硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接工藝的研究現(xiàn)狀*

張譽嚳 馬志鵬 張旭昀

(東北石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系)

硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接工藝的研究現(xiàn)狀*

張譽嚳**馬志鵬 張旭昀

(東北石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系)

從焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能兩個方面概述了硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的基本工藝。總結(jié)出：采用Ni基、Fe基及Co基等合金作為填充金屬能夠獲得良好的焊接接頭，在其焊縫界面處會生成高強度的Fe-Co-Ni固溶體，而焊縫內(nèi)部會出現(xiàn)硬脆的缺碳M6C型金屬間化合物η相；增加Co、Ni元素的含量有利于Fe-Co-Ni固溶體的生成，同時也會抑制η相；用釬焊和擴散焊焊接的接頭力學(xué)性能較好，釬焊接頭的抗彎強度可以達(dá)到665MPa，擴散焊接頭的抗彎強度可以達(dá)到1 192MPa。

硬質(zhì)合金 異種金屬 焊接工藝

硬質(zhì)合金是一類以增強硬度和耐磨性的金屬碳化物為基體相，以增強韌性的過渡族金屬為粘結(jié)相，通過粉末冶金法制成的合金材料。硬質(zhì)合金具有較好的耐磨性和耐蝕性，尤其在高溫下，仍能保持高硬度。硬質(zhì)合金被用于制造各種切削用具、磨具、量具和耐磨零件，廣泛地應(yīng)用在地質(zhì)勘查、石油開采、采礦及筑路工程等領(lǐng)域[1]。目前，由于硬質(zhì)合金成本高，尺寸有限，塑性和沖擊韌性較差，絕大多數(shù)硬質(zhì)合金均鑲嵌在韌性較好的工具鋼工作部位，這樣可以使工具鋼來承受主要的沖擊載荷，提高使用性能，節(jié)約成本[2]。

目前硬質(zhì)合金鑲嵌在鋼上主要采用的是焊接方法，包括釬焊、擴散焊、激光焊及電弧焊等。其中釬焊工藝簡單，得到的焊縫韌性較好，主要問題是在焊縫區(qū)會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，可能會在硬質(zhì)合金上產(chǎn)生裂紋[3，4]。擴散焊對硬質(zhì)合金基體性能影響很小，但其加工受制于真空條件，一般只適于焊接結(jié)構(gòu)簡單的復(fù)合工件[5]。激光焊熱輸入大，能量精確可控制，靈活性強，但其加熱和冷卻速度太快容易在硬質(zhì)合金內(nèi)部產(chǎn)生裂紋[6]。而電弧焊在焊接時不僅容易產(chǎn)生裂紋，還會由于焊接時的元素擴散問題在焊縫周圍形成η相等金屬間化合物而導(dǎo)致焊縫脆化[7～9]。筆者綜述了硬質(zhì)合金與鋼焊接的各種方法中出現(xiàn)的問題和解決方式，分析了它們的優(yōu)缺點，為今后的研究提供一些參考和借鑒。

1 釬焊

硬質(zhì)合金與鋼在釬焊時釬料的選擇尤為關(guān)鍵，釬料應(yīng)同時具有較好的潤濕作用和緩解接頭殘余應(yīng)力的作用。最常用的釬料有Cu基釬料、Ni基釬料和Ag基釬料。

Cu基釬料是釬焊硬質(zhì)合金與鋼時最常用的釬料。使用純Cu釬料的接頭韌性高，抗剪強度約為150MPa，但在320℃時，接頭強度降低，不適于高溫工作，同時焊接接頭裂紋傾向較大[2]。Cu合金釬料中一般含Mn、Ni等元素提高焊縫強度，但其熔化溫度低于純銅釬料。陳洪生等采用CuZnMn釬料進行了YG8硬質(zhì)合金與低碳鋼的釬焊研究，所得接頭抗拉強度達(dá)到263.9MPa[10]。為了提高接頭強度又采用CuZnMnSnNiCo釬料進行釬焊，由于釬料中的Co、Ni等元素有利于Fe-Co-Ni固溶體的形成，同時減少了η相的形成，而且釬焊過程中釬料中的Co還能補充硬質(zhì)合金中粘結(jié)相中Co的流失，使接頭抗拉強度提高到291.6MPa。Li Y J等采用CuZnNi釬料釬焊YW2硬質(zhì)合金與45號鋼，發(fā)現(xiàn)焊縫中幾乎沒有η相，焊接接頭也沒有虛焊、氧化等缺陷[11，12]。

Ni基釬料也是硬質(zhì)合金與鋼釬焊過程中的常用釬料之一，對比使用Cu基釬料的接頭，使用Ni基釬料的接頭具有較好的緩沖應(yīng)力作用，通過接頭彎曲強度試驗得出平均強度可提高到846MPa[13]。李卓然等采用BNi2釬料(BNi82CrSiBFe)釬焊YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼，發(fā)現(xiàn)在焊縫中存在以Fe、Ni元素為主的固溶體、金屬間化合物M6C型η相，且接頭的抗剪強度能達(dá)到441MPa[14]。在實際應(yīng)用中常將兩種或兩種以上釬料組合起來使用達(dá)到提高焊接接頭性能的目的。陸楊等使用Cu和Ni的三明治結(jié)構(gòu)釬焊YG8硬質(zhì)合金與40Cr鋼，最高抗彎強度可達(dá)到665MPa，遠(yuǎn)高于單獨使用CuMnNi釬料接頭的抗彎強度523MPa[15]。Lee W B等采用Cu和Ni的夾層釬料進行了WC-Co硬質(zhì)合金與45鋼的釬焊，所得接頭最大剪切強度可達(dá)310MPa[16]。另外通過在Cu-Zn釬料上電鍍Ni作為中間層，可以實現(xiàn)YT535和YT758硬質(zhì)合金與45鋼的釬焊，所得接頭沒有微觀缺陷[17]。如不添加釬料，而在YT15硬質(zhì)合金焊接面上電鍍Ni-Cu-P層，再與鋼釬焊，也可形成連接并且焊縫處抗拉強度可以達(dá)到480MPa[18]。

Ag基釬料中如果含有Cu、Zn、Mn等元素也比較適合于釬焊硬質(zhì)合金，這些元素都可以提高釬料的潤濕性，并且抑制焊縫中η相的長大，提高焊縫強度，防止釬焊裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)采用Ag41Cu42Sn14In3釬料箔焊接YG6與45鋼時，可以發(fā)現(xiàn)釬縫飽滿，釬縫與母材結(jié)合良好，In元素固溶于α-Ag中起到固溶強化作用，其接頭剪切強度可達(dá)到214.6MPa[19]。

由以上分析可以看出，在硬質(zhì)合金與鋼的釬焊時，首先，對于接頭性能影響最大的就是η相，這種η相既硬又脆，如產(chǎn)生并長大會影響焊接接頭性能，明顯降低接頭抗剪強度和抗彎強度。其次，在釬料基體中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?Co、Mn、Zn等)，可以有效地提高接頭處的焊縫性能[2]。再次，Cu基和Ag基釬料熔點都比較低，限制了釬焊接頭的服役溫度，只有Ni基釬料熔點較高。最后，由于硬質(zhì)合金和鋼的線膨脹系數(shù)不一致，硬質(zhì)合金線膨脹系數(shù)較小，不到鋼的1/2，使得靠近焊縫處易產(chǎn)生微裂紋，從而影響母材和接頭的使用性能。

2 擴散焊

擴散焊分為無中間層焊接和有中間層焊接，硬質(zhì)合金與鋼的直接擴散難以實現(xiàn)，一般需要添加中間層。中間層以含不同合金元素的Ni基中間層為主，這是因為金屬Ni與硬質(zhì)合金表面潤濕性較好，且具有良好的緩沖作用。

陳飛雄和李世魁研究了硬質(zhì)合金與純鐵、45鋼、T10碳素工具鋼的熱等靜壓擴散連接工藝[20，21]。結(jié)果表明不加Ni箔，YG15C硬質(zhì)合金與45鋼擴散焊接頭抗彎強度為515MPa，與T10鋼擴散焊得到的接頭抗彎強度為559MPa。在加入Ni箔中間層后，硬質(zhì)合金與45鋼接頭抗彎強度提高到1 011MPa，與T10鋼接頭抗彎強度提高到1 192MPa，這表明加入Ni箔中間層能夠有效消除殘余熱應(yīng)力，提高接頭性能。Klaasen H等用Ni基合金作為中間層實現(xiàn)了YN05硬質(zhì)合金與鋼的擴散焊[22]。試驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，接頭的強度隨著中間層厚度的增加而提高，接頭內(nèi)殘余應(yīng)力隨著鋼與硬質(zhì)合金厚度比的增加而降低。

另外，Barrena M I等通過使用Cu-Ni中間層實現(xiàn)了YG15硬質(zhì)合金與90MnCrV8的擴散焊[23]。Miyakoshi Y等在使用Fe-Ni中間層和Ni中間層進行擴散焊時，發(fā)現(xiàn)焊縫中容易出現(xiàn)脆性碳化物η相[24，25]。

由以上分析得出，在進行擴散焊時，無論是采用單一Ni中間層還是復(fù)合Ni中間層，擴散焊都能得到性能優(yōu)良的焊接接頭。

3 激光焊

20世紀(jì)末國內(nèi)就有學(xué)者利用純Cu作為填充材料對硬質(zhì)合金CO2激光焊進行了研究[26，27]。結(jié)果表明，焊接時激光束中的大部分能量被Cu吸收，并使其熔化對硬質(zhì)合金進行浸潤，形成焊縫。硬質(zhì)合金本身吸收能量較少，避免了受熱時可能產(chǎn)生大塊的η相。只在焊縫處鐵素體中形成了大量成分復(fù)雜的均勻細(xì)化的金屬間化合物。隨著技術(shù)的發(fā)展，曹曉蓮等在不開坡口、不加填充材料的條件下采用功率密度高、光束質(zhì)量優(yōu)良、能量集中的光纖激光對YG20硬質(zhì)合金與45鋼進行焊接，并對接頭焊縫成形、組織和元素擴散規(guī)律進行研究[28]。結(jié)果表明，激光掃描速度較低時，焊縫熔化區(qū)附近會出現(xiàn)大量的焊接裂紋，隨著掃描速度的增大，裂紋會逐漸較少，直到完全消失；同時，硬質(zhì)合金中的W、Co與鋼中Fe發(fā)生互相擴散，鋼中的Fe擴散進入硬質(zhì)合金側(cè)，較好地彌補了Co元素的流失，充當(dāng)其粘結(jié)相，使整個接頭達(dá)到了很好的冶金結(jié)合。

由以上分析可以看出，激光焊阻礙了元素的擴散行為，抑制了在硬質(zhì)合金與鋼界面處η相的產(chǎn)生，改善了接頭處的力學(xué)性能。其次，激光焊可使鋼中Fe元素向硬質(zhì)合金中擴散，提高了結(jié)合強度。

4 電弧焊

電弧焊時，焊接的填充材料以Ni、Fe及Co等元素為主。宋以國等分別把純Fe、Co-Fe合金、Ni-Fe合金作為填充材料將YG30硬質(zhì)合金與45鋼進行TIG焊，3種填充材料形成的焊縫都有η相產(chǎn)生，其中純Fe最多，Co-Fe合金次之，Ni-Fe合金最少且分布細(xì)小[29，30]。這是因為填充金屬中Fe元素會促進η相的形成，但Ni元素抑制η相的形成。另外，王莎莎等通過比較純Fe與Fe-Co-C這兩種填充材料形成的焊縫發(fā)現(xiàn)Co元素同樣有利于抑制焊縫界面區(qū)η相的形成[31]。王浩等用Ni-Fe合金作為填充金屬對YG30硬質(zhì)合金和45鋼進行TIG焊，實驗結(jié)果表明，焊縫處存在著大塊的η相，它的存在使焊接接頭的抗彎強度降低[32]。為了提高接頭強度又采用Ni-Fe-C合金作為填充金屬，發(fā)現(xiàn)適量的碳可以抑制焊縫中脆性η相的形成，提高接頭的韌性，得到的焊接接頭最高抗彎強度可以達(dá)到1 341MPa。馬丁等還嘗試?yán)眉す?TIG復(fù)合的方式進行硬質(zhì)合金與因瓦鋼的焊接，其缺陷主要為在因瓦合金側(cè)熱影響區(qū)和焊縫的熱裂紋；在硬質(zhì)合金側(cè)熱影響區(qū)的冷裂紋；主要分布在焊縫中心和熔合線的氣孔[33]。

馬丁使用MIG焊的方法，對硬質(zhì)合金和304不銹鋼進行焊接試驗，填充純Ni焊絲[34]。結(jié)果表明，在焊接過程中，硬質(zhì)合金與焊縫界面發(fā)生了擴散行為，W、C及Ti等元素由硬質(zhì)合金向焊縫中擴散，形成缺碳的η相；焊接時，硬質(zhì)合金的表層出現(xiàn)剝離的趨勢，但是填充金屬Ni及時地彌補裂紋，使得焊接接頭冶金結(jié)合良好，硬質(zhì)合金與焊縫硬度過渡平穩(wěn)，由硬質(zhì)合金的1 100HV梯度過渡到焊縫Ni的220HV，焊縫區(qū)具有較高的硬度，滿足機械性能的要求。

由以上分析可以得出，電弧焊接硬質(zhì)合金與鋼容易出現(xiàn)的問題是在焊接接頭中產(chǎn)生裂紋，焊縫中形成η相。添加Ni元素和C元素可以有效抑制裂紋和η相。

5 結(jié)束語

從焊縫組織方面看，硬質(zhì)合金與鋼焊接的接頭處都存在元素擴散并形成不同的固溶體、金屬間化合物和η相。其中Fe元素易向硬質(zhì)合金方向進行擴散，其擴散距離最長。Co元素易向鋼方向擴散。這種擴散行為有利于焊接接頭性能的提高。一般來說，F(xiàn)e-Co-Ni固溶體可以提高焊接接頭的韌塑性，η相會降低接頭的抗剪強度，而且往往成為斷裂源。所以，通常會在焊接時加入Ni、Co等合金元素抑制η相的形成。

從焊接工藝方面看，硬質(zhì)合金與鋼的焊接仍以釬焊為主，其釬焊接頭的抗剪強度一般不超過650MPa。其次是硬質(zhì)合金與鋼擴散焊接頭，最佳抗彎強度能達(dá)到1 192MPa。激光焊硬質(zhì)合金與鋼容易出現(xiàn)裂紋或未焊透的現(xiàn)象，接頭強度較難測量。電弧焊熱作用范圍大，不但會在焊縫附近產(chǎn)生大量的η相，甚至?xí)茐挠操|(zhì)合金母材的性能，其接頭強度普遍不高。

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TheResearchStatusofWeldingProcedureforCementedCarbideandSteelDissimilarMetal

ZHANG Yu-ku, MA Zhi-peng, ZHANG Xu-yun

(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Starting with the microstructure and the mechanical properties of joints, the basic welding process for dissimilar metals and cemented carbide was summarized. The results show that,making use of Ni, Fe and Co-based alloys as the filler metal can bring about better welded joint and the Fe-Co-Ni-based solid solution with high toughness can be generated near the interface area of the brazing seam and the brittle M6C η compounds is formed in the middle of the brazing seam. Increasing the content of Co and Ni elements can benefit the formation of Fe-Co-Ni solid solution and inhibit η-phase. Both brazing and diffusion bonding makes the mechanical properties of joints better, and the shear strength of the brazing joints can reach 665MPa and the bending strength of the diffusion bonding joint can reach 1 192MPa.

cemented carbide, dissimilar metal, welding process

*黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GA13A402)，新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室開放課題研究基金項目(SKLABFMT-2015-04)。

**張譽嚳，男，1992年8月生，碩士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ050.4

A

0254-6094(2016)04-0441-05

2015-11-10，

2015-12-08)