保溫時間對部分瞬間液相連接硬質(zhì)合金/鋼接頭組織與性能的影響

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(長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

硬質(zhì)合金具有強度、硬度和彈性模量高，耐磨損和耐腐蝕性能良好等優(yōu)點，被應(yīng)用于切削工具、耐磨零件、采礦與筑路工程機械等領(lǐng)域[1-3]。但硬質(zhì)合金的韌性差,難以切削加工，往往無法生產(chǎn)大尺寸或形狀復(fù)雜的制品，且其價格較高，因此應(yīng)用范圍受到極大限制[4]。將其與韌性好、強度高、加工性能優(yōu)異且廉價的鋼連接使用，是拓展硬質(zhì)合金應(yīng)用范圍的主要途徑。

釬焊是目前最常用的連接硬質(zhì)合金和鋼的一種方法，具有工藝簡單、適應(yīng)性強等特點；但釬焊接頭的強度通常較低，使用溫度受限[5]。固相擴散焊接硬質(zhì)合金/鋼接頭雖然具有較高的剪切強度，但焊接時間較長，對設(shè)備要求也比較高，對待連接材料的尺寸和形狀也有較大的限制[6]。趙秀娟等[7]采用鎢極惰性氣體保護電弧焊對硬質(zhì)合金和鋼進行焊接，發(fā)現(xiàn)在焊接過程中生成的脆性η相(Fe3W3C)在界面處聚集，導(dǎo)致接頭抗彎強度降低。因此，在較低的溫度和壓力條件下快速獲得高強度接頭是硬質(zhì)合金與鋼連接新工藝要著重解決的問題。

部分瞬間液相(Partial Transient Liquid Phase，PTLP)連接技術(shù)通過中間層熔化或互擴散而在相鄰基體界面處形成瞬間過渡液相[8]，瞬間過渡液相與基體發(fā)生互擴散或界面反應(yīng)使得成分不斷變化并實現(xiàn)等溫凝固，獲得初始連接層，在后續(xù)均勻化過程中元素發(fā)生充分擴散，最終得到具有固相擴散連接特性的耐高溫接頭[9]。PTLP連接技術(shù)兼具釬焊和固相擴散焊的優(yōu)點，其連接接頭界面中存在韌性中間層，可以有效緩解接頭殘余應(yīng)力的影響，提高接頭性能。然而，目前對硬質(zhì)合金和鋼進行PTLP連接的研究報道較少。鎳鈦合金的共晶溫度(942 ℃)低于其純組元熔點，而鈦與鎳能形成耐高溫并具有一定室溫韌性的金屬間化合物,因此，將鈦/鎳/鈦復(fù)合材料作為中間層材料并采用PTLP連接硬質(zhì)合金與鋼，有望獲得高質(zhì)量的接頭。

作者在前期硬質(zhì)合金/鋼PTLP連接工藝研究的基礎(chǔ)[10]上，研究了保溫時間對PTLP連接YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭物相組成和剪切強度的影響規(guī)律，為PTLP連接技術(shù)在硬質(zhì)合金/鋼的連接領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實踐指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗方法

基體材料為YG10硬質(zhì)合金，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為5.52C，10Co，84.48W，尺寸為φ10 mm×6 mm，由株洲硬質(zhì)合金集團有限公司提供；40Cr鋼，調(diào)質(zhì)態(tài)，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為0.43C，0.22Si，0.57Mn，0.96Cr，<0.035S，<0.035P，余Fe，尺寸為φ10 mm×8 mm。中間層材料有鈦箔，純度高于99.7%，厚度為20 μm；鎳箔，純度高于99.9%，厚度為170 mm。

將基體材料的待焊接面用水砂紙逐級打磨至表面光亮、無明顯劃痕，用丙酮溶液超聲清洗，吹干待用。用組成(體積分數(shù))為60%H3PO4、20%HNO3和20%H2SO4的混合溶液對鎳箔進行超聲清洗，時間40 min，吹干待用；用組成(體積分數(shù))為25%HF、15%HNO3和60%H2O的混合溶液對鈦箔進行清洗，吹干待用。

在VQS0204型真空爐中對YG10硬質(zhì)合金和40Cr鋼進行PTLP連接。按照從下往上為硬質(zhì)合金、鈦箔、鎳箔、鈦箔和鋼的順序?qū)G10硬質(zhì)合金、中間層材料(中間層為鈦箔/鎳箔/鈦箔“三明治”結(jié)構(gòu))和40Cr鋼依次放入柱狀石墨模具內(nèi)，采取自重加壓法(在模具頂部放置質(zhì)量為2.4 kg的壓塊)施加0.3 MPa的軸向壓力使待焊表面充分接觸，隨后保持0.3 MPa壓力，以10 ℃·min-1的升溫速率加熱至1 000 ℃保溫1～4 h，隨爐冷卻，真空度保持在1.3×10-3Pa左右。

采用線切割法垂直于界面方向?qū)⒔宇^切開，經(jīng)打磨拋光之后，用Hitach S4800型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌，用Bruker D8 advance型X射線衍射儀(XRD)分析物相組成，用Horiba 250型能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。使用HV-1000A型顯微硬度計測試截面顯微硬度分布，載荷0.49 N，保載時間10 s。使用自制剪切夾具，在CMT4304型電子萬能拉伸試驗機上對接頭進行靜載剪切試驗，下壓速度為0.5 mm·min-1。靜載剪切試驗如圖1所示。

圖1 接頭剪切試驗示意Fig.1 Schematic of shear testing of the joint

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌和微區(qū)成分

由圖2(a)可見：在連接溫度遠低于中間層材料及基體材料熔點的條件下，經(jīng)過1 h的保溫，鈦箔與YG10硬質(zhì)合金和40Cr鋼分別反應(yīng)形成了寬35～50 μm的過渡層；中間層與基體的界面區(qū)域沒有顯微裂紋產(chǎn)生，說明中間層的存在對殘余應(yīng)力起到了良好的緩沖作用，這有利于接頭強度的提高；在近鎳側(cè)過渡層中有非連續(xù)的微米級孔洞存在，而在過渡層與40Cr鋼和YG10硬質(zhì)合金的界面處均未出現(xiàn)明顯的孔洞，說明在1 000 ℃保溫條件下，鎳和鈦通過互擴散形成了瞬間過渡液相，有效填充了基體表面，并在隨后的等溫凝固過程中產(chǎn)生縮孔。隨著保溫時間的延長，微觀縮孔的數(shù)量減少、尺寸減小，過渡層的厚度增加。

圖 2 不同保溫時間下PTLP連接YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭的截面SEM形貌Fig.2 SEM micrographs showing cross section of YG10 cemented carbide/40Cr steel joint bonded by PTLP for different dwelling times

由圖3可以看出，兩個過渡層中的鎳、鈦等元素含量均呈明顯的梯度分布，說明在連接過程中發(fā)生了元素的再分布。

由圖4可見，在1 000 ℃保溫2 h后，YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭的中間層區(qū)域生成了TiC、Ni3Ti和NiTi等反應(yīng)相。

圖4 1 000 ℃保溫2 h時PTLP連接YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭中間層的XRD譜Fig.4 XRD pattern of interlayer of YG10 cemented carbide/40Cr steel joint bonded by PTLP at 1 000 ℃ for 2 h

由圖5(a)可知，在PTLP連接過程中，鎳鈦共晶瞬間過渡液相與YG硬質(zhì)合金基體反應(yīng)形成了由WC+TiC組成的混合界面層，這是因為硬質(zhì)合金基體中WC顆粒的鈷黏結(jié)相快速溶入過渡液相中，導(dǎo)致WC顆粒失去束縛而進入液相，液相中的鈦與WC發(fā)生反應(yīng)生成了TiC。隨著TiC的生成，液相中的鈦含量減少，鎳鈦共晶相的熔點不斷升高，從而實現(xiàn)了過渡液相的自發(fā)凝固[11]。過渡液相界面在向鎳中推移的同時，不斷析出富鎳的Ni3Ti相，阻礙了鎳和鈦的進一步互擴散，剩余的液相以Co-Ni-Ti固溶體的形式保留下來。因此，中間層材料與YG10硬質(zhì)合金經(jīng)PTLP連接后形成了TiC+WC/Co-Ni-Ti/Ni3Ti的梯度過渡層。同理，在PTLP連接過程中，鎳鈦共晶瞬間過渡液相中的鈦與40Cr鋼基體中的碳原子反應(yīng)生成了TiC層，阻礙了鐵原子向過渡液相的擴散，此時過渡液相的等溫凝固主要依靠中間層材料中鎳的不斷溶入而實現(xiàn)，最終形成TiC/NiTi/Ni3Ti的梯度過渡層，如圖5(b)所示。

2.2 硬度分布與剪切強度

由圖6可以看出，在較長保溫時間下PTLP連接的YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭中間層(過渡層和中間鎳層)的硬度較高，這與由擴散引起的固溶強化效應(yīng)有關(guān)。

由圖7可見：當(dāng)保溫時間由1 h延長至2 h時，YG10硬質(zhì)合金/40Cr鋼接頭的剪切強度從137 MPa增加到153 MPa，此時接頭斷裂部位主要位于過渡層中；當(dāng)保溫時間由2 h延長至4 h時，接頭剪切強度下降，保溫4 h后的僅為37.58 MPa，此時接頭斷裂部位主要位于近過渡層的YG10硬質(zhì)合金基體中。當(dāng)保溫時間較短時，延長保溫時間有利于等溫凝固階段微觀縮孔缺陷的消除，從而提高剪切強度；之后隨著保溫時間的延長，在中間層中作為應(yīng)力吸收層的剩余鎳相因元素互擴散導(dǎo)致的固溶強化程度不斷增大，從而對接頭殘余應(yīng)力的消除產(chǎn)生不利影響，同時過渡層中脆性反應(yīng)層(Ni3Ti和TiC)的厚度不斷增大，這些均導(dǎo)致了接頭剪切強度的降低[12-13]。

3 結(jié) 論

(1) 以“三明治”結(jié)構(gòu)的鈦箔/鎳箔/鈦箔為中間層材料，采用部分瞬間液相連接方法對YG10硬質(zhì)合金和40Cr鋼進行了連接，連接后的接頭形成了由硬質(zhì)合金/TiC+WC/Co-Ni-Ti/Ni3Ti/鎳層/Ni3Ti/NiTi/TiC/鋼組成的多層結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)合金和鎳層以及鋼和鎳層之間均形成了寬35～50 μm的過渡層；靠近鎳側(cè)的過渡層中存在部分微米級縮孔，隨著保溫時間的延長，過渡層內(nèi)的縮孔數(shù)量減少，過渡層厚度增大。

(2) 在較長的保溫時間下接頭中間層(過渡層和鎳層)的顯微硬度較高；當(dāng)保溫時間從1 h延長到4 h時，接頭的剪切強度先增大后減小，保溫2 h的剪切強度最大，為153 MPa。保溫時間是影響部分瞬間液相連接接頭性能的重要因素之一。