陳思杰,閆瑞峰,李 報
(河南理工大學材料科學與工程學院,焦作 ４５４０００)
摘 要:以 L３０４銀焊片為釬料,對 YG８硬質(zhì)合金與１Cr１８Ni９Ti不銹鋼進行高溫氬氣保護釬焊,通過顯微組織觀察、能譜分析、硬度測試、室溫剪切試驗等,研究了釬焊溫度對釬焊接頭組織及力學性能的影響.結(jié)果表明:隨著釬焊溫度的升高,接頭焊縫的組織更加均勻致密,釬料逐漸熔化且充分填充焊縫,釬焊質(zhì)變好,但當釬焊溫度高于９２０ ℃時,釬焊接頭出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,組織粗大,釬焊質(zhì)量變差;隨著釬焊溫度的升高,釬焊接頭的剪切強度和顯微硬度均呈先增大后減小的趨勢;
當釬焊溫度為９１０℃時,釬焊接頭的剪切強度為１４７．５MPa,顯微硬度為１９４HV,釬焊接頭的綜合力學性能最好.
關鍵詞:釬焊;YG８硬質(zhì)合金;１Cr１８Ni９Ti不銹鋼;顯微組織;力學性能
中圖分類號:TG４５４ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０２Ｇ００１８Ｇ０４
０ 引 言
硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點,被譽為“工業(yè)牙齒”,用于制造切削刀具和耐磨零部件等[１],廣泛應用于機械加工、石油鉆井、礦山工具等領域.但硬質(zhì)合金的脆硬、韌性差等缺點使其難以制作出大尺寸、形狀復雜的構(gòu)件,而將硬質(zhì)合金與鋼材進行釬焊可解決該問題,且釬焊后構(gòu)件具有優(yōu)良的綜合性能[２Ｇ４].礦山傳輸帶中刮板的材料通常為４０Mn２中碳調(diào)質(zhì)錳鋼,該鋼的強度較高、塑性和耐磨性較好,但存在回火脆性、過熱敏感性和在野外惡劣環(huán)境中易腐蝕等問題[５].為解決刮板在實際應用中存在的上述問題,研究人員考慮以 YG８硬質(zhì)合金與１Cr１８Ni９Ti不銹鋼釬焊[６Ｇ１２]件作為刮板材料.為此,作者對 YG８硬質(zhì)合金與１Cr１８Ni９Ti不銹鋼進行了氬氣保護釬焊,研究了釬焊溫度對釬焊
接頭組織和力學性能的影響,為 YG８硬質(zhì)合金與１Cr１８Ni９Ti不銹鋼焊接刮板的實際生產(chǎn)應用提供依據(jù).
１ 試樣制備與試驗方法
試驗用釬焊母材為１Cr１８Ni９Ti不銹鋼和 YG８硬質(zhì)合金,其化學成分如表１所示,母材試樣尺寸均為１５mm×１２mm×３mm.釬料為 L３０４銀焊片,化學成分(質(zhì)量分數(shù)/％)為４９~５１Ag,３５Cu,１４~１８Zn,熔 點 為 ６９０~７７５ ℃,尺 寸 為 １１ mm ×１２mm.試驗前用８００＃ 金相砂紙將母材試樣表面打磨至光亮,去除氧化層.將母材和釬料放入丙酮溶液中浸泡５~１０ min,然后清洗吹干.YG８硬質(zhì)合金和１Cr１８Ni９Ti不銹鋼試樣的搭接長度為１０mm,在釬料與母材中間涂敷一層銀基釬焊膏后放入專用耐熱鋼夾具中并用螺栓預緊,釬焊試樣裝配如圖１所示.
將裝配好的試樣放入 SX２Ｇ１２Ｇ１１G 型保護氣氛 箱式電阻爐中,緊固爐門,打開循環(huán)水,通入２０min 氬氣,排盡爐內(nèi)空氣后進行加熱.釬焊溫度分別為 ８９０,９００,９１０,９２０,９３０℃,保溫１３min,持續(xù)通入氬 氣并隨爐冷卻至室溫. 在光學顯微鏡(OM)和JSMＧ７５００F型掃描電鏡 (SEM)上觀察釬焊接頭的顯微組織,并利用掃描電鏡 附帶的能譜儀(EDS)分析接頭的物相組成.采 用 MHＧ５型顯微硬度計對釬焊接頭的顯微硬度進行測 試,加載壓力０．５N,加載、卸載時間均為１０s.按照 GB/T１１３６３－２００８,在IICＧMSTＧ１００型電子萬能力 學試驗機上進行室溫剪切試驗,試樣尺寸為２０mm× １２mm×６ mm,搭 接 長 度 為 １０ mm,位 移 速 度 為 ２mm??min－１.采用JSMＧ７５００F型掃描電鏡及附帶的 能譜儀觀察剪切斷口的微觀形貌,分析物相組成. ２ 試驗結(jié)果與討論 ２．１ 對接頭顯微組織的影響 由圖２可以看出:當釬焊溫度為８９０ ℃時,釬料中原子擴散不明顯,焊縫和１Cr１８Ni９Ti不銹鋼側(cè)界面處原 子 的 擴 散 較 明 顯,硬 質(zhì) 合 金 側(cè) 的 擴 散不明顯,由 于 溫 度 較 低,銀 基 釬 料 潤 濕 性 較 差,熔化的釬料在 界 面 處 聚 集 而 形 成 連 續(xù) 黑 色 組 織;當釬焊溫度為９００,９１０ ℃時,焊縫組織均勻致密,黑色組織基本消失,接頭不銹鋼側(cè)界面連接較好,界面處形成了 很 多 細 小 晶 粒,接 頭 硬 質(zhì) 合 金 側(cè) 可 以看到一條黑色的直線,這說明釬料完全熔化且充分填充焊縫,焊接質(zhì)量較好;當釬焊溫度高于９２０ ℃時,部分熔融釬料從焊縫處流出,界面有過熱形成的鐵、鉻、鎳氧化物.
由圖３(a)和表２可以看出:當釬焊溫度為９１０℃時,釬焊接頭硬質(zhì)合金側(cè)(位置１)組織主要為細小的 FeＧCoＧCuＧNi共晶組織,晶粒尺寸約為１０μm,這說明兩側(cè)母材中的鐵、鎳、鈷元素擴散到焊縫中;接頭焊縫(位置２)處的主要成分為銅、碳和少量的銀元素,是一種銅基固溶體組織,這說明釬料充分熔化后在焊縫處鋪展;釬焊接頭不銹鋼側(cè)(位置３)組織
主要為含有銅、碳的銀基固溶體.綜上,在９１０℃釬焊的接頭由銅基、銀基固溶體和細小的 FeＧCoＧCuＧNi共晶組織組成,釬料與母材的相互擴散較明顯,組織致密,界面焊接質(zhì)量良好.由圖３(b)和表 ２ 可知:當釬焊溫度為 ９３０ ℃
時,釬焊接頭靠近不銹鋼側(cè)出現(xiàn)氣孔和較長的熱裂紋,該處組織為粗大的 FeＧCoＧCuＧNi共晶組織,這說明不銹鋼母材熔化并向硬質(zhì)合金側(cè)擴散得更加充分,從而導致共晶組織粗大;釬焊接頭靠近硬質(zhì)合金
側(cè)呈一條曲線,位置４處鈷元素含量較高,這說明硬質(zhì)合金向焊縫處擴散得較為充分;位置５處為含有銅、鐵的銀基固溶體,這說明釬料隨熔化后的不銹鋼母材向硬質(zhì)合金側(cè)流動并形成銀基固溶體;位置６處為光學顯微鏡下觀察到的黑色組織,由于釬焊溫度過高,該組織為鐵、鉻、鎳氧化物.綜上可見,在９３０℃釬焊的接頭由粗大的共晶組織和少量銀基固溶體組成,焊接質(zhì)量較差.
２．２ 對焊縫顯微硬度的影響
由圖４可以看出:隨著釬焊溫度的升高,釬焊接 頭焊縫的顯微硬度呈先增大后減小的趨勢;當釬焊 溫度為９１０ ℃時,焊縫的顯微硬度最大.釬焊接頭焊縫硬度的變化與不同釬焊溫度下界面原子的擴散反應有關.隨著釬焊溫度的升高,兩側(cè)母材中的合金元素向焊縫擴散,合金元素濃度的增加導致焊縫硬度增大,但釬焊溫度過高時,焊縫處出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,晶粒粗大,導致焊縫硬度降低.
２．３ 對接頭剪切強度的影響
由圖５可知:隨著釬焊溫度的升高,釬焊接頭的剪切強度呈先增大后減小的趨勢;在９１０ ℃釬焊時接頭的剪切強度最高,為１４７．５ MPa,這說明釬焊溫度對焊縫的剪切強度有較大的影響.在釬焊過程中,釬料熔化并與界面母材相互作用,一方面釬料潤濕母材,另一方面界面處原子發(fā)生擴散.根據(jù)原子擴散理論可知,隨著釬焊溫度的升高,原子擴散能力增強,硬質(zhì)合金和不銹鋼與釬料間的原子擴散速率提高,焊縫的組織更加均勻致密,釬料逐漸完全熔化且充分填充焊縫,焊接質(zhì)量變好,因此接頭的剪切強度提高.但是,過高的釬焊溫度不僅會對母材組織造成危害,而且會使接頭處發(fā)生界面反應,導致組織
粗大,焊接質(zhì)量變差,因此隨著釬焊溫度的繼續(xù)升高,接頭剪切強度下降.
２．４ 剪切斷口形貌
由圖６可知:當釬焊溫度為９１０℃時,剪切斷口呈明顯的撕裂狀,韌窩分布均勻.由表３可知:圖６中位置１處由銀和少量的碳、銅等元素組成,這說明該處位于焊縫位置;位置２處主要含有鈷、鐵、碳、銅等元素,這表明該處位于焊縫共晶區(qū);位置３處主要由銀和少量的銅、鋅等元素組成,同樣說明該處為焊縫中的銀基固溶體.由剪切試驗結(jié)果可知,釬焊接頭在焊縫處發(fā)生斷裂,這說明釬料與兩側(cè)母材的焊接質(zhì)量較好,焊縫為接頭的薄弱部位.
３ 結(jié) 論
(１)隨著釬焊溫度的升高,硬質(zhì)合金和不銹鋼與釬料間的原子擴散速率提高,接頭焊縫的組織更加均勻致密,釬料逐漸熔化且充分填充焊縫,焊接質(zhì)量變好,但當釬焊溫度高于９２０℃時,釬焊接頭出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,組織粗大,焊接質(zhì)量變差.
(２)隨著釬焊溫度的升高,釬焊接頭的剪切強度和顯微硬度均呈先增大后減小的趨勢;當釬焊溫度為９１０℃時,釬焊接頭的剪切強度最大、顯微硬度最高,分別為１４７．５MPa,１９４HV.
(３)以 L３０４銀焊片為釬料對 YG８硬質(zhì) 合 金與１Cr１８Ni９Ti不銹鋼進行氬氣保護釬焊的最佳釬焊溫度為９１０ ℃,此 時 釬 焊 接 頭 的 綜 合 力 學 性 能最好.
(２)鎳基合金堆焊層和對接焊縫的顯微組織均為柱狀奧氏體組織,基體上有點狀碳化物析出相;不銹鋼堆焊層的組織為粗大的柱狀奧氏體和少量的鐵素體;受多層多道焊熱循環(huán)的影響,不銹鋼堆焊層和鎳基合金對接焊縫中都發(fā)生了奧氏體再結(jié)晶,且在靠近SA５０８Gr．３Cl．２鋼熱影響區(qū)的不銹鋼堆焊層中的再結(jié)晶現(xiàn)象最明顯.
(３)鎳 基 合 金 堆 焊 層 抑 制 SA５０８Gr．３Cl．２ 鋼中成分稀釋焊縫金屬成分的效果比不銹鋼堆焊層的顯著.
（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料>2018年>2期> pp.18）