工具钢及及硬质合金的钎焊材料

工具钢及硬质合金的钎焊

工具钢的钎焊性：

工具钢通常包括碳素工具钢、合金工具钢及高速钢。碳素工具钢系高碳钢;合金工具钢通常含质量分数为百分之几的合金元素,某些钢中含合金元素高达12%-14%.主要合金元素有Cr、Mn、Si等;高速钢是含W、Cr、V、Mo等元素的高合金钢,应用最广的是 W18Cr4V。硬质合金是碳化物(如 WC、TiC等)与黏结金属(如 Co等)经粉末烧结而成的。工具钢和硬质合金的钎焊主要用于刀具、量具、模具、采掘工具以及整体刀具的制造上。

硬质合金的钎焊性：

硬质合金的线膨胀系数与普通钢相比差别很大,硬质合金约为6x10-6℃-1,钢材为12x10-6℃-1。当硬质合金与普通钢的基体钎焊时,由于两者线膨胀系数的不同,会使钎焊接头冷却后产生很大的热应力,从而产生裂纹。因此,硬质合金与不同材料钎焊时,必须采取措施減小钎焊应力,以防止开裂。

钎焊材料：

工具钢和硬质合金的钎焊通常采用纯铜、铜锌和银铜材料。好的润湿性, 但需要在氢的还原性气氛中钎焊材能取得最性效果。采用春铜焊接是我接头抗剪强度约为150MPa，接头塑性也较高，但由于钎焊温度高,接头中的应力较大,易导致开裂,,故不适于高温工作。

铜锌钎料是钎焊工具钢和硬质合金最常用的钎料。为提高 钎料的润湿性和接头的强度，在钎料中常添加Mn、Ni、Fe等元素。在铜钎料中加入锰，提高与可料的强度、改善钎料对硬质合金的润湿性,钎焊接头强度也有很大提高。例如BCu58ZnMn(其中Mn含量为4%)，使得硬质合金钎焊接头的抗剪强度在室温时达到300-320MPa；在320℃时仍能维持220~240MPa，在BCu58ZnMn的基础 上加入少量的Co，可使钎焊接头的抗剪强度达到350MPa，并且具有较高的冲击韧度和疲劳强度，显著提高了硬质合金刀具的使用寿命。

银铜钎料具有良好的强、强度和塑性，熔点较低，钎焊接头产生的热应力较小，硬质合金不易开裂。在钎料中加入Mn、Ni等合金元素，可以改善钎料的润湿性，提高接头的强度和工作温度。例如BAg50CuZnCdNi（其中Ni含量为3%）钎料对硬质合金有着 优良的润湿性，强度及耐热性也高，钎焊接头具有良好的综合性能。

除了上述3种类型的纤料外，对于工作在500℃以上且接头强度要求较高的硬质合金，可以选用Mn基和Ni基钎料，如B-Mn50NiCuCrCo和B-Ni75CrSiB等。

由于一般铜基钎料的熔化温度均低于高速钢的淬火温度，它们均不适合高速钢的钎焊。为此，钎焊高速钢都选择钎焊温度与淬火温度相匹配的专用钎料。这种钎料分为两类，一类为锰铁型钎料，主要由锰铁及硼砂组成，其中硼砂起纤剂作用。该类钎料的熔化温度为1250℃左右，同高速钢的热处理温度相匹配，钎焊接头的抗剪强度一般为100MPa左右。由于它的收缩大，钎焊后容易出现裂纹。另一类为含Ni、Fe、Mn和Si的特殊铜合金，其熔点与锰铁大致相同，约为1200-1280℃。由于这类合金的收缩量比锰铁减少了三分之二左右，因此钎焊后不易产生裂纹，接头的抗剪强度也提高到300MPa以上。使用后一类钎料钎焊时，必须采用硼砂作纤剂。

纤剂和保护气体：

纤剂的选择应与所焊的母材和所选的钎料相匹配。工具钢及硬质合金钎焊时，所用的纤剂主要以硼砂和硼酸为主，并加入一些氟化物（KF、NaF、CaF₂等）。铜锌钎料配用FB301、FB302和FB105纤剂，银铜钎料配用FB101-FB104纤剂。采用钎料钎焊高速钢时，主要配用硼砂纤剂。

工具钢及硬质合金钎焊时，可以采用气体保护，以防止在钎焊过程中的氧化。工具钢钎焊保护时保护气体可以是惰性气体，也可以是还原性气体，要求气体的露点应低于-40℃。硬质合金可以再氢气保护下进行钎焊，所需氢气的露点应低于-59℃。

钎焊工艺：

工具钢在钎焊前必须进行清理，清除表面的油污、氧化物或其他外来杂质。机械加工的表面不必太光滑，这有利于钎料和纤剂的润湿和铺展。

硬质合金表面在钎焊前应经喷砂处理,或用碳化硅或金刚砂轮打磨, 清除表面过多的碳,以使于钎焊时被钎料所润湿。钎焊前还应对工件进行脱脂处理。有一些比较难润湿的硬质合金(如碳化钛)有时还需电镀,或涂一层氧化铜或氧化镍配制的膏状物,然后放置在还原性气氛中烘烤,使铜或镍过渡到表面上去,从而增强钎料的润湿性。

碳素工具钢的钎焊最好在淬火工艺前进行或者同时进行。如果在淬火工序前进行钎焊,所用钎料的固相线温度应高于淬火温度范围,以使焊件在重新加热到淬火温度时仍然具有足够的强度而不致失效。当钎焊和淬火合并进行时, 选用固相线温度接近淬火温度的钎料, 采用这种工艺时, 在钎焊中要注意避免裂纹, 因为在淬火温度下,接头强度非常低。

合金工具钢的成分范围很宽, 应根据具体钢种确定适宜的钎料、热处理工序以及将钎焊和热处理工序合并的技术,从而获得良好的接头性能。

高速钢的淬火温度一般高于银铜和铜锌钎料的熔化温度,因此需在钎焊前进行淬火, 并在二次回火期间或之后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火,由于一般铜基钎料的熔化温度均低于高速钢的淬火温度,它们不适合于高速钢的钎焊,只能选用前述的专用钎料进行钎焊。钎焊高速钢刀具时采用焦炭炉比较合适，当钎料熔化后，取出刀具并立即加压挤出多余的钎料，在进行油淬，然后在550-570℃回火。

工具钢及硬质合金常用火焰、感应、炉中、电阻、浸沾等方法钎焊。火焰钎焊设备简单,适用于小批生产。感应钎焊、炉中钎焊及电阻钎焊生产率高,质量稳定。采用保护气氛炉中钎焊,还可避免钎焊时发生氧化。浸沾钎焊用于硬质合金钻探工具的生产, 也是一种效率高、易于掌握的方法。

为了减少硬质合金刀片的钎焊应力和防止产生裂纹，可采用下列工艺措施：在钎缝中插入塑性好的补偿垫片；加大钎缝间隙；用30CrMnSiA钢作刀体，它由奥氏体变为马氏体时体积膨胀，可抵消部分收缩应力。双层包复的银钎料，即在两片银钎料中间插入镍或紫铜片，3层的厚度为1:2:1。冷却时热应力可被补偿垫片吸收。在采用铜基钎焊时则可用镍铁合金（其膨胀系数介于钢与硬质合金之间）作为补偿垫片。

在尺寸比例不协调的装配件中，只钎焊一面往往可以消除或减少它的应变。使用止纤剂涂层或加大一面的间隙都可以防止钎料流到不需要的地方。钎焊较长的硬质合金片时，可将硬质合金切成几段来钎焊，另一种方法是在支座的另一侧同时钎焊一块对称的硬质合金片，使应力平衡。这种方法既提高了钎焊组件的抗应变能力，而且使它具有两个耐磨面，延长了该组件的使用寿命。

在钎焊后必须进行热处理的工具钢构件,则应严格按该类钢的热处理规范进行处理,硬质合金钎焊后必须使焊件在空气中慢慢冷却,如将焊件焊后立即放到200℃左右的炉中,或插入草木灰等保温介质中,让其缓慢冷却至接近室温后取出,以消除接头中的应力,防止开裂的产生. 此外,锤击钎焊接头的反面,也可减少接头的应力。

钎焊后，焊件上的钎剂残渣先用热水冲洗或用一般的除渣混合液清洗,随后用合适的酸洗液酸洗,以清除基体刀杆上的氧化膜,但注意不要使用硝酸溶液,以防腐钎缝金属。