硬质合金与钢的焊接

硬质合金与钢的焊接硬质合金是种高生产率的工具材料，是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末与黏结剂混合，用粉末冶金法压制成各种所需形状的工件。

硬质合金与钢的焊接主要用于机械加工的刀具、刃具、模具、采掘工具和以耐磨作为主要性能的各种零部件，特点是可以节省大量的贵重金属，降低生产成本，提高零部件的使用寿命。

硬质合金工具在各工业部门已经得到广泛的应用，并收到了显著的效果。

1. 硬质合金的分类、用途及性能硬质合金是金属碳化物粉末与钴的混合物，常用的金属碳化物是碳化钨、碳化钛、碳化铌和碳化钒等，均可使硬质合金具有高硬度和高耐磨性。

硬质合金的黏结剂主要是金属钴或金属镍等，能保证硬质合金具有一定的强度和韧性。

1.1 硬质合金的分类及用途（1）常用硬质合金的分类、成分及用途我国常用硬质合金的分类、化学成分、使用性能及用途见表1。

我国生产的硬质合金分为YT和YG两大类。

YT类是由碳化钛、碳化钨和钴等组成，主要成分为WC、TiC和Co，多用于制作切削钢材的刀具。

YG类是碳化钨和钴的合金，主要成分是WC和Co，多用于制造切削铸铁件、淬火钢、不锈钢等的刀具，以及用于制造各种硬质合金量具、模具、地质采矿和石油钻井用的采掘工具等。

此外，还有YW类加入少量碳化钽或碳化铌等贵重金属碳化物的钛钨钴类硬质合金，用做切削特殊耐热合金材料的刀具。

表1 常用硬质合金的分类、化学成分使用性能及用途（2）用于各类工具的硬质合金另一种分类方法是将用于切削、采掘等用途的各类硬质合金分为金属瓷硬质合金和钢结硬质合金两类。

①金属瓷硬质合金将难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等）和黏结剂（如Co、Ni等）混合，加压成形，经烧结而成的粉末冶金材料。

例如生产中应用最广泛的钨钴类硬质合金（YG3、YG6、YG8等）和钨钴钛类硬质合金（YT5、YT15、YT30等）。

这类硬质合金的刀具耐高温、耐磨损，广泛用于制造量具、模具，也用于制造钎头、钻头等。

②钢结硬质合金以一种或几种碳化物（如TiC、WC等）为硬化相，以合金钢（如高速钢、铬钼钢等）粉末为黏结剂，经配料、混料、压制和烧结而成的粉末冶金材料。

这是一种新型的工具材料，可分为如下两种。

a.高速钢结硬质合金含TiC为35%，含高速钢的质量分数为65%，经淬火－回火后的硬度为HRC69～73。

b.铬钼钢结硬质合金含WC为50%，含铬钼钢的质量分数为50%。

钢结硬质合金广泛用于制造各种形状复杂的刀具，如机械加工中常用的麻花钻头、铣刀等，也用于制造高温工作的各种模具、工具和耐磨零件等。

1.2 硬质合金的性能常用硬质合金的力学性能和物理性能见表2。

表2 常用硬质合金的力学性能和物理性能硬质合金的力学性能和物理性能与化学成分之间有以下的变化规律。

①硬度硬质合金的硬度一般在HRA86～93之间，并随着硬质合金中含钴量的增加而降低。

在YT类硬质合金中，硬度随碳化钛含量的增加而提高。

硬质合金的红硬性比较好，只有当使用温度高于500℃时，硬质才开始降低。

但是在1000～1100℃的高温下，硬度仍可高达HRA73～76。

②抗弯强度常温时硬质合金的抗弯强度在90～150MPa之间，并且含钴量越高抗弯强度越高。

③冲击韧性硬质合金的脆性很高，且几乎与温度无关。

在高温时，钢的冲击韧性比硬质合金大数百倍。

在镶焊硬质合金工具时，不允许对硬质合金刀片做冲击性的压紧。

硬质合金的冲击韧性与合金中含钴量有关。

含钴量越高，冲击韧性也越高。

④热导率钨钴合金的热导率为0.58～0.88J/cm.s.℃，比高速钢约高1倍，而钨钛钴合金的热导率仅为0.17～0.21J/cm.s.℃，比高速钢低。

硬质合金的热导率随钴含量增加而增加，而钨钛钴合金的热导率随碳化钛的含量增加而降低。

⑤线膨胀系数硬质合金的线膨胀系数低于高速钢、碳素钢和铜的线膨胀系数。

钨钴合金的线膨胀系数比较小，并且随含钴量增加而增加；钨钛钴合金的线膨胀系数比钨钴合金高，且随碳化钛增加而略增。

YT类合金与YG类合金相比有更高的硬度、热硬性、抗氧化性、抗腐蚀性，但在抗弯强度、抗压强度和热导率方面，YG类则更好些。

在硬质合金中加入TiC 对强度影响不太显著，但明显提高了合金的热硬性，在900～1000℃时超过YT 类合金。

2. 硬质合金的焊接特点硬质合金主要用于制造刀具、量具、模具、采掘工具以及整体刀具等双金属结构。

切削部分为硬质合金，基体为碳素钢或低合金钢，通常为中碳钢。

这类工件在工作时受到相当大的应力作用，特别是压缩弯曲、冲击或交变载荷，要求接头强度高、质量可靠。

硬质合金具有高硬度和耐磨性好的特点，但也存在脆性高、韧性差等缺点。

大部分硬质合金工具是用焊接的办法镶嵌在中碳钢或低合金钢基体上使用，焊接工艺与硬质合金的使用性能密切相关，焊接性能的好坏直接影响到硬质合金的使用效果。

2.1 一般焊接性特点硬质合金含有较高含量的碳化物和合金元素，虽然可以进行焊接加工，但焊接时容易出现淬硬组织和裂纹。

必须采取有效的工艺措施，才能获得满意的焊接接头。

目前生产中硬质合金与钢焊接常用的焊接方法有氧－乙炔火焰钎焊、真空钎焊、电弧焊、惰性气体保护焊、摩擦焊、等离子弧焊、真空扩散焊和电子束焊等。

硬质合金与钢焊接时有如下的特点。

①线膨胀系数与钎焊裂纹的关系硬质合金的尺寸比较小，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用。

钎焊是把硬质合金和基体金属连接在一起的有效焊接方法。

硬质合金的线膨胀系数（4.1～7.0×10-6/℃）与普通钢的线膨胀系数（12×10－6℃－1）相比差别很大，硬质合金只有钢的1/3～1/2左右。

加热时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多。

此时焊缝处于受压力状态，而在硬质合金表面上则承受拉应力。

如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时，硬质合金的表面就可能产生裂纹。

这是硬质合金钎焊时产生裂纹的最主要原因之一。

②硬度与裂纹敏感性的关系硬质合金的硬度与耐磨性和焊接裂纹敏感性成正比，硬质合金的硬度越高，钎焊时产生裂纹的可能性越大。

而且，一般精加工或超精加工所用的硬质合金，在钎焊时容易发生裂纹。

根据不同牌号的硬质合金的硬度和强度大小可以判断硬质合金的焊接裂纹敏感性，由差到好的排列顺序如下。

YG类YG3X，YG3，YG4，YG6X，YG6，YG8，YG11，YG15YT类YT60，YT30，YW1，YT15（YW2），YT14，YT5以上两类硬质合金，从左至右表明硬度和耐磨性逐渐降低，而强度和韧性增加，钎焊裂纹发生的可能性减小。

③焊接残余应力的影响焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接后硬质合金工件上不一定能马上发现裂纹，但在随后的刃磨、保管或使用过程中却容易产生裂纹，造成工具报废。

当硬质合金的钎焊面积越大时，产生的焊接残余应力越大，发生裂纹的可能性也越大。

在焊接硬质合金工具时，必须使焊接残余应力尽量减小。

焊接时必须采取措施减小钎焊应力，可采取降低钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。

钎焊大面积硬质合金时，无论强度高低，均应采取特殊措施，以减小焊接应力和防止裂纹的产生。

④氧化问题硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金的表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。

当加热至950～1100℃时，表面层会发生急剧的氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低力学性能。

表面氧化层的存在，也降低了焊缝的强度、硬度。

在焊接时采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象，是提高焊接质量的重要措施。

2.2 基体材料的选择和槽形设计（1）基体材料的选择硬质合金通常与基体材料连接在一起使用，基体材料的选择主要考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。

一般载荷的刀具基体材料可用45钢或40Cr钢。

需要淬硬的刀体可选用9SiCr钢，因为9SiCr钢焊后淬火用的冷却介质温度比40Cr高，对硬质合金有利。

9SiCr钢做小刀体时还可采用空冷或压缩空气气冷的冷却方式，也能使刀杆达到一定硬度。

一些受力、受冲击和切削热量大的硬质合金刀具的基体材料，如大龙门刨的刀杆，可用50钢或55钢。

高精度硬质合金刀具可用W18Cr4V高速钢做基体材料，焊后采用空冷。

由于高速钢的线膨胀系数与硬质合金较接近，焊接应力也较小，刀具寿命也比较高。

表3是常用的硬质合金工具刀体材料。

表3 硬质合金刀体所用的材料硬质合金模具的基体材料只承受轻微载荷时可用45钢制造，受冲击载荷的可用50钢或55钢，冲击较强时可用40Cr或9SiCr。

受强烈冲击或反复热振动的模具要用9SiCr，条件特别恶劣或尺寸较大时也可用W18Cr4V，以提高模具的热稳定性和减少钎焊应力。

（2）槽形设计钢与硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理。

硬质合金槽形设计的原则如下。

①尽量减少钎焊面，避免采用封闭和半封闭槽形结构，以减少钎焊应力，防止产生裂纹，尽可能采用自由焊槽形，以使钎焊应力降低到最低限度。

②焊接前装配硬质合金时应尽量靠硬质合金的自重或靠基体上的凸台、凹槽等部位定位，尽量避免使用夹具固定硬质合金。

③设计槽形时应考虑在钎焊过程中便于排渣，避免因焊缝中夹渣而使焊缝强度降低或发生脱焊现象。

④钎焊后刀头部分不应黏附过多的焊料，以免刃磨困难，尤其是在设计硬质合金多刃刀具时应特别加以注意。

封闭和半封闭刀槽的设计如图1所示。

这种刀槽形状增加了焊接面，使硬质合金刀片的焊接应力大大增加，并使应力分布复杂化，容易使硬质合金刀片发生裂纹，降低刀具的使用寿命。

较为合理的开口槽的槽形设计如图2所示。

这种设计使硬质合金刀片在钎焊时仅受到两个钎焊面的应力，在钎焊时发生裂纹的可能性比封闭或半封闭槽的刀具要小，刀具的使用寿命也较长。

硬质合金自由焊刀具的槽形设计如图3所示。

这种设计可以减少钎焊面的槽形设计，既能减小应力，避免裂纹产生，又不增加刀槽的加工工序。

这种设计使硬质合金刀片与钢质刀体的焊接面减少至一个，而在侧面焊缝处仅留下刀片厚度的30%～40%，起到刀片的定位作用。

自由焊槽形的设计能使钎焊应力降低到最低限度，可大大减少和防止钎焊裂纹的产生，提高刀具使用寿命10%～30%。

一些大钎焊面的硬质合金刀具、量具或模具的槽形设计，可以采取开工艺沟的办法使一个大的焊接面分割或几个小块，以减少钎焊应力和避免产生裂纹（见图4）。

同时工艺沟还能起到排渣的作用，保证焊缝有足够的强度。

工艺沟的宽度和深度可在1.5～2mm左右，工艺沟的数量可以根据钎焊面的大小确定。

硬质合金刀片立焊可以成倍增加硬质合金刀片切削部分的厚度，而且硬质合金的抗压强度无论在常温或高温下都要比钢高得多，能够承受较大的切削力和切削热，能避免产生裂纹或发生崩坍现象。

双重刀片叠焊法还可以将两种不同牌号的硬质合金刀片叠焊在一起，如下层焊YG8刀片，上层焊YT15、YT30、YG3X、YG6X等刀片。