硬质合金刀具的焊接
第一节 硬质合金的钎焊特性
硬质合金具有很高的硬度、耐磨性和红硬性。硬质合金的钎焊是将硬质合金和钢体牢固地连接在一起的有效方法之一。这项钎焊工艺，已经广泛地应用在硬质合金刀具、模具、量具和采掘工具上。由于各种牌号的硬质合金成分不同，其用途及钎焊的特性不同。因此，我们必须进一步了解硬质合金的性能，用途及其钎焊的特性。
一、硬质合金的强度和钎焊裂纹的关系
各种牌号的硬质合金，当它的强度越高，钎焊时产生裂纹的可能性就越小，反之，钎焊裂纹就比较容易产生。但硬质合金的硬度和耐磨性往往与强度成反比，即高硬度、高耐磨性的合金，强度较差，而高强度的合金，其硬度和耐磨性较低。一般来说：精加工或超精加工所用牌号的硬质合金，在钎焊时更容易发生裂纹，如在钎焊YT15、YT30、YG3和YG3X等牌号硬质合金时，就要采取特殊措施来防止发生裂纹。各种牌号硬质合金的可焊性能，如下表示：
YG类：YG3X→YG3→YG6X→(YG6A)→YG6→YG8→YG11→YG15 YT类：YT30→YW1→YT15（YW2）→YT14→YT5
以上两式，从左至右表明硬度和耐磨性降低，而强度和韧性增加，钎焊裂纹发生的可能性则减少。
二、硬质合金的线膨胀系数与钎焊裂纹的关系
硬质合金与一般作为刀体材料所用的碳素钢在加热时膨胀系数差别很大，从1：2到1：3左右。表1为硬质合金与钢材线膨胀系数对比。
钎焊过程中，在加热阶段，硬质合金和钢基体从B膨胀至B″，它比硬质合金多膨胀了B′B″。在冷却过程中，则钢基体要比硬质合金多收缩B′B″。由于焊缝已牢固地将硬质合金和钢体焊接在一起，不允许它们各自自由收缩，因而它们之间的收缩差B′B″除了依靠极薄的焊缝的塑性来抵消一小部分外，绝大部分以应力状态存在着（见图1b），这种应力在焊缝处成压应力，在硬质合金表面上成拉应力。当这种拉应力大于硬质合金的抗拉强度时，就会在硬质合金表面产生裂纹（见图1c），这就是钎焊硬质合金时发生裂纹的最主要原因。由此可见，当硬质合金的钎焊面积越大时，其钎焊应力和裂纹产生的可能性就越大，所以我们在钎焊大面积硬质合金时，不论其强度高低（YG8和YG11C大面积合金冲模等），均应采取特殊措施，以防止钎焊裂纹的发生。
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第二节 钎焊硬质合金用的焊料与溶剂 一、钎焊硬质合金的焊料选择
钎焊也叫做腊焊和铜焊，它的特点是：被钎焊体本身不熔化，靠焊料在加热熔化后，渗透或与被焊件形成化学反应的作用，将被钎焊件牢固地连接在一起，因此，焊料性能是决定钎焊质量的重要因素之一。
1．选择焊料的条件
（1）焊料应对被钎焊的硬质合金和钢基体有良好的润湿性，保证焊料能在焊接温度下通过毛细管作用，自发填满焊缝空隙；提高焊料的润湿性的途径，一般是添加与母材固溶、或与母材发生化合反应的成分，
（2）因硬质合金刀具和某些模具在使用时均有一定的温度，要求焊料能保证焊缝在常温和高温时有足够的强度；
（3）在保证上述条件下，焊料尽可能要有较低的熔点，以减少钎焊应力，防止和避免发生裂纹，提高钎焊效率和改善操作者的劳动条件；
（4）焊料应有较好的高温、室温塑性，以减少钎焊应力；
（5）焊料应具有良好的流动性和渗透性，这一性能在钎焊硬质合金多刃刀具和大焊接面的硬质合金模具时更为重要；
（6）焊料不应含低蒸发点的元素，以免在钎焊加热时因焊料中的元素蒸发而影响焊缝质量； （7）焊料中不应含有贵重、稀有金属，或有害于人体的元素。
对焊接硬质合金而言，由于硬质合金钎焊的主要矛盾在于刀片与刀杆收缩率不一致，选择焊料时，尤其应注意的是（3）、（4）两点；同时为提升焊料与刀杆母材的润湿性，可选用含适量Ni元素的焊料。
2．钎焊硬质合金的常见焊料
在钎焊硬质合金时，从常用焊料的熔点和钎焊温度来分，可分为：高温焊料、常温焊料和低温焊料三类。高温焊料的钎焊温度在1000℃以上，如紫铜和106#焊料等。常温焊料的钎焊温度从850～1000℃之间，如H62黄铜、H68黄铜和105#焊料等。低温焊料是指焊料的钎焊温度在650～850℃之间，如B-Ag-49银焊料等。
表2是钎焊硬质合金用的各种焊料的成分、熔点及钎焊温度。其中紫铜、H62黄铜、H68黄铜、105#
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焊料等常见的几种焊料，在厂矿中使用较为广泛。必须指出，紫铜的钎焊温度高而焊缝强度低，应不宜多采用，H68铜的熔点和钎焊温度虽比紫铜低得多，但也因焊缝强度过低，同样也不宜多使用。H62铜的熔点和钎焊温度低，且具有一定的室温强度，因此可用于钎焊某些轻负荷使用条件的硬质合金工具，而当刀具要求需要有高温高强度、且焊接面较小的情况下，常选用105#焊料。
（2）“工研107#焊料”，它是一种双合金夹层焊料，有上下两层105#焊料和中间一层0.3～0.5mm低碳钢片所组成，它主要是用于减少钎焊应力和防止产生裂纹。在钎焊时，上下两层105#焊料熔化并起到钎焊作用，而中间一层低碳钢片并不熔化，而夹在焊缝中起缓冲作用，以减少硬质合金与钢基体在钎焊冷却时因收缩不一致而产生的应力（见图2）。
它不但保持105#焊料具有高强度焊缝，并使焊接应力减小，防止发生裂纹的特点，且比补偿垫片使用方便，易于保证焊缝质量。缺点是焊料的制造工艺较复杂，在使用时也因焊料片过厚而难以裁剪，不及一般焊料方便。如果能按各种硬质合金刀片的型号大小而冲制成相应的形状的话，那么就更便于推广使用。
（3）L-Ag-49低温银焊料：这种银焊料在国外用得较普遍，因为它有较低的熔点——690～710℃（见表2），以及它对硬质合金有较好的润湿性，所以有钎焊方便及钎焊应力小等优点。必要时可采用紫铜片做补偿垫片，从而几乎完全消除钎焊应力，较彻底地避免钎焊裂纹的产生。所以当钎焊易裂的硬质合金和大
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钎焊面的硬质合金工具，或在使用时允许施加大量冷却液的硬质合金工具等（如硬质合金喷射钻），都可以采用L-Ag-49低温银焊料。 L-Ag-49银焊料的缺点是：焊料中Ag含量为49%，且成分复杂，价格较高；它在室温时焊缝抗剪强度为2100～2400公斤/厘米2，但随着温度的升高，焊缝强度迅速下降，升温至320℃时，焊缝强度降低到零而硬质合金自行脱落，所以使用L-Ag-49焊料钎焊的工件，工作时它的焊缝温度限制在200℃以下；使用L-Ag-49银焊料时，与它配合使用的熔剂中含有较多的氟化物或氯化物，所以对焊后清理工作要求较高，否则往往因清洗不干净而导致工件表面腐蚀，出现锈斑。
（4）“工研106#银焊料”：是由80%的银和20%的锰所熔炼成的二元合金。它的主要特点是对硬质合金、钢和不锈钢等均有良好的润湿性，最显著的优点是，它有极好的高温焊缝强度及抗腐蚀性能。
图3是用106#银焊料钎焊的试样，在温度升高时焊缝强度的变化情况：室温时焊缝强度为2400公斤/厘米2。加热到320℃时焊缝强度丝毫不降低，当加热到700℃时，焊缝的剪切强度仍有1200～1400公斤/厘米2左右。因此，106#焊料适用于在特殊高温条件下工作的硬质合金工具、模具和其他零件（如硬质合金阀门等）。如用106#银焊料钎焊高速旋转模锻的硬质合金锤模（工作时锤模本身温度达650℃左右，锤模每分钟撞击4000～6000次），经长期生产试用证明：已基本消除锤模脱焊和硬质合金剥落现象，锤模寿命比以前提高几十倍。又如某工件需要将一铂合金薄片与不锈钢钎焊在一起，并要能承受住高温和一定的蒸汽压力，经多次试验，最后用106#焊料进行钎焊，顺利地使工件在500℃高温和10个蒸汽压力下，正常运转了500个小时，焊缝仍然完好无损，此外，106#焊料在钎焊某些耐高温的硬质合金阀门等零件时，同样获得良好的效果。
106#焊料的缺点：106#焊料中含银量高达80%，故焊料价格较贵，只适宜在特殊情况下使用；焊料熔点为980℃左右，使于钎焊温度高达1010~1030℃左右，所以钎焊应力较大。
（5）B-Ag-1超低温银焊料：这种焊料的主要特点是，它有特别的熔点（600~610℃左右），因此它具有比L-Ag-49低温银焊料更低的钎焊温度（约640~660℃左右），使硬质合金的钎焊应力能进一步降低，此外，它还可以配合以紫铜片做补偿垫片来钎焊易裂工件，以彻底消除裂纹的发生（如用以钎焊大型无心磨床上使用的硬质合金支板，硬质合金V形块及YT60和YT30,YG2,YG3x等工件）。
此外，由于B-Ag-1银焊料的超低熔点及其对碳化钨和铜，镍合金等材料都有良好的润湿性，因此它也适用于金刚石大据片等某些金刚石工具的钎焊 B-Ag-1银焊料的缺点：焊料是以银为基础，成本较高，只适宜在一定范围内使用；焊料的高温强度差，所以用该焊料钎焊后的工具，只适宜在低温情况下使用，焊缝处最高温度不能超过150℃。使用时，如果在工具上施加大量冷却液，也可顺利地进行工作（如喷射钻）；焊料中含有数量较多的镉（24%），它在钎焊温度较高时易于蒸发，有害人体健康，因此，在钎焊时除了必须注意控制好钎焊温度外，还应在钎焊操作处安装有排气装置，以排除有害蒸汽；与焊料配合使用的溶剂与L-Ag-49银焊料所用的溶剂相仿，也含有大量氯化物和氟化物。所以在钎焊后要注意将工件清洗干净，否则容易使工件腐蚀生锈。
（6）HL801焊料：该焊料为三一重工生产专用于有色金属钎焊用的焊料，焊接温度约为900℃，因此也适用于脆性大的硬质合金刀片焊接。
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二、钎焊硬质合金的熔剂
1 选择熔剂的条件
（1）熔剂的熔点应低于焊料熔点100℃以上，便于在钎焊加热过程中使熔化后的溶剂有充分的时间起到熔剂应有的作用，以保证钎焊质量。
（2）熔剂在熔化后，应能很好地保护焊料及钎焊面，且能迅速地使氧化表面还原，并有助于焊料能很好地润湿被钎焊金属表面。
（3）熔剂要有较好的流动性与较小的粘度，以利于润湿整个钎焊面及排除熔渣。 （4）熔剂中不应含有贵重的化合物。
（5）熔剂中不应含有易于蒸发和有害人体健康的元素或化合物。
2 熔剂的成分和配制。
（1）硼砂：通常用于钎焊硬质合金的溶剂是以硼砂或硼砂为基的合成熔剂，有些工厂（特别是用氧炔焰钎焊的厂矿）使用未脱水的白色生硼砂，它含有10份结晶水（Na2B4O7·10H2O）再加上它在空气中吸收的大量水分，因此钎焊时会冒起大量泡沫。不但使钎焊操作困难，而且也影响焊缝的质量。
（2）脱水硼砂：有些厂矿虽对硼砂也进行了脱水处理，但仅加热到200～300℃左右，因而只能起到烘干作用，而不能排除硼砂中的结晶水，所以在使用时仍然会产生大量气泡，影响操作和质量。
3 各种熔剂的适用范围
（1）生硼砂（Na2B4O7·10H2O）：加热时，生硼砂会产生大量泡沫，影响钎焊操作和焊缝质量，所以最好不采用。
（2）脱水硼砂（Na2B4O7）：可用于钎焊各种牌号的硬质合金工件，钎焊温度范围从850～1150℃左右，适合作为紫铜、黄铜、105#、106#、107#等焊料的钎焊熔剂。存放时必须注意防潮，若受潮应烘干后再使用。它不适合熔点低于800℃的焊料之钎焊用。
（3）脱水硼砂70%+硼酸30%的混合熔剂：它比脱水硼砂有较低的熔点，适宜于黄铜、105#和107#焊料及钎焊温度在800～1000℃之间的焊料使用，不适宜于钎焊温度在1000℃以上的紫铜或106#焊料的钎焊。熔剂的存放也应防止受潮。（见图4）
（4）脱水硼砂85～90%+氟化钾10～15%的混合剂：它主要是用于YT60、YT30等牌号硬质合金的钎焊，但因氟化钾有毒性，所以钎焊时在加热设备附近必须装有强力通风设施，及时将有害气体排出，以免影响操作工人的健康。
（5）糊状熔剂：一般均配合低熔点的银焊料使用，可预先调制，也可在使用时调制，因熔剂中均含有较多氟化物和氯化物，使用时也应注意排气通风。
（6）低温银焊料用的溶剂：适用于熔点为600～800℃的银焊料，因其中含有较多的氟化物和氯化物，所以除了要有强力通风设备以外，在钎焊后还必须注意清洗焊缝，否则多余的熔剂会腐蚀焊缝，并在基体
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硬质合金刀具的焊接要点
