YG8硬質合金和低碳鋼的高頻感應釬焊研究

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用下制作而成。硬質合金為超硬碳化物和粘性金屬的結合體，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、軋輥等部件中應用。在部件制作中，如果可以應用到硬質合金，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用硬質合金，其他部位采用的是硬質合金和低碳鋼，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。在硬質合金和鋼焊接連接過程中，是實現兩者的冶金結合，具有較高連接強度，零件尺寸也不會對其產生影響，所以在硬質合金和鋼連接過程中，焊接工藝的應用空間比較廣泛，主要事這一方法效率高、質量高[2]。當前在硬質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。其中釬焊工藝在應用中的優(yōu)勢主要為：加熱溫度低、殘余應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、復雜構件焊接中具有重要應用價值[3]。尤其是在硬質合金和鋼焊接中，已經成為一個重要焊接工藝。但是在硬質合金和鋼焊接中，一旦出現熱膨脹系數失配，容易引發(fā)接頭殘余應力過高，進而對接頭性能產生不良影響。針對這一問題需要針對硬質合金和鋼焊接中的溫度和保溫時間實施分析，以此有效預防焊接斷裂問題。本次研究以YG8硬質合金和低碳鋼的高頻焊接釬焊工藝，對焊接接頭力學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硬質合金、低碳鋼，其中YG8硬質合金中的WC顆粒增強相質量分數為92%，粘結劑Co質量分數為8%；低碳鋼各化學成分質量分數分別為：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，相應的化學成分組成詳情見表2。

表2 BNi2商用釬料的化學成分（wt.%）

1.2 高頻感應釬焊設備

本次實驗選擇的是深圳市雙平電源技術有限公司生產的高頻感應加熱設備，即為SP-30AB型水冷自控分體式設備，輸入電壓為50HZ~60HZ三相380V電壓，最大輸入功率為35KVA，可以實現的電流加熱范圍10A~70A，一天時間可以實現負載持續(xù)率100%，輸出振蕩頻率會受到依照感應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硬質合金、低碳鋼兩者出現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調節(jié)

針對高頻感應設備加熱溫度在P909控制器的應用下，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。在高頻感應加大溫度控制中，在PID控制器P909的應用下實施調試，首先需要實現對P909初始參數的控制。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，且需要確定相應的控溫精度曲線程序參數。結合本次實驗的加熱狀態(tài)需求，設定相應的溫度控制參數，具體為：P：6-10，I：8-12以及D：0。在實驗過程中如果SV=1030℃，想要獲得最好調節(jié)效果相應參數為P=8，I=10以及D=0。隨著SV的不斷變化，也需要結合實際情況，實現對PID值的微調，以此得到精確控溫范圍。其中PID測試中的設定溫控曲線詳情見圖1。

圖1 PID測試中的設定溫控曲線

2 實驗結果分析

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，同時外部白色網狀條狀組織即為二次滲碳體，由此可可發(fā)現典型共析鋼組織。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硬質合金母材一側距離大概在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硬質合金顆粒，e區(qū)組織即為硬質合金母材。通過圖b可以看出，釬焊接頭已經具備比較好的結合界面，與之同時釬縫組織結構分布也較為均勻，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，呈現出白色和灰色，主要是在以上兩個區(qū)域內散亂分布。IV區(qū)呈現出白色塊狀或條狀組織，幾何形態(tài)具有明顯棱角，且實現了和III區(qū)部分長條狀白色組織的連接；V區(qū)即為硬質合金和釬料結合區(qū)域，和母材相比這一區(qū)域硬質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系

針對YG8硬質合金和低碳鋼，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，進而也就會導致晶粒過大導致內部出現微裂紋。在此情況下，也會導致IV區(qū)具有較高脆性，斷裂中是由η相出現微裂紋，如果再受到外力荷載作用，也可能會導致微裂紋繼續(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生可能性。

2.3 保溫時間和接頭抗剪強度關系

針對YG8硬質合金和低碳鋼，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，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釬焊迅速加熱的影響，容易進一步提升母材中的內應力，如果內應力數值和材料抗拉強度相比偏大下，也就會導致母材中出現微裂紋。在保溫時間持續(xù)性延長過程中，也會導致釬縫中反應生成的相逐漸呈現出彌散化分散，以此也就可以對較大尺寸相產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。然而如果是在硬質合金母材一側，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過充分分解的大尺寸晶粒，依舊是在硬質合金母材一側殘留，不但不會提升釬焊接頭抗剪強度，甚至可能還會導致其抗剪強度有所下降。

3 結論

通過本次研究所得結論主要為以下幾點：

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，且需要確定相應的控溫精度曲線程序參數。結合本次實驗的加熱狀態(tài)需求，設定相應的溫度控制參數，具體為：P：6-10，I：8-12以及D：0。在實驗過程中如果SV=1030℃，想要獲得最好調節(jié)效果相應參數為P=8，I=10以及D=0。隨著SV的不斷變化，也需要結合實際情況，實現對PID值的微調，以此得到精確控溫范圍。

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