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硬质合金与钢的钎焊

时间:2015-08-21 22:20:05来源:本站人气:1480

     (1)硬质合金与钢的钎焊方法及特点

      硬质合金与钢的钎焊方法主要有:氧一乙炔火焰钎焊、高频感应钎焊、接触电阻钎焊、浸铜钎焊、加热炉中钎焊和真空钎焊等。

      ①常用的钎焊方法

      a.氧一乙炔火焰钎焊  氧一乙炔火焰钎焊是最常用的钎焊方法之一。硬质合金钎焊可用一般的氧一乙炔气焊设备,不需要增加其他的专用设备。根据氧一乙炔火焰的特点,采用合理的加热方式和选用正确的工艺,能焊出优质的硬质合金工具。

      氧-乙炔焰的焰心温度高达3000℃左右,在钎焊加热时应避免用焰心直接喷射硬质合金,以免温度过高产生裂纹。钎焊前先将钎剂、钎料和硬质合金依次放好,用还原火焰在靠近硬质合金的底部基体部分进行预热。当预热温度达到700~800℃钎剂开始熔化时,再从上面加热硬质合金片及周围的焊缝,直到钎料熔化呈晶亮的液态,并沿侧面焊缝渗至表面。此时应抬高火焰,使焰尾继续沿焊缝四周加热,以保持钎焊温度。同时用金属棒拨动刀片沿刀槽往复移动2~3次,调整并压紧刀片,把多余的钎料及熔渣排出。排渣后,即停止加热并用加压棒在硬质合金顶面的中心部分加压,停留2~3s,待钎料凝固后,即可送入保温箱或保温介质中保温2~3h,使之缓慢冷却。缓冷后的硬质合金刀具,如再经过消除应力的回火处理,能收到更好的效果。回火温度约300℃,保温6h后随炉冷至室温。

      氧-乙炔火焰钎焊适用于批量比较小的中小型硬质合金刀具、模具和量具,也适于野外修复损坏的硬质合金采掘工具。

      b.高频感应钎焊  高频感应钎焊是利用频率为600kHz、功率在10~100kw之间的高频感应加热电源,产生高频电流。当高频电流穿过感应器时产生高频交变磁场,在感应器中的被焊金属中产生感应电流。高频加热速度很快,可以在很短时间内加热到很高的温度,使钎料熔化。

      高频感应钎焊使用的感应器大多是用直径5~10mm的紫铜管绕制而成。感应器的几何形状和尺寸选择是否合适,是决定高频感应钎焊的加热速度、温度均匀性、生产效率及钎焊质量的重要因素。

      在焊接前,应根据被焊刀具的大小调节高频感应设备的输出功率,使工件加热速度适中,温度均匀。功率过大,使工件局部过热和钎料熔化不完全,易使硬质合金产生裂纹;功率太小,则加热时间过长,容易造成刀体氧化,影响生产效率。一般焊接加热速度为30~60℃/s,钨钛钴合金的加热速度应为10~40℃/s。

      高频感应钎焊加热速度快,钎焊效率高,操作简单,劳动条件比较好,适用于大批量的自动或半自动钎焊。但是设备投资大,耗电量大。

      c.接触钎焊  接触钎焊是在专门用于钎焊硬质合金刀具的钎焊机或对焊机上进行,焊接变压器的次级线圈电压小于36V,电流在1000A以上。钎焊时将工件夹在两个紫铜电极之间,当次级线圈输出的强大电流通过焊接工件时,利用硬质合金和钢基体之间的接触电阻产生的热量作为焊接热源使钎料熔化。

      接触钎焊常用于钎焊硬质合金车刀、刨刀等工具。接触钎焊的焊接效率高,大截面的硬质合金车刀、刨刀只需4~5min即可焊一把。在加热过程中断电1~2次,直至晶亮的液态钎料布满整个钎缝。由于加热时间短,氧化和热变形小,并且操作方便。但是加热过程中电极容易烧伤工件表面,有时也会因电极或硬质合金表面未清理干净,或接触面的电阻过大而无法导电加热。

      d.浸铜钎焊  浸铜钎焊是将被焊工件的钎焊部分浸入熔化的液态钎料中,利用毛细作用使液态钎料沿工件的钎缝渗入,从而达到钎焊的目的。浸铜钎焊通常以盐浴炉、焦炭炉或油炉作热源,钎料和钎剂都置于石墨或耐热不锈钢坩埚中加热至液态。这种钎焊方法适用于成批生产各种硬质合金刀具和钻探用的硬质合金钻头等。可以一次加热完成多刃硬质合金刀具的钎焊,有较高的钎焊效率。

      采用浸铜钎焊的硬质合金多刃刀具要求刀片槽有高度0.3~0.4mm的夹持刀片用的工艺墙,并且刀片与刀片槽配合要好。装配前用四氯化碳仔细清洗刀片和刀槽,用尖片将刀片铆紧,然后在刀具离钎缝2mm外的非焊接面上涂上厚度为1~3mm的保护涂料层。待阴干后,放入250~300℃的烘箱内烘烤30min,即可进行钎焊。

      ②常用的保护涂料硬质合金钎焊中常用的保护涂料有以下几种。

      a.印刷用的黑色油墨和240号粒度的石英粉,按1:2的比例混合均匀,调成糊状,即可使用.
      b.用Al₂O₃粉20%、石墨粉80%混合均匀后,再与50%的水和50%的水玻璃液体调配而成,氧化铝越多,涂层的强度越高。

      ③钎焊中应采取的工艺措施  当浸铜钎焊的坩埚升温至450~550℃时开始放入硼砂,加热至750~780℃时加入钎料。在加热过程中,硼砂首先熔化,然后是钎料。当钎料熔化后,硼砂浮在钎料上。硼砂既可以防止钎料氧化,又避免了钎料中的金属挥发,并使温度均匀。

      钎焊前可以用铁丝检查钎料的温度是否适中。将铁丝插入铜液中再抽出来,若铁丝上均匀地粘上一层薄铜,即表明钎料的温度合适,可以进行焊接;如果铁丝上粘的铜太多太厚,表明钎料温度过低;如果铁丝上粘的铜太少,并且铁丝取出后铜液不断地往下滴,表明钎料的温度过高。

      浸铜钎焊前要对工件先进行预热,预热温度为400~500℃,然后再放入硼砂溶液中进行第二次预热,当温度达到700℃时,即可沉入铜液中浸焊。浸焊的时间随刀具形状和尺寸大小不同而异,按截面最小的尺寸计算,每毫米需12s。为了防止工件表面的涂料脱落,在铜液中浸焊时,不能来回摆动工件。浸焊到规定的时间后,应缓缓提起工件,防止焊料因来不及冷凝而流失。焊接好后,应对工件进行保温缓冷,以减小应力。一些基体需要淬硬的工件,可在加热钎焊的同时进行淬火处理。

      (2)硬质合金用钎料与钎剂

      ①钎料选择对硬质合金钎料的主要要求如下。

      a.钎料应对被钎焊的硬质合金和钢基体有良好的润湿性,保证钎料具有良好的流动性与渗透性。

      b.硬质合金的使用特点之一是有较高的热硬性,所以要保证钎焊焊缝在常温和高温下有足够高的强度。

      c.钎料的熔点要尽可能地低,以减小钎焊应力,防止产生裂纹,但钎料的熔点要高于钎缝的工作温度300℃,以保证刀具在高速切削时能正常工作。

      d.钎料中不应含有低蒸发点的元素,以免在钎焊加热时因钎料中的元素蒸发而影响接头质量或有害于人体健康。

      硬质合金与钢的钎焊通常用铜基及银基钎料,常用钎料及配用的钎剂见表6.54。
      硬质合金与钢钎焊的钎料根据其熔点和钎焊温度分为高温钎料、中温钎料和低温钎料三大类。钎焊温度在1000℃以上的钎料称为高温钎料,如紫铜和106钎料等;中温钎料的钎焊温度在850~1000℃之间,如H62、H68黄铜钎料等;低温钎料是指钎焊温度在650~850℃之间,如B-Ag-1和L-Ag-49等含银钎料。表6.55所示是常见的硬质合金与钢钎焊用钎料的成分、性能及使用范围。
      紫铜钎料的钎焊温度高而焊缝强度低,多用于真空钎焊。纯铜钎料属单相组织,比较容易控制钎焊温度,对各类硬质合金都有良好的润湿性,塑性好、价格最便宜。紫铜钎焊焊缝的剪切应力在150MPa左右,可在400℃以下使用。

      H68黄铜的钎焊温度比紫铜低得多,但因焊缝强度过低,不经常使用。H62黄铜的熔点和钎焊温度比较低,焊缝具有一定的室温强度,是比较常用的硬质合金钎料。一般用于钎焊在中、小负荷条件下使用的硬质合金工具。需要高温强度的焊缝或焊接面较小的情况下,应采用105钎料。

      L-Ag-49低温银钎料在国外使用比较普遍,因为它的熔点较低(690~710℃),对硬质合金有较好的润湿性,有钎焊方便和钎焊应力小等优点。必要时还可以使用紫铜片作补偿垫片,几乎可以完全消除钎焊应力,避免钎焊裂纹。钎焊一些易裂的硬质合金或一些大钎焊面的硬质合金工具,可以采用L-Ag-49低温银钎料。

      由于用L-Ag-49银钎料钎焊的工件随着使用温度的提高,焊缝强度迅速下降,所以用L-Ag-49钎料的工件工作温度应限制在200℃以下。与L-Ag-49银钎料配合使用的钎剂中含有较多的氟化物和氯化物,对焊后清理要求较高,否则会因清洗不干净而导致工件表面腐蚀。

      B-Ag-1钎料是一种超低温银钎料,熔点在600~610℃,能使硬质合金接头区的应力进一步降低,也可用紫铜片作补偿垫片来钎焊一些易裂的工件。由于B-Ag-1银钎料的超低熔点以及对碳化钨有良好的润湿性,也适用于金刚石大锯片等某些金刚石工具的钎焊。但B-Ag-1银钎料的价格高,高温强度低,只适宜在低于150℃的温度下使用。该钎料中镉含量为24%,钎焊温度比较高时容易蒸发,有害于人体健康。在钎焊时除了必须控制钎焊温度外,还应在钎焊操作处安装排气装置。钎焊后也应注意将工件上的钎剂残渣清洗干净,以免工件腐蚀。

      ②钎剂的选择  钎剂的作用是使刀杆和硬质合金钎焊表面的氧化物还原,使钎料能很好地润湿被钎焊的金属表面。一般钎剂的熔点要低于钎料熔点100℃以上,并有较好的流动性和较低的黏度。钎焊加热过程中熔化了的钎剂能保护钎料和钎焊面,同时起到对氧化物的还原作用。表6.56是常用的硬质合金与钢钎焊用钎剂的化学成分和适用范围。
      硼砂是硬质合金与钢钎焊时最常用的钎剂,使用中应注意各种硼砂的适用范围。

      a.工业硼砂  (生硼砂):在使用前应先进行脱水处理,因为工业硼砂内含有10份结晶水(Na2B4O7·10H2O),再加上它在空气中吸收了大量水分,在钎焊加热过程中会产生大量泡沫,不但使钎焊操作困难,而且也影响焊缝的质量,最好不采用。

      b.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℃,适合作为紫铜、黄铜、Cu-Zn钎料、银钎料等的钎焊熔剂,但不适于熔点低于800℃的钎料钎焊。脱水硼砂存放时必须注意防潮,若受潮应烘干后再使用。

      硼砂的脱水处理是将工业硼砂盛在钢制坩埚内,将坩埚放入850℃的电阻炉或焦炭炉内加热,加热过程中坩埚内的硼砂冒出大量的白色泡沫。随着加热温度的升高,泡沫逐渐减少,直至泡沫消失。等硼砂全部熔化成液体时即可停止加热,将坩埚内绿色透明的液态硼砂倒在铁盒内,冷却后即自动裂碎成绿色玻璃状碎块。脱水后的硼砂颜色与熔炼时间长短有关,熔炼时间越长,硼砂的颜色越深,但对钎焊的质量没有影响。将熔炼后的硼砂块捣碎,用60~80目筛子过筛后装入瓶内待用。

      C.脱水硼砂  (85~90)%+氟化钾(10~15)%的混合熔剂:主要用于YT60、YT30等牌号硬质合金的钎焊。因氟化钾有毒性,钎焊时在加热设备附近必须装有强力通风设备,及时将有害气体排出。

      氟化物和氯化物有较强的吸水性,在配制含有氟化物和氯化物的熔剂时,也应对其进行脱水处理。脱水时将氟化物和氯化物放在陶瓷或不锈钢的坩埚中加热至270℃左右,保温3~4h,直到不冒烟为止。脱水后的氟化物和氯化物应储存在密闭的玻璃容器内。使用含氟化物或氯化物的熔剂时应注意通风,及时排除有害气体。钎焊后应及时清洗焊件,以免残余的熔剂腐蚀焊缝和基体金属。

      大多数钎剂都容易吸潮,要注意密封保存,做到随用随取。也可以将钎剂预先调制成糊状,糊状熔剂是将配制好的钎剂加少量酒精、松香油、凡士林油等调成糊状,涂抹在待焊的工件表面。使用低温银钎料时,也可用水将钎剂调成糊状使用,糊状钎剂应现配现用。

      (3)硬质合金与钢的钎焊工艺

      ①焊前准备

      a.焊前应先检查硬质合金是否有裂纹、弯曲或凹凸不平等缺陷。钎焊面必须平整,如果是球形或矩形的硬质合金,钎焊面也应符合一定的几何形状,保证合金与基体之间有良好的接触,才能保证钎焊质量。

      b.对硬质合金进行喷砂处理,没有喷砂设备的情况下,可用手拿住硬质合金,在旋转着的绿色碳化硅砂轮上磨去钎焊面上的氧化层和黑色牌号字母。如不去除硬质合金钎焊面上的氧化层,钎料不易润湿硬质合金。经验证明,钎焊面上若有氧化层或黑色牌号字母,应进行喷砂处理,否则钎料不易润湿硬质合金,钎缝中仍会出现明显的黑色字母,使钎焊面积减少,发生脱焊现象。

      c.在清理硬质合金钎焊面时,最好不用化学机械研磨或电解磨削