YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼的高頻感應(yīng)釬焊研究

朱子釗，馬 源

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

硬質(zhì)合金的組成為金屬碳化物相和粘性金屬，在粉末冶金方法的應(yīng)用下制作而成。硬質(zhì)合金為超硬碳化物和粘性金屬的結(jié)合體，因此本身的硬度以及耐磨性比較高，另外也具有較高的強度以及韌性，主要是在刀具、軋輥等部件中應(yīng)用。在部件制作中，如果可以應(yīng)用到硬質(zhì)合金，一方面有助于減少服役期間的磨損，另一方面也能夠顯著延長部件使用壽命。然而硬質(zhì)合金硬度比較高、脆性比較大，自身也具有較高成本，因此加工中難度較大，想要在部件制作中全部采用硬質(zhì)合金難度更大[1]。一般情況下會在受到嚴重摩擦位置單純應(yīng)用硬質(zhì)合金，其他部位采用的是硬質(zhì)合金和低碳鋼，相對來講低碳鋼加工性能標高、成本也偏低，具有良好的可加工性。在硬質(zhì)合金和鋼焊接連接過程中，是實現(xiàn)兩者的冶金結(jié)合，具有較高連接強度，零件尺寸也不會對其產(chǎn)生影響，所以在硬質(zhì)合金和鋼連接過程中，焊接工藝的應(yīng)用空間比較廣泛，主要事這一方法效率高、質(zhì)量高[2]。當前在硬質(zhì)合金和鋼剛接過程中，常用的焊接方法有電弧焊、擴散焊、釬焊等。其中釬焊工藝在應(yīng)用中的優(yōu)勢主要為：加熱溫度低、殘余應(yīng)力不高以及變形偏低等，也不會受到工件厚度的限制，在各種異形材料和精密、復(fù)雜構(gòu)件焊接中具有重要應(yīng)用價值[3]。尤其是在硬質(zhì)合金和鋼焊接中，已經(jīng)成為一個重要焊接工藝。但是在硬質(zhì)合金和鋼焊接中，一旦出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)失配，容易引發(fā)接頭殘余應(yīng)力過高，進而對接頭性能產(chǎn)生不良影響。針對這一問題需要針對硬質(zhì)合金和鋼焊接中的溫度和保溫時間實施分析，以此有效預(yù)防焊接斷裂問題。本次研究以YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼的高頻焊接釬焊工藝，對焊接接頭力學(xué)性能的影響因素及其對抗剪切強度的影響展開分析，以此顯著提升接頭的抗剪切強度。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

本次實驗研究采用的是YG8硬質(zhì)合金、低碳鋼，其中YG8硬質(zhì)合金中的WC顆粒增強相質(zhì)量分數(shù)為92%，粘結(jié)劑Co質(zhì)量分數(shù)為8%；低碳鋼各化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)分別為：Cr為7.0%、Si為4.5%、B為3.1%、Fe為3.0%、C為＜0.1%以及Ni為余量。兩者的物理性能見表1。

表1 YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼的物理性能

本次實驗中采用的釬料選擇的是BNi2商用釬料，生產(chǎn)廠家為長沙天久金屬材料有限公司，這一材料形態(tài)為粉末狀，熔點為970℃以及顆粒度325目，純度在99.5%以上，相應(yīng)的化學(xué)成分組成詳情見表2。

表2 BNi2商用釬料的化學(xué)成分（wt.%）

1.2 高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備

本次實驗選擇的是深圳市雙平電源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，即為SP-30AB型水冷自控分體式設(shè)備，輸入電壓為50HZ~60HZ三相380V電壓，最大輸入功率為35KVA，可以實現(xiàn)的電流加熱范圍10A~70A，一天時間可以實現(xiàn)負載持續(xù)率100%，輸出振蕩頻率會受到依照感應(yīng)圈尺寸和試樣的影響，輸出振蕩頻率為30KVZ~80KVZ。在焊接中，為避免YG8硬質(zhì)合金、低碳鋼兩者出現(xiàn)釬料合金元素氧化和被燒壞情況，需要對其實施焊接試樣保護，一般采用的保護方式為真空或惰性保護氣體[4]。高頻感應(yīng)釬焊在真空環(huán)境下實施難度較大，所以本次研究選擇的是惰性氣體氬氣的保護，石墨底座連接后將氬氣流通入其中，氣體保護管采用的是石英玻璃，以便于在焊接中對焊接過程進行觀察。

1.3 測溫系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)

針對高頻感應(yīng)設(shè)備加熱溫度在P909控制器的應(yīng)用下，實施檢測以及控制。在P909控制器操作中采用按鍵實施控制，加熱和保溫程序最高為16端。控制器溫度反饋檢測選擇的是K型熱電偶，在其應(yīng)用中具有較大熱電動勢以及線性度，與之同時林敏度也比較高，穩(wěn)定性、均勻性以及抗氧化性能比較強，因此在氧化性惰性氣氛中具有較高適用性。在高頻感應(yīng)加大溫度控制中，在PID控制器P909的應(yīng)用下實施調(diào)試，首先需要實現(xiàn)對P909初始參數(shù)的控制。在本次實驗過程中，采用簡單實驗確定實驗條件下的P909控制參數(shù)，且需要確定相應(yīng)的控溫精度曲線程序參數(shù)。結(jié)合本次實驗的加熱狀態(tài)需求，設(shè)定相應(yīng)的溫度控制參數(shù)，具體為：P：6-10，I：8-12以及D：0。在實驗過程中如果SV=1030℃，想要獲得最好調(diào)節(jié)效果相應(yīng)參數(shù)為P=8，I=10以及D=0。隨著SV的不斷變化，也需要結(jié)合實際情況，實現(xiàn)對PID值的微調(diào)，以此得到精確控溫范圍。其中PID測試中的設(shè)定溫控曲線詳情見圖1。

圖1 PID測試中的設(shè)定溫控曲線

2 實驗結(jié)果分析

2.1 接頭界面組織

如果是在釬焊溫度為1030℃、連接時間持續(xù)300s參數(shù)下的接頭界面組織詳情見圖2。從圖中a可以看出，釬焊接頭共包括五個區(qū)域，其中在a區(qū)顯示的白色粒狀組織為鐵素體，黑色或灰色塊狀組織即為珠光體，由此可以發(fā)現(xiàn)亞共析鋼組織特征；b區(qū)顯示的灰黑色或部分條紋狀黑色塊狀組織為珠光體組織，同時外部白色網(wǎng)狀條狀組織即為二次滲碳體，由此可可發(fā)現(xiàn)典型共析鋼組織。兩個區(qū)域之間通過共析鋼組織進行過渡。c區(qū)即為BNi2釬料，與YG8硬質(zhì)合金母材一側(cè)距離大概在10m即為d區(qū)，宏觀視域可以看出d區(qū)組織形態(tài)和e區(qū)較為類似，d區(qū)組織可能是YG8硬質(zhì)合金顆粒，e區(qū)組織即為硬質(zhì)合金母材。通過圖b可以看出，釬焊接頭已經(jīng)具備比較好的結(jié)合界面，與之同時釬縫組織結(jié)構(gòu)分布也較為均勻，如果將其分成五個區(qū)域可以看出，I區(qū)和II區(qū)之間的界限并不明顯，III區(qū)即為在釬縫區(qū)域中形成的塊狀或點狀組織，呈現(xiàn)出白色和灰色，主要是在以上兩個區(qū)域內(nèi)散亂分布。IV區(qū)呈現(xiàn)出白色塊狀或條狀組織，幾何形態(tài)具有明顯棱角，且實現(xiàn)了和III區(qū)部分長條狀白色組織的連接；V區(qū)即為硬質(zhì)合金和釬料結(jié)合區(qū)域，和母材相比這一區(qū)域硬質(zhì)合金顆粒密度比較小，分布形態(tài)為梯形。

2.2 連接溫度和接頭抗剪強度關(guān)系

針對YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼，采用BNi2釬料實施連接，保溫時間持續(xù)為300s，以此針對不同釬焊溫度下的接頭抗剪切強度平均值實施分析，變化過程見圖3。從圖中可以看出，在釬焊溫度為1030℃情況下，接頭抗剪強度可以達到最大值，顯示為441MPa。如果是在釬焊溫度在1000℃以下情況下，會導(dǎo)致抗剪強度有所下降，主要是WC晶粒和M6C型η相異常長大，進而也就會導(dǎo)致晶粒過大導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋。在此情況下，也會導(dǎo)致IV區(qū)具有較高脆性，斷裂中是由η相出現(xiàn)微裂紋，如果再受到外力荷載作用，也可能會導(dǎo)致微裂紋繼續(xù)沿η相進行擴展，與之同時也可能會受到η相分布不連續(xù)因素的影響，導(dǎo)致微裂紋擴展方向為沿著母材。如果連接溫度提升到1030℃，會顯著降低IV區(qū)晶粒度，也就有助于降低微裂紋傾向，進而顯著提升接頭強度。隨著溫度的持續(xù)性提升，會進一步加大WC顆粒的η相生成量的加大，提升接頭局部脆性，在這一情況下回進一步加大微裂紋產(chǎn)生可能性。

2.3 保溫時間和接頭抗剪強度關(guān)系

針對YG8硬質(zhì)合金和低碳鋼，采用BNi2釬料實施連接，釬焊溫度固定為1030℃，對其保溫時間進行改變，由此探討不同保溫時間下的釬焊接頭抗剪強度平均值，變化過程見圖4.從圖中可以看出在保溫時間為300s情況下，可以獲取接頭抗剪強度最高值，顯示為441MPa。其中在分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，如果保溫時間是在1min情況下，接頭界面的連接即為基本沒有擴散的固相連接，同時直接受到高頻感應(yīng)釬焊迅速加熱的影響，容易進一步提升母材中的內(nèi)應(yīng)力，如果內(nèi)應(yīng)力數(shù)值和材料抗拉強度相比偏大下，也就會導(dǎo)致母材中出現(xiàn)微裂紋。在保溫時間持續(xù)性延長過程中，也會導(dǎo)致釬縫中反應(yīng)生成的相逐漸呈現(xiàn)出彌散化分散，以此也就可以對較大尺寸相產(chǎn)生微裂紋傾向起到降低作用，也有助于提高釬縫強度。如果保溫時間延長到5min下，能夠得到最大抗剪強度，但是在保溫時間繼續(xù)延長中，會導(dǎo)致釬縫中的相分布形態(tài)為花紋狀，顯著提高釬縫性能。然而如果是在硬質(zhì)合金母材一側(cè)，隨著WC顆粒以及相的持續(xù)性加大，會引發(fā)區(qū)中部分被分解成為花紋狀，且會在釬縫中分布，另外還有一部分沒有經(jīng)過充分分解的大尺寸晶粒，依舊是在硬質(zhì)合金母材一側(cè)殘留，不但不會提升釬焊接頭抗剪強度，甚至可能還會導(dǎo)致其抗剪強度有所下降。

3 結(jié)論

通過本次研究所得結(jié)論主要為以下幾點：

第一，在本次實驗過程中，采用簡單實驗確定實驗條件下的P909控制參數(shù)，且需要確定相應(yīng)的控溫精度曲線程序參數(shù)。結(jié)合本次實驗的加熱狀態(tài)需求，設(shè)定相應(yīng)的溫度控制參數(shù)，具體為：P：6-10，I：8-12以及D：0。在實驗過程中如果SV=1030℃，想要獲得最好調(diào)節(jié)效果相應(yīng)參數(shù)為P=8，I=10以及D=0。隨著SV的不斷變化，也需要結(jié)合實際情況，實現(xiàn)對PID值的微調(diào)，以此得到精確控溫范圍。

第二，在高頻感應(yīng)釬焊溫度逐漸提升或保溫時間逐漸延長過程中，會導(dǎo)致接頭抗剪強度出現(xiàn)先增大后減小趨勢，想要接頭抗剪切強度達到最大值相應(yīng)的焊接溫度要控制在1030℃，保溫時間保持在5min，以此即可以實現(xiàn)對焊接斷裂問題的有效預(yù)防。