釬料對(duì)真空釬焊YG8/DC53接頭微觀組織的影響

原靖 王娟 李亞江

摘要：采用S201銅合金釬料、純銅釬料和BNi2鎳基釬料對(duì)YG8硬質(zhì)合金和DC53鋼進(jìn)行真空釬焊，研究釬料對(duì)界面結(jié)合、接頭組織形貌和顯微硬度的影響。結(jié)果表明：采用純銅釬料獲得的YG8/DC53接頭易出現(xiàn)裂紋，采用BNi2鎳基釬料獲得的釬縫易形成高硬度脆性相，采用S201銅合金釬料，母材與釬料形成良好的界面結(jié)合，靠近硬質(zhì)合金一側(cè)可以形成Fe-Co基固溶體，釬縫中心主要是Fe-Cu二元相。

關(guān)鍵詞：YG8硬質(zhì)合金;DC53鋼;真空釬焊;顯微組織

中圖分類號(hào)：TG425 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0016-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.04

0 前言

YG8硬質(zhì)合金是將金屬碳化物粉末與粘接劑混合，用粉末冶金法壓制成各種所需形狀工件的材料[1]。硬質(zhì)合金具有高硬度、耐磨性好、耐高溫以及良好的紅硬性等優(yōu)異的性能[2-6]，廣泛應(yīng)用于金屬切削、機(jī)械加工、地質(zhì)勘探、礦山開采、建筑、鑿巖、金屬成型等領(lǐng)域[7-11]。目前，大部分硬質(zhì)合金是采用釬焊方法鑲嵌在中碳鋼或低合金鋼基體上使用[12]。但異種金屬因物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，在連接時(shí)容易產(chǎn)生焊接裂紋，如何提高和改善焊接接頭性能是硬質(zhì)合金與其他金屬焊接的關(guān)鍵。周金等[13]采用CuMnZi釬料對(duì)YG8硬質(zhì)合金與42CrMo鋼的真空釬焊進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)釬焊溫度在950 ℃、釬縫寬度0.2 mm時(shí)可獲得較好的釬焊接頭。張曉玲等[14]選用CuMnZi釬料研究了5CrMnMo鋼與YG8硬質(zhì)合金的真空釬焊工藝，表明添加厚度為0.05 mm的Ni中間層在1 045 ℃下釬焊，釬料與母材、中間層結(jié)合較好，無裂紋等缺陷，接頭強(qiáng)度較高。羅云萌等[15]通過試驗(yàn)得出焊接Cr12鋼和YG8硬質(zhì)合金的最佳溫度為1 070 ℃，此時(shí)在釬縫的鋼側(cè)和YG8硬質(zhì)合金側(cè)都生成了Fe-Co相，提高了焊縫的性能[15]。

DC53鋼是近年來新研發(fā)的性能優(yōu)良的新型模具鋼材料[16]。DC53鋼是在Cr12MoV鋼基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的[17]，其強(qiáng)度和耐磨性優(yōu)于Cr12MoV鋼，并且具有良好的韌性、切削性和研磨性，線切割加工后的殘余應(yīng)力較小[18]。將YG8硬質(zhì)合金與DC53鋼進(jìn)行焊接，可以充分發(fā)揮硬質(zhì)合金高強(qiáng)耐磨和DC53鋼強(qiáng)韌性好的特點(diǎn)。文中采用不同釬料對(duì)YG8硬質(zhì)合金與DC53鋼進(jìn)行真空釬焊，分析接頭的組織形貌和微觀結(jié)構(gòu)，為改善YG8/DC53接頭的性能提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑閅G8硬質(zhì)合金和DC53鋼，YG8硬質(zhì)合金尺寸50 mm×20 mm×5 mm，DC53鋼的尺寸為80 mm×30 mm×10 mm，兩種材料的化學(xué)成分如表1所示。目前研究多采用Cu基或Ni基釬料，所以試驗(yàn)采用S201銅合金釬料、純銅釬料和BNi2鎳基釬料。S201銅合金釬料的化學(xué)成分見表2，BNi2鎳基釬料的化學(xué)成分如表3所示。S201銅合金釬料呈絲狀，直徑φ3 mm;純銅釬料采用銅箔，厚度0.05 mm;BNi2鎳基釬料為粉末狀。

焊前用砂紙打磨YG8硬質(zhì)合金、DC53鋼和釬料的表面，去除氧化物，然后用無水乙醇進(jìn)行清洗。采用搭接接頭形式進(jìn)行裝配。采用S201銅合金和純銅釬料進(jìn)行釬焊，加熱溫度為1 130 ℃，保溫30 min后隨爐冷卻;采用鎳基釬料時(shí)加熱溫度為1 100 ℃，保溫20 min后隨爐冷卻。

試驗(yàn)使用的焊接設(shè)備為WORKHOUSE II Series 3520 MODEL 3033-1350-30T型真空釬焊設(shè)備，最大功率為45 kW，電壓為380 V。焊后采用1500Nikon

AFX-IIA金相顯微鏡（OM）觀察組織，采用JSM-7800F型掃描電鏡觀察微觀形貌，并用OXFORD能譜分析儀對(duì)釬焊接頭顯微組織進(jìn)行能譜分析，采用DHV-1000型顯微硬度計(jì)對(duì)接頭金相試樣進(jìn)行顯微硬度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭組織特征

不同釬料獲得的YG8/DC53釬焊接頭組織形貌如圖1所示。采用S201銅合金釬料獲得的接頭組織細(xì)密，無裂紋、孔洞等缺陷，釬料向兩側(cè)母材溶解。其中釬料與DC53鋼一側(cè)產(chǎn)生明顯的潤濕融合，與YG8硬質(zhì)合金一側(cè)相互擴(kuò)散延伸至釬縫生成鵝卵石的組織形貌如圖1a所示。采用純銅釬料獲得的YG8/DC53接頭向兩側(cè)母材溶解，其中釬料與DC53鋼一側(cè)產(chǎn)生明顯的潤濕融合，與YG8硬質(zhì)合金一側(cè)相互擴(kuò)散延伸至釬縫生成凹凸不平海浪狀組織，如圖1b所示。采用鎳基釬料獲得的接頭在釬縫中出現(xiàn)一些孔洞狀區(qū)域，且在釬縫中心有深色連續(xù)區(qū)域，釬料向兩側(cè)母材溶解。其中釬料與DC53鋼一側(cè)產(chǎn)生明顯的潤濕融合，與YG8硬質(zhì)合金一側(cè)相互擴(kuò)散延伸至釬縫生成沿熔合線分布白色條帶狀組織，如圖1c所示。

采用S201銅合金釬料獲得的YG8/DC53釬焊接頭的化學(xué)元素線分布結(jié)果如圖2所示?？梢姡珼C53鋼中的Fe、Cr和YG8硬質(zhì)合金中少部分Co越過釬縫，擴(kuò)散至YG8硬質(zhì)合金一側(cè)釬縫區(qū)域，形成新相。釬料中的Sn元素在釬縫接頭中呈均勻分布。

采用純銅釬料獲得的YG8/DC53接頭元素分布如圖3所示。DC53鋼中的Fe、Cr和YG8硬質(zhì)合金中的Co越過釬縫，擴(kuò)散至YG8硬質(zhì)合金一側(cè)釬縫區(qū)域，形成新相，生成新相比采用S201銅合金釬料的略少。

采用BNi2鎳基釬料獲得的YG8/DC53接頭元素分布如圖4所示。DC53鋼中的Fe擴(kuò)散至DC53一側(cè)釬縫區(qū)域，形成新相;釬縫中間有一些富集Cr的新相生成，其中Ni較少;釬料中的Si擴(kuò)散至YG8硬質(zhì)合金一側(cè)，生成由W和Si富集的新相。

2.2 顯微硬度

對(duì)YG8/DC53真空釬焊接頭進(jìn)行顯微硬度測定，載荷為0.5 N，加載時(shí)間10 s，結(jié)果如圖5所示。

采用純銅釬料獲得的接頭釬縫硬度為96.5 HV;采用S201銅合金釬料獲得的接頭釬縫硬度升高至122.5 HV，這是因?yàn)镾n元素改善了釬料的流動(dòng)性，在釬縫中析出的Fe-Cu二元相比采用純銅釬料獲得的接頭較多;采用BNi2鎳基釬料獲得的接頭釬縫硬度最高，為461.7 HV，這是由于釬縫以鎳基固溶體為主，還有一些溶質(zhì)原子溶于固溶體中使其硬度升高。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

采用S201銅合金釬料獲得的接頭顯微組織如圖6所示。其中A相是手指狀胞狀組織，其成分主要含F(xiàn)e和Co（見表4），它們相互擴(kuò)散形成Fe-Co基固溶體，由于固溶體中還熔入Cu、Cr、Si等元素，這些溶質(zhì)原子進(jìn)入固溶體使其具有較高的硬度，但塑性較差;B相是黑色小塊狀組織，其成分主要含F(xiàn)e和Cu（見表4），為Fe-Cu二元相，在釬縫中呈星星點(diǎn)點(diǎn)分布，起著類似于彌散強(qiáng)化的作用;C相成分主要是Cu（見表4），是原來的釬縫基體，擴(kuò)散的Fe溶于基體銅中，細(xì)化晶粒，延遲銅的再結(jié)晶過程，提高其強(qiáng)度和硬度[19];D相是白色塊狀組織，其成分主要含F(xiàn)e和Mo（見表4），Mo元素富集，推測是Fe -Mo-Co固溶體。

焊后，S201銅合金釬料與兩側(cè)母材發(fā)生明顯的溶解和擴(kuò)散，YG8/DC53接頭可分為4個(gè)區(qū)域，如圖7所示。

根據(jù)其面成分分布可以看出，Ⅰ區(qū)為鋼和釬縫的熔合區(qū)，Ⅱ區(qū)為反應(yīng)的中間區(qū)域，Ⅲ區(qū)為Fe-Co基固溶體前伸區(qū)域，Ⅳ區(qū)為Fe-Co基固溶體和硬質(zhì)合金熔合區(qū)域。因此釬縫的組織演變是：在釬焊過程中DC53鋼中的Fe和YG8硬質(zhì)合金中的Co向釬縫中擴(kuò)散，在YG8硬質(zhì)合金一側(cè)的釬縫中形成Fe-Co基固溶體。

采用純銅釬料獲得的YG8/DC53接頭顯微組織如圖8所示。其中A相是灰色不規(guī)則狀組織，其成分主要含F(xiàn)e和Co（見表5），它們相互擴(kuò)散形成Fe-Co基固溶體，由于固溶體中還溶入Cu、Cr等元素，這些溶質(zhì)原子進(jìn)入固溶體使其具有較高的硬度，但塑性較差;B相是黑色小塊狀組織，其成分主要含F(xiàn)e和Cu（見表5），為Fe-Cu二元相，起著類似于彌散強(qiáng)化的作用;C相成分主要是Cu（見表5），是原來的釬縫基體，擴(kuò)散的Fe溶于基體銅中，起著細(xì)化晶粒的作用。

在DC53鋼一側(cè)的釬縫中出現(xiàn)沿界面的條狀裂紋（見圖8b），這是由于在釬料和DC53鋼熔合時(shí)，熱應(yīng)力和釬料沿母材晶界擴(kuò)散形成的晶界弱的共同作用導(dǎo)致界面處塑性較差，在較小應(yīng)力下就會(huì)在DC53/釬縫界面處產(chǎn)生微小裂紋，形成裂紋源，導(dǎo)致出現(xiàn)沿界面的裂紋。

采用鎳基釬料獲得的YG8/DC53接頭顯微組織如圖9所示。其中A相是條狀鋸齒形白色區(qū)域，其成分主要含W，還有一些擴(kuò)散的Cr、Ni和Co（見表6），所以呈白色，由鐵鎳、鎳鎢、鐵鎢幾種固溶體相組成[20];B相為釬縫基體，其成分主要含Ni，以鎳基固溶體為主，還有一些Fe、Cr、Si和Co溶于固溶體中使其強(qiáng)度硬度升高;C相和B相成分類似;D相是條狀淺黑色組織，其成分主要含F(xiàn)e，還有一些擴(kuò)散的Mo、Cr和Ni，形成Fe-Cr二元相過渡層;E相成分主要含Ni和Si，以鎳基固溶體為主，擴(kuò)散的Si、Fe和Co溶入固溶體中。

在釬縫中心處可看到有放射狀裂紋（見圖9d），這是由于A區(qū)形成的鐵鎳、鎳鎢、鐵鎢幾種固溶體相為脆性相，在較小應(yīng)力下就會(huì)在YG8/釬縫界面處產(chǎn)生微小裂紋，然后擴(kuò)展到釬縫內(nèi)部，形成放射狀裂紋。

3 結(jié)論

（1）采用S201銅合金釬料釬焊YG8硬質(zhì)合金和DC53鋼，母材與釬料之間形成良好的溶解結(jié)合，鋼中的Fe元素向釬縫發(fā)生了明顯的擴(kuò)散，在靠近YG8硬質(zhì)合金一側(cè)與Co元素形成Fe-Co基固溶體，釬縫中析出彌散分布的Fe-Cu二元相。

（2）采用BNi2鎳基釬料獲得的接頭中鎳基固溶體導(dǎo)致顯微硬度最高，由于采用S201銅合金釬料獲得的接頭釬縫中析出的Fe-Cu二元相較多，所以采用S201銅合金釬料獲得的接頭顯微硬度略高于采用純銅釬料獲得的接頭顯微硬度。

（3）采用純銅釬料Fe和Co向釬縫擴(kuò)散，在硬質(zhì)合金一側(cè)生成Fe-Co基固溶體，比采用S201銅合金釬料略少，在釬縫中析出彌散分布的Fe-Cu二元相;采用純銅釬料時(shí)，熱應(yīng)力和釬料沿母材晶界擴(kuò)散導(dǎo)致晶界弱的共同作用使界面處塑性較差，易形成裂紋源，導(dǎo)致沿界面的裂紋;采用BNi2鎳基釬料時(shí)，在YG8硬質(zhì)合金一側(cè)生成的鎳鎢和鐵鎢脆性相導(dǎo)致在接頭形成放射狀裂紋。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬鳴，李宜男，李春光. 鈷基耐磨硬質(zhì)合金焊條電弧焊堆焊國產(chǎn)化試驗(yàn)研究[J]. 電焊機(jī)，2010，40（2）：132-135.

[2] Gao Y，Yan M Y，Luo B H，et al. Effects of NbC additions on the microstructure and properties of non-uniform stru-cture WC-Co cemented carbides[J]. Materials Science and Engineering，2017（687）：259-268.

[3] Chen G，Xue W，Jia Y Z，et al. Microstructure and mech-anical property of WC-10Co/RM80 steel dissimilar resist-ance spot welding joint[J]. Materials Science and Engine-ering，2020（776）：139008.

[4] Petersson A，Agren J. Sintering shrinkage of WC-Co mat-erials with bimodal grain size distributions[J]. Acta Mater，2005（53）：1665-1671.

[5] 陳小勇，李強(qiáng)，劉海漢，等. TC4鈦合金和YG8硬質(zhì)合金的釬焊工藝[J]. 電焊機(jī)，2017，47（3）：93-97.

[6] Beste U，Jacobson S，Hogmark S. Rock penetration into cemented carbide drill buttons during rock drilling[J]. Wear，2008（264）：1142-1151.

[7] Bonny K，Baets P De，Perez Y，et al. Friction and wear ch-aracteristics of WC-Co cemented carbides in dry recipro-cating sliding contact[J]. Wear，2010（268）：1504-1517.

[8] Lee W B，Kwon B D，Jung S B. Effect of bonding time on joint properties of vacuum brazed WC-Co hard metal/car-bon steel using stacked Cu and Ni alloy as insert metal[J].Materials Science and Technology，2004（20）：1474-1478.

[9] Blombery R I，Perrot C M，Robinson P M. Abrasive wear of tungsten carbide-cobalt composites. I. Wear mechanisms[J]. Materials Science and Engineering，1974（13）：93-100.

[10] Larsen-Basse J. Wear of hard-metals in rock drilling：a Survey of the Literature[J]. Powder Metallurgy，1973，16（31）：1-32.

[11] Liu Y，Wang H B，Long Z Y，et al. Microstructural evolu-tion and mechanical behaviors of graded cemented carbi-des[J]. Materials Science and Engineering，2006（426）：346-354.

[12] 朱警雷，黃繼華，張華，等. 硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的研究進(jìn)展[J]. 焊接，2008（2）：15-19，69.

[13] 周金，王海龍. YG8 硬質(zhì)合金與42CrMo鋼的真空釬焊工藝研究[J]. 熱加工工藝，2009，38（7）：109-111.

[14] 張曉玲，王海龍. 5CrMnMn鋼與YG8硬質(zhì)合金的真空釬焊[J]. 熱加工工藝，2008（5）：80-82，89.

[15] 羅云萌，曹峻，夏永平. 焊接溫度對(duì)Cr12鋼與YG8硬質(zhì)合金焊接接頭組織及性能的影響[J]. 鑄造技術(shù)，2016，37（8）：1710-1712.

[16] Fu K Y，Pan M M，Wang S J，et al. Effect of plasma nitri-ding time on microstructure and properties of DC53 steel[J]. Hot Working Technology，2018（47）：162-164，170.

[17] 馬春宇，袁軍平，薄海瑞. 預(yù)調(diào)質(zhì)處理對(duì)DC53模具鋼組織和性能的影響[J]. 機(jī)械工程材料，2013，37（1）：29-31.

[18] Nawaz Y，Maqsood S，Naeem K. Effect of input parameters of wire electric discharge machining on surface integrity of DC53 die steel[C]. 2018 International Conference on Power Generation Systems and Renewable Energy Technologies（PGSRET），2018：1-6.

[19] 田榮璋，王祝堂. 銅合金及其加工手冊(cè)[M]. 湖南：中南大學(xué)出版社，2002：122-123.

[20] 陳國慶，毛威，張秉剛，等. 采用Fe-30%Ni中間層電子束焊接硬質(zhì)合金與鋼[J]. 稀有金屬，2018，42（7）：750-755.