保温时间对硬质合金与不锈钢钎焊工艺的影响

李悦

摘 要：本实验选用三明治银焊片作为中间层，使用YG8硬质合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢作为接头材料，氩气为保护气，使用箱式钎焊炉，将保温时间作为变量，把制备好的试样通过观察其焊缝显微组织，分析焊缝与母材的熔合性能，测定焊缝与母材的显微硬度，测定试样剪切强度，进而对实验数据进行归纳总结，评价出较高剪切强度和较好接头组织的试样。

在对不同保温时间的试样进行测试的结果中发现，保温时间达到20min时的接头性能优于保温时间为13min和5min的接头。因此，适当的延长保温时间可以在连接处获得更好的冶金结合，制备出优质的钎焊接头。

关键词：硬质合金；钎焊；显微组织；剪切强度

一、试验材料

1.YG8硬质合金

YG8硬质合金是钨钴类材料，具有硬 度高、韧性较好、耐热、耐 腐蚀耐磨、强度高等一系列优良性能，特别是它的耐磨性和很强的硬度，就算在500℃的温度环境下也大体保持性能不变，而在1000℃温度时仍具有相当高的硬度。

YG8硬质合金的化学成分以及性质见表1-1。

2.1Cr18Ni9Ti不锈钢

不锈钢1Cr18Ni9Ti属于奥氏体不锈钢。因为其具有较好耐晶间腐蚀性，因此，这种不锈钢通常用于制作耐酸器皿及抗磁仪表、设备衬里、医疗器械等。1Cr18Ni9Ti不锈钢化学成分见表1-2：

3.三明治银焊片

三明治银焊片是一种两片银钎料片中间加有铜垫片或镍垫片的特殊焊片，也就是加有补偿垫片的银焊片。主要应用于钎焊焊缝长度超过12.7mm的合金，硬质合金或者大面积钎焊面的工件，以防止因异种金属间焊接其热膨胀系数不同而产生的开裂现象。广泛运用于各种硬质合金刀具，车刀，钻具，矿山钎具的钎焊。

二、试验工艺

本实验选用三明治银焊片作为中间层，加热温度定为910℃，分别选择了三组保温时间：5min、13min、20min，来进行试验试样的制备。

三、试验过程

1.钎焊接头的剪切强度及数据分析

剪切测试是测量焊缝力学性能的一个重要的方法，通过剪切实验可以检测焊接形成的接头的质量。如果剪切强度太低的话，使用过程中不能满足使用性能，那么就不能选这种材料或者这种焊接方法。

本实验对每组组试样分别做了剪切实验，设备为最大载荷为100KN的万能实验机，由于硬质合金硬度大，塑性小，高的位移速度容易产生附加的惯性力，因此选择小的位移速度，为0.01mm/s。不同温度下的剪切强度见表3：

为了便于观察不同保温时间下试样剪切强度的分布情况，绘出剪切强度-时间分布图，如图1所示。

结合图1分析可知，5分钟和13分钟条件下的剪切应力和剪切强度要比910℃的小很多，说明了保温时间对焊缝的力学性能有显著的影响。 随着保温时间的增加，试样的剪切强度呈现上升趋势。当保温时间只有5min或者13min时，由于界面处的元素扩散并不充分，接头结合力稍差。随着保温时间的延长，接头的剪切强度逐渐升高。在一定保温时间的范围内，保温时间越长，扩散系数越大，母材与中间层的扩散速度越快，得到的焊接接头强度越高。在实验的范围内，焊接保温时间为20min时，试样的剪切强度最大，对应的焊接工艺是最佳工艺。

2.显微硬度分析

为了进一步分析钎焊中不同的保温时间对中间层、母材的性能的影响，采用MH-5型显微硬度计对试样进行显微硬度测量。分别多次测量了钎缝和距离焊缝50/100um母材的硬度，然后计算其平均值来评价其硬度。考虑到中间层及母材比较软，但是硬质合金比较硬，所以采用的载荷为100g，加载时间为10s。

为了直观的反映焊接接头不同区域硬度的变化幅度，把各个焊接温度下的焊缝以及母材硬度变化用图演示出来，如图2、3所示。

（a） 距离焊缝50μm处母材的显微硬度

（b）距离焊缝100μm处母材的显微硬度

（1） 从图3可以看出，不同保温时间下焊缝的硬度有较大的变化，而母材部分的硬度总体上波动不大。说明母材上距离焊缝以及钎料较远的地方扩散作用可能是很弱的，基本上不会因为保温时间的变化而大幅波动。

（2） 中间层和母材的界面反应区形成的固溶体组织的硬度和釬缝中心区形成的固溶体组织的硬度上有很大区别，不同种固溶体的塑性也有较大区别，它有利于缓解接头在冷却过程中由于钢和硬质合金线膨胀系数的不同而产生的残余应力。

（3） 由图2可以看出，保温时间比较低（比如5min）的时候，中间层元素扩散不充分，直接影响焊缝的硬度和焊接质量。随着保温时间的增加到13min、20min，焊缝的硬度明显升高，这是因为钎料中的元素能够实现充分的扩散，钎缝组织充分释放残余应力，从而使接头获得良好的综合力学性能。

四、结论

当其他条件一定，以保温时间作为变量，保温时间（如5min）比较低时，中间层元素扩散不充分，直接影响中间层的硬度和剪切强度。随着保温时间的逐渐增加，钎料对母材的润湿性会更好，加剧元素的扩散和溶解。当保温时间增加到20min时，中间层元素扩散充分，大大的提高了接头的剪切强度，获得结合良好的接头。

参考文献

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