釬焊溫度對YG8硬質合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼釬焊接頭組織與力學性能的影響

，，

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作 454000)

0 引 言

硬質合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕等優點，被譽為“工業牙齒”，用于制造切削刀具和耐磨零部件等[1]，廣泛應用于機械加工、石油鉆井、礦山工具等領域。但硬質合金的脆硬、韌性差等缺點使其難以制作出大尺寸、形狀復雜的構件，而將硬質合金與鋼材進行釬焊可解決該問題，且釬焊后構件具有優良的綜合性能[2-4]。礦山傳輸帶中刮板的材料通常為40Mn2中碳調質錳鋼，該鋼的強度較高、塑性和耐磨性較好，但存在回火脆性、過熱敏感性和在野外惡劣環境中易腐蝕等問題[5]。為解決刮板在實際應用中存在的上述問題，研究人員考慮以YG8硬質合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼釬焊[6-12]件作為刮板材料。為此，作者對YG8硬質合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行了氬氣保護釬焊，研究了釬焊溫度對釬焊接頭組織和力學性能的影響，為YG8硬質合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼焊接刮板的實際生產應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用釬焊母材為1Cr18Ni9Ti不銹鋼和YG8硬質合金，其化學成分如表1所示，母材試樣尺寸均為15 mm×12 mm×3 mm。釬料為L304銀焊片，化學成分(質量分數/%)為49～51Ag，35Cu，14～18Zn，熔點為690～775 ℃，尺寸為11 mm×12 mm。試驗前用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硬質合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼試樣的搭接長度為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緊，釬焊試樣裝配如圖1所示。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼和YG8硬質合金的化學成分(質量分數)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型保護氣氛箱式電阻爐中，緊固爐門，打開循環水，通入20 min氬氣,排盡爐內空氣后進行加熱。釬焊溫度分別為890，900，910，920，930 ℃，保溫13 min，持續通入氬氣并隨爐冷卻至室溫。

在光學顯微鏡(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型顯微硬度計對釬焊接頭的顯微硬度進行測試，加載壓力0.5 N，加載、卸載時間均為10 s。按照GB/T 11363-2008，在IIC-MST-100型電子萬能力學試驗機上進行室溫剪切試驗，試樣尺寸為20 mm×12 mm×6 mm，搭接長度為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 試驗結果與討論

2.1 對接頭顯微組織的影響

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

由圖3(a)和表2可以看出：當釬焊溫度為910 ℃時，釬焊接頭硬質合金側(位置1)組織主要為細小的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織，晶粒尺寸約為10 μm，這說明兩側母材中的鐵、鎳、鈷元素擴散到焊縫中；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，這說明釬料充分熔化后在焊縫處鋪展；釬焊接頭不銹鋼側(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、銀基固溶體和細小的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織組成，釬料與母材的相互擴散較明顯，組織致密，界面焊接質量良好。

由圖3(b)和表2可知：當釬焊溫度為930 ℃時，釬焊接頭靠近不銹鋼側出現氣孔和較長的熱裂紋，該處組織為粗大的Fe-Co-Cu-Ni共晶組織，這說明不銹鋼母材熔化并向硬質合金側擴散得更加充分，從而導致共晶組織粗大；釬焊接頭靠近硬質合金側呈一條曲線，位置4處鈷元素含量較高，這說明硬質合金向焊縫處擴散得較為充分；位置5處為含有銅、鐵的銀基固溶體，這說明釬料隨熔化后的不銹鋼母材向硬質合金側流動并形成銀基固溶體；位置6處為光學顯微鏡下觀察到的黑色組織，由于釬焊溫度過高，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果(質量分數)Tab.2 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.3 (mass) %

2.2 對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；當釬焊溫度為910 ℃時，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散反應有關。隨著釬焊溫度的升高，兩側母材中的合金元素向焊縫擴散，合金元素濃度的增加導致焊縫硬度增大，但釬焊溫度過高時，焊縫處出現過熱現象，晶粒粗大，導致焊縫硬度降低。

2.3 對接頭剪切強度的影響

由圖5可知：隨著釬焊溫度的升高，釬焊接頭的剪切強度呈先增大后減小的趨勢；在910 ℃釬焊時接頭的剪切強度最高，為147.5 MPa，這說明釬焊溫度對焊縫的剪切強度有較大的影響。在釬焊過程中，釬料熔化并與界面母材相互作用，一方面釬料潤濕母材，另一方面界面處原子發生擴散。根據原子擴散理論可知，隨著釬焊溫度的升高，原子擴散能力增強，硬質合金和不銹鋼與釬料間的原子擴散速率提高，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，焊接質量變好，因此接頭的剪切強度提高。但是，過高的釬焊溫度不僅會對母材組織造成危害，而且會使接頭處發生界面反應，導致組織粗大，焊接質量變差，因此隨著釬焊溫度的繼續升高，接頭剪切強度下降。

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

2.4 剪切斷口形貌

由圖6可知：當釬焊溫度為910 ℃時，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；位置3處主要由銀和少量的銅、鋅等元素組成，同樣說明該處為焊縫中的銀基固溶體。由剪切試驗結果可知，釬焊接頭在焊縫處發生斷裂，這說明釬料與兩側母材的焊接質量較好，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果(質量分數)Tab.3 Energy spectrum analysis results at different positions in Fig.6 (mass) %

3 結 論

(1) 隨著釬焊溫度的升高，硬質合金和不銹鋼與釬料間的原子擴散速率提高，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，焊接質量變好，但當釬焊溫度高于920 ℃時，釬焊接頭出現過熱現象，組織粗大，焊接質量變差。

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

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

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