梯度硬質(zhì)合金與45鋼的TIG焊研究

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(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028 )

0 前言

硬質(zhì)合金制品一般具有很高的硬度和耐磨損性能，有很高的使用價(jià)值，但同時(shí)伴隨著尺寸有限、形狀簡(jiǎn)單、成本高、韌性差等缺陷，因此將硬質(zhì)合金與鋼連接具有重要意義。但硬質(zhì)合金與鋼連接時(shí)，由于二者線膨脹系數(shù)差別較大，在接頭中形成較大的殘余應(yīng)力會(huì)使接頭開裂，且在硬質(zhì)合金側(cè)焊縫界面處易生成脆性的η相碳化物，會(huì)導(dǎo)致接頭性能變差[1-3]。

趙秀娟等人[4-8]選用不同成份純Ni，Ni-Fe 合金、Ni-Fe-C 合金焊絲對(duì)YG30 硬質(zhì)合金與45鋼進(jìn)行了TIG 焊試驗(yàn)，徐明冉[9]研究了WC-Co-Ni系硬質(zhì)合金與45鋼的TIG 焊，結(jié)果表明，粘結(jié)相含量為30%的硬質(zhì)合金可以實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金側(cè)不開裂的電弧冷焊接頭，控制好填充材料的Ni含量和C含量可以使界面區(qū)不能形成有害的η碳化物層。但粘結(jié)相含量到達(dá)和超過30%的硬質(zhì)合金硬度顯著降低，此類硬質(zhì)合金與鋼的電弧連接實(shí)用價(jià)值并不高。針對(duì)以上問題，如果把不同粘結(jié)相含量的硬質(zhì)合金制成梯度硬質(zhì)合金，低粘結(jié)相側(cè)保持高硬度，高粘結(jié)相側(cè)具有優(yōu)良的焊接性，能實(shí)現(xiàn)與鋼電弧焊連接，不僅對(duì)擴(kuò)大硬質(zhì)合金的使用范圍具有重要意義，同時(shí)能為國(guó)內(nèi)的高性能硬質(zhì)合金的制備和焊接提供科學(xué)的參考依據(jù)。文中選取由牌號(hào)YG8,YG15和YG20的商用硬質(zhì)合金與WC-5Co-25Ni硬質(zhì)合金以擴(kuò)散燒結(jié)的方式制備梯度硬質(zhì)合金，其中硬度最高的YG8作為工作硬質(zhì)合金，焊接性最好的WC-5Co-25Ni作為焊接端與45鋼連接，YG15和YG20作為過渡層夾在中間緩沖應(yīng)力。采用Ni-Fe-C焊絲對(duì)梯度硬質(zhì)合金與45鋼進(jìn)行TIG焊連接，通過對(duì)焊接接頭的組織和力學(xué)性能的分析，研究了梯度硬質(zhì)合金用于與45鋼TIG焊的可行性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用母材為梯度硬質(zhì)合金以及熱軋態(tài)的45鋼(Fe-0.45C，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。梯度硬質(zhì)合金是由WC-5Co-25Ni硬質(zhì)合金與商用YG8,YG15，YG20分別以垂直和傾斜兩種形式按一定尺寸進(jìn)行精確堆疊，通過擴(kuò)散燒結(jié)的方法制備而成的三明治結(jié)構(gòu)(圖1)，梯度硬質(zhì)合金各母材和Fe-55Ni-C合金焊絲成分見表1。

圖1 母材尺寸及裝配示意圖

表1 梯度硬質(zhì)合金母材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)選用的焊接方式為TIG焊，使用Fronius TPS 4 000型多功能焊機(jī)。焊接參數(shù)為：直流電流100 A，純Ar氣保護(hù)，氣體流量為10 L/min，采用對(duì)接方式，焊接間隙為1 mm，焊前不預(yù)熱，焊后空冷。梯度硬質(zhì)合金和45鋼制成厚度6 mm長(zhǎng)方形板材，由于梯度硬質(zhì)合金不便于加工坡口，對(duì)于垂直堆疊的梯度硬質(zhì)合金僅在45鋼端開45°坡口，傾斜堆疊的梯度硬質(zhì)合金由于自帶60°傾角，僅在45鋼側(cè)開30°坡口，母材尺寸及裝配情況如圖1所示。焊前用砂輪機(jī)將坡口打磨至光亮。焊接試驗(yàn)結(jié)束后，制備金相試樣及彎曲試樣。 然后用Zeiss SUPRA 55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)微觀組織進(jìn)行觀察，采用WE-10A型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行室溫彎曲試驗(yàn)。為方便區(qū)分，文中用試樣A1，A2分別代表垂直堆疊和傾斜堆疊兩種梯度硬質(zhì)合金的焊件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的組織

由于45鋼的TIG焊接已較為成熟，且通過微觀觀察以及力學(xué)試驗(yàn)表明鋼/焊縫界面不是薄弱界面，因此沒有對(duì)45鋼/焊縫一側(cè)的焊接接頭組織進(jìn)行分析，而主要觀察分析集中在焊縫/硬質(zhì)合金一側(cè)。

圖2a～2b為A1接頭的硬質(zhì)合金/焊縫界面顯微組織。可以看出，焊縫基本上沿硬質(zhì)合金原始表面平直走向，說(shuō)明焊接時(shí)硬質(zhì)合金側(cè)熔化很少。中上部硬質(zhì)合金/焊縫界面處未發(fā)現(xiàn)η碳化物層(圖2a)，但在底部的硬質(zhì)合金/焊縫界面處有大塊η相生成(圖2b)，具有不規(guī)則的外形，分布厚度在10 μm左右。在一些大塊的η相中可以觀察到其內(nèi)部有許多形狀不一的WC晶粒，有些WC晶粒被包裹在η相中，晶界比較明顯，但有一些WC晶粒邊緣已經(jīng)熔化，幾乎融合于η相中。由文獻(xiàn)[7-8,10]可知，硬質(zhì)合金的兩相區(qū)范圍很窄，在焊接過程中，很容易因C原子的大量擴(kuò)散而導(dǎo)致液相中嚴(yán)重貧碳，使得WC繼續(xù)固溶到液相中以平衡C濃度，當(dāng)界面中的C損失過量，原料中含碳量低或燒結(jié)過程中脫碳造成合金中缺碳，就會(huì)導(dǎo)致Fe-W-C體系中生成M6C型或M12C型Fe-W-C化合物，即η相。

同時(shí)，硬質(zhì)合金/焊縫界面除了灰色基體相γ-(Fe,Ni),還有一些白色網(wǎng)狀共晶碳化物。由文獻(xiàn)[7-8]可知，共晶碳化物為Fe3W3C-Fe4W2C ，其中存在大量的W元素，W元素的存在說(shuō)明在硬質(zhì)合金與45鋼TIG焊接過程中，進(jìn)入到焊縫中的部分WC 顆粒受熱發(fā)生了分解，分解W原子和C原子，與焊縫中大量存在的Fe原子發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物組織。由于碳化物呈網(wǎng)狀彌散分布在熔合區(qū)，其危害不如大塊η相對(duì)接頭造成的影響大。

圖2c～2d為A2試樣進(jìn)行TIG焊后焊縫/硬質(zhì)合金界面的掃描電鏡微觀組織，可以看出，與A1試樣相比，A2試樣焊接后沿焊縫/硬質(zhì)合金的界面處沒有大塊脆性η相生成，硬質(zhì)合金中的WC擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，避免了焊接接頭力學(xué)性能的降低。焊縫組織主要由灰色基體相γ-(Fe,Ni)構(gòu)成，共晶碳化物Fe3W3C-Fe4W2C 呈彌散均勻分布，與A1試樣相比可明顯看出A2試樣中的硬質(zhì)合金焊接時(shí)熔化較多，與焊縫相互融合。

通過對(duì)比A1和A2試樣可發(fā)現(xiàn)，兩試樣雖然均沒有宏觀缺陷，但顯微組織卻有很大差異。與A2試樣相比，A1試樣的梯度硬質(zhì)合金垂直燒制，焊接時(shí)只在45鋼一側(cè)開45°坡口，這種方法在焊接時(shí)容易在焊縫底部界面形成η相，這是由于硬質(zhì)合金母材比45鋼熔點(diǎn)高難熔，焊接初期電弧較難向底部硬質(zhì)合金母材傾斜，而使鋼側(cè)熔化過多，導(dǎo)致熔敷金屬中Fe含量升高，難以抑制η相的生成。傾斜燒結(jié)帶60°傾角的梯度硬質(zhì)合金，焊接時(shí)鋼側(cè)母材對(duì)填充金屬的稀釋率得到控制，抑制了η相的生成，保證了接頭質(zhì)量。

圖2 硬質(zhì)合金/焊縫界面SEM照片

2.2 彎曲試驗(yàn)分析

對(duì)A1和A2試樣進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，兩種試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 試樣彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2可以看出，A1試樣承受的最大抗彎強(qiáng)度為0.76 GPa，平均抗彎強(qiáng)度0.74 GPa，斷裂位置在硬質(zhì)合金與焊縫的界面處。A2試樣承受的最大抗彎強(qiáng)度為1.41 GPa，平均抗彎強(qiáng)度1.29 GPa。與A1試樣相比，承受的應(yīng)力值有大幅度的提高，且A2試樣的斷裂位置在硬質(zhì)合金母材處。A1試樣斷裂在硬質(zhì)合金母材/焊縫界面處，說(shuō)明界面生成的脆性η相導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不足，易在η相內(nèi)部形成裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。A2試樣斷裂位置在硬質(zhì)合金母材處，說(shuō)明界面不生成η相的接頭焊縫強(qiáng)度高，接近或高于硬質(zhì)合金母材強(qiáng)度，使得在硬質(zhì)合金母材處發(fā)生脆斷，這種接頭才是滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的接頭。

2.3 斷口分析

利用掃描電鏡對(duì)彎曲試驗(yàn)后的斷口進(jìn)行SEM觀察分析。對(duì)比A1和A2試樣的斷口形貌和微觀組織，可以看出斷口呈兩類不同的類型。

A1試樣經(jīng)過彎曲試驗(yàn)后，斷裂面形貌如圖3a所示。高倍下觀察斷口可以看見斷面上存在著比WC晶粒尺寸大的剝落坑，結(jié)合圖2b，判斷此處是大塊的脆性η相，η相周圍布滿大量的二次裂紋，這是由于η相作為一種脆硬相會(huì)成為裂紋萌生的位置，在應(yīng)力集中的情況下這些裂紋極易發(fā)生擴(kuò)展，發(fā)生斷裂。而焊縫中的γ-(Fe,C) 韌性較好，所以斷面處也存在韌窩。

圖3b為A2試樣的斷口，斷口形貌整體比較平整，該試樣的斷裂位置在硬質(zhì)合金母材處，圖中可以清晰的看到斷口位置都是硬質(zhì)合金晶粒剝落坑，棱角分明，呈冰糖狀，還有一些細(xì)小的韌窩，是粘結(jié)相在應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，擴(kuò)展后斷裂產(chǎn)生的。

圖3 斷口微觀形貌

3 結(jié)論

(1)YG8/YG15/YG20/WC-5Co-25Ni四層結(jié)構(gòu)梯度合金可以實(shí)現(xiàn)緩解焊接應(yīng)力的目的，與45鋼TIG焊可以獲得硬質(zhì)合金側(cè)無(wú)開裂接頭。

(2)垂直堆疊燒制的梯度合金焊接時(shí)僅能在45鋼側(cè)開45°坡口，導(dǎo)致鋼側(cè)母材熔化過多，易在焊縫底部界面位置形成η碳化物層，60°傾角傾斜堆疊燒制的梯度合金焊接時(shí)相當(dāng)于雙側(cè)30°坡口，45鋼側(cè)母材對(duì)填充金屬的稀釋率得到控制，界面位置不再形成有害碳化物層。

(3)由于η碳化物層的存在，垂直堆疊梯度合金的焊接接頭彎曲時(shí)斷于焊縫與梯度合金的界面處，抗彎強(qiáng)度僅為0.74 GPa，傾斜堆疊梯度合金的焊接接頭的抗彎強(qiáng)度提高到1.29 GPa，斷裂位置為梯度合金處。