與不同釬焊溫度下界面原子的擴(kuò)散反應(yīng)有關(guān)。隨著釬焊溫度的升高，兩側(cè)母材中的合金元素向焊縫擴(kuò)散，合金元素濃度的增加導(dǎo)致焊縫硬度增大，但釬焊溫度過(guò)高時(shí)，焊縫處出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，晶粒粗大，導(dǎo)致焊縫硬度降低。

2.3 對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響

由圖5可知：隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)；在910 ℃釬焊時(shí)接頭的剪切強(qiáng)度最高，為147.5 MPa，這說(shuō)明釬焊溫度對(duì)焊縫的剪切強(qiáng)度有較大的影響。在釬焊過(guò)程中，釬料熔化并與界面母材相互作用，一方面釬料潤(rùn)濕母材，另一方面界面處原子發(fā)生擴(kuò)散。根據(jù)原子擴(kuò)散理論可知，隨著釬焊溫度的升高，原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，硬質(zhì)合金和不銹鋼與釬料間的原子擴(kuò)散速率提高，焊縫的組織更加均勻致密，釬料逐漸完全熔化且充分填充焊縫，焊接質(zhì)量變好，因此接頭的剪切強(qiáng)度提高。但是，過(guò)高的釬焊溫度不僅會(huì)對(duì)母材組織造成危害，而且會(huì)使接頭處發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致組織粗大，焊接質(zhì)量變差，因此隨著釬焊溫度的繼續(xù)升高，接頭剪切強(qiáng)度下降。

圖5 不同釬焊溫度下釬焊接頭的剪切強(qiáng)度Fig.5 Shear strength of brazing joint at different brazing temperatures

2.4 剪切斷口形貌

由圖6可知：當(dāng)釬焊溫度為910 ℃時(shí)，剪切斷口呈明顯的撕裂狀，韌窩分布均勻。由表3可知：圖6中位置1處由銀和少量的碳、銅等元素組成，這說(shuō)明該處位于焊縫位置；位置2處主要含有鈷、鐵、碳、銅等元素，這表明該處位于焊縫共晶區(qū)；位置3處主要由銀和少量的銅、鋅等元素組成，同樣說(shuō)明該處為焊縫中的銀基固溶體。由剪切試驗(yàn)結(jié)果可知，釬焊接頭在焊縫處發(fā)生斷裂，這說(shuō)明釬料與兩側(cè)母材的焊接質(zhì)量較好，焊縫為接頭的薄弱部位。

圖6 釬焊溫度910 ℃下釬焊接頭剪切斷口SEM形貌Fig.6 Shear fracture SEM morphology of brazing joint at brazing temperature of 910 ℃: (a) view 1 and (b) view 2

表3 圖6中不同位置的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.3 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.6 (mass) %

3 結(jié) 論

(1) 隨著釬焊溫度的升高，硬質(zhì)合金和不銹鋼與釬料間的原子擴(kuò)散速率提高，接頭焊縫的組織更加均勻致密，釬料逐漸熔化且充分填充焊縫，焊接質(zhì)量變好，但當(dāng)釬焊溫度高于920 ℃時(shí)，釬焊接頭出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，組織粗大，焊接質(zhì)量變差。

(2) 隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度和顯微硬度均呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)釬焊溫度為910 ℃時(shí)，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度最大、顯微硬度最高，分別為147.5 MPa,194 HV。

(3) 以L304銀焊片為釬料對(duì)YG8硬質(zhì)合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行氬氣保護(hù)釬焊的最佳釬焊溫度為910 ℃，此時(shí)釬焊接頭的綜合力學(xué)性能最好。

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