薛維華，齊曉旭,2，李智超

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新 123000；2.阜新市建設(shè)工程造價(jià)管理處，阜新 123099）

0 引 言

非整體式硬質(zhì)合金工具主要靠釬焊來(lái)實(shí)現(xiàn)基體與硬質(zhì)合金的連接，釬焊接頭中釬縫的組織、狀態(tài)與釬焊連接質(zhì)量直接相關(guān)，并最終影響著工具的壽命[1-4]。非整體式硬質(zhì)合金工具制造工藝復(fù)雜，在基體成型和硬質(zhì)合金釬焊后，還需要對(duì)工具進(jìn)行熱處理，使基體及釬焊接頭具有良好的綜合力學(xué)性能。而焊后熱處理會(huì)使釬焊接頭中釬縫的顯微組織隨之發(fā)生變化，為了提高釬焊連接質(zhì)量進(jìn)而提升工具的使用壽命，很有必要對(duì)釬縫組織狀態(tài)隨熱處理工藝變化的規(guī)律進(jìn)行研究。BCu58ZnMn合金釬料是硬質(zhì)合金工具制造中應(yīng)用較廣的釬料之一[4-6]，雖然已有報(bào)道[7-8]就熱處理工藝對(duì)此釬焊焊縫強(qiáng)度的影響進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的分析，但結(jié)合焊后熱處理工藝對(duì)焊縫組織與性能的影響，系統(tǒng)分析釬縫組織和接頭性能的變化卻少見報(bào)道。為此，作者結(jié)合硬質(zhì)合金工具制造過(guò)程，對(duì)BCu58ZnMn釬料進(jìn)行了重熔凝固和相應(yīng)的熱處理，研究了其在不同狀態(tài)下的組織與性能；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)，分析了熱處理工藝對(duì)釬焊連接質(zhì)量的影響，以期優(yōu)化硬質(zhì)合金工具的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用厚1 mm的冷軋退火態(tài)BCu58ZnMn合金箔片為釬料，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為58.2Cu，37.73Zn，3.92Mn，0.15Fe。按表1所示工藝模擬釬焊后冷卻方式和焊后固溶和時(shí)效工藝制備釬焊接頭中釬縫試樣。用XJL-02型光學(xué)顯微鏡觀察釬縫試樣的顯微組織，金相腐蝕劑為FeCl3鹽酸水溶液；用HV-10B型小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試樣硬度，試驗(yàn)載荷4.9 N，保載時(shí)間15 s。

表1 釬縫試樣的制備工藝Tab.1 Preparation processes of brazed seam samples

采用中頻感應(yīng)加熱的方法對(duì)42CrMo鋼（齒座）與YG13C硬質(zhì)合金（M22型截煤齒）進(jìn)行釬焊。將M22型截煤齒，見圖1(a)，插接釬焊于42CrMo鋼齒座孔中，見圖1(b)，裝配形式如圖1(c)所示，釬劑選用氣劑301。將適量釬料、釬劑與硬質(zhì)合金截煤齒依次置入齒座孔內(nèi)，整個(gè)裝配體放入中頻裝置的感應(yīng)圈內(nèi)加熱。中頻感應(yīng)裝置的功率為16 kW，電流頻率為2 500 kHz，加熱時(shí)間90 s左右。加熱至熔化的釬料從縫隙中均勻溢出，在硬質(zhì)合金上稍加力以保證焊實(shí)，完成焊接。試樣釬焊完畢后分別油冷、空冷、砂冷至室溫；對(duì)部分空冷試樣進(jìn)行淬火和回火處理，即重新加熱到830℃，保溫1 h后油冷至室溫淬火，然后分別進(jìn)行180℃×120 min，350℃×90 min和500℃×30 min的回火。釬焊接頭剪切強(qiáng)度測(cè)試按照MT/T 246—2006[9]進(jìn)行，首先用電火花線切割從釬焊部位截取8 mm厚試樣，如圖2(a)所示，然后在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上按圖2(b)所示方式以10 MPa·s-1的速率將試樣壓至破壞，記錄破壞瞬間載荷P，計(jì)算釬焊接頭剪切強(qiáng)度，取三個(gè)試樣的平均值。

圖1 釬焊試樣尺寸及裝配形式Fig.1 Size and assemblage of brazing sample:(a) M22 coal bit;(b) bit box and(c) sample assemblage style

圖2 釬焊接頭縫剪切強(qiáng)度試樣截取方式及測(cè)試方法Fig.2 Sampling(a) and testing method(b) for shear strength sample of brazed joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同狀態(tài)釬料的顯微組織

由圖3可見，原始冷軋退火態(tài)釬料為α+β（β'）的雙相組織，其中白色α相是以銅為基的固溶體，深色β（β'）相是以CuZn化合物為基的固溶體。釬料原始組織與普通黃銅退火組織的區(qū)別在于沒(méi)有明顯的孿晶，這說(shuō)明釬料中錳元素不僅是強(qiáng)化元素，也起到了抑制孿晶的作用。

圖3 冷軋退火態(tài)BCu58ZnMn釬料的顯微組織Fig.3 Microstructure of BCu58ZnMn brazing alloy after cold rolling and annealing

由圖4可見，隨重熔后冷速的降低，釬焊態(tài)釬料組織中α相逐漸增多且組織變得粗大。從銅-鋅合金平衡凝固相圖可知，與BCu58ZnMn合金成分類似的合金凝固時(shí)先由液相析出β相，然后由β相中析出α相，在456℃左右，無(wú)序的β相轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻摩?相，同時(shí)，α相中也開始析出β'相[10]。冷速低時(shí)α相較易析出，釬料組織中α相增多。圖4中顯微組織尖銳，β'相較多，因β'相為脆硬相，能起到強(qiáng)化的作用，但組織的尖銳部位又易造成應(yīng)力集中，因此，該組織的產(chǎn)生將使釬料塑、韌性下降。

由圖5可知，860℃保溫1 h后經(jīng)不同方式冷卻的釬料顯微組織與凝固組織類似，但β'相有變平滑趨勢(shì)。爐冷（工藝⑥）后的組織與重熔后干砂冷（工藝③）的相比明顯粗大，說(shuō)明爐冷冷速要明顯慢于在干砂中緩冷的冷速。

圖4 BCu58ZnMn釬料重熔后經(jīng)不同方式冷卻凝固后的顯微組織Fig.4 Microstructure of BCu58ZnMn brazing alloy solidified by different ways after remelting

圖5 BCu58ZnMn釬料經(jīng)860℃保溫1 h以不同方式冷卻后的顯微組織Fig.5 Microstructure of BCu58ZnMn brazing filler metal after heating for 1 h at 860℃and cooling by different ways

由圖6可知，工藝⑦～⑨處理后的組織與工藝①～⑥處理后的相似，固溶時(shí)效后的組織進(jìn)一步變得平滑。三種溫度時(shí)效后釬料組織變化不明顯，說(shuō)明固溶后固溶體過(guò)飽和度并不大。BCu58ZnMn釬料的這一特點(diǎn)能保證其有比較大的工藝窗口范圍。

2.2 不同狀態(tài)釬料的硬度

由表2可知，隨冷卻速率的減小，重熔凝固和熱處理后釬料的硬度降低，時(shí)效處理后隨時(shí)效溫度升高則硬度降低，這主要是細(xì)晶強(qiáng)化和β'相的析出強(qiáng)化作用。熱處理后釬料的硬度均大于重熔凝固后釬料的，主要是因?yàn)槟探M織缺陷較多，組織粗大且脆硬相對(duì)基體又有割裂作用。由此說(shuō)明硬質(zhì)合金工具釬焊后的熱處理是必要的。三種時(shí)效溫度下釬料組織和硬度變化不大，再次說(shuō)明釬料對(duì)時(shí)效處理的敏感性較低，工藝穩(wěn)定性較好。

圖6 重熔BCu58ZnMn釬料不同工藝時(shí)效后的顯微組織Fig.6 Microstructure of BCu58ZnMn brazing alloy after ageing

2.3 熱處理工藝對(duì)釬焊接頭剪切強(qiáng)度的影響

由表3可知，焊后與熱處理后釬焊接頭的剪切強(qiáng)度基本達(dá)到MT/T 246—2006標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)要求（不小于180 MPa）。接頭釬焊后以較慢的空冷和砂冷方式冷卻的強(qiáng)度要優(yōu)于油冷的，其中砂冷下的剪切強(qiáng)度達(dá)到最大。對(duì)釬焊淬火后的接頭進(jìn)行350℃回火熱處理之后，其剪切強(qiáng)度明顯低于180℃和500℃回火后的剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度在180℃回火后達(dá)到最大。

表2 BCu58ZnMn釬料在不同工藝狀態(tài)下的硬度Tab.2 Hardness of BCu58ZnMn brazing alloy under different states HV

表3 釬焊后以不同方式冷卻及不同工藝熱處理后釬焊接頭的剪切強(qiáng)度Tab.3 Shear strength of brazed joints cooled by different ways after brazing and different heat treatments

釬焊接頭剪切強(qiáng)度與釬料強(qiáng)度和釬焊縫應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)系。釬焊溫度過(guò)高、冷速過(guò)大且釬焊縫塑性變形小時(shí)，殘余應(yīng)力就會(huì)增大，進(jìn)而使釬焊接頭剪切強(qiáng)度變低[11]；另一方面，冷速增大，釬焊縫處合金元素固溶度增大、晶粒細(xì)化，又會(huì)使焊縫強(qiáng)度增加[7]。由冷速不同導(dǎo)致的焊接應(yīng)力和釬料強(qiáng)度的變化對(duì)釬焊縫剪切強(qiáng)度的作用恰好相反，這使得焊后冷速對(duì)釬焊縫剪切強(qiáng)度的影響變的復(fù)雜。從表2可知，不同冷速下釬料的硬度變化不大，因此釬焊縫應(yīng)力狀態(tài)成為決定釬焊接頭剪切強(qiáng)度的主要因素，較慢的冷卻方式能夠能緩解釬焊縫殘余應(yīng)力，使剪切強(qiáng)度得到提高，改善焊接質(zhì)量。

回火可以使釬焊過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力逐漸去除，提高釬焊接頭剪切強(qiáng)度。回火溫度為180℃時(shí)，釬料硬度較高，釬焊接頭剪切強(qiáng)度最大?；鼗饻囟葹?50℃時(shí)，42CrMo鋼產(chǎn)生第一類回火脆性，此時(shí)其韌性最低，剪切強(qiáng)度下降。同時(shí)釬料合金也會(huì)出現(xiàn)脆性相[8,12-13]。回火溫度為500℃時(shí)，鋼基體韌性提高，釬焊接頭保持了比較高的剪切強(qiáng)度。根據(jù)表3可知，180℃和500℃時(shí)的剪切強(qiáng)度值僅相差約2%，這說(shuō)明在實(shí)際生產(chǎn)中，硬質(zhì)合金工具釬焊后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（高淬高回），對(duì)釬焊接頭剪切強(qiáng)度損傷不大，可以保證齒體獲得良好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)保持釬焊接頭的剪切強(qiáng)度，提高工具使用性能。

2.4 討 論

與類似成分的黃銅釬料相比，由于BCu58ZnMn釬料中錳元素的存在，其組織發(fā)生了比較大的改變，強(qiáng)度有比較大的提高。雖然試驗(yàn)中未測(cè)試釬料的塑韌性，但通過(guò)釬料組織的分析，仍可斷定其塑韌性受到了不利的影響。釬焊接頭剪切強(qiáng)度受到釬料強(qiáng)度和釬焊縫應(yīng)力狀態(tài)的雙重影響，單純的提高強(qiáng)度并不一定能使連接質(zhì)量得到提高。因此，用BCu58ZnMn釬料釬焊時(shí)應(yīng)特別注意協(xié)調(diào)提高強(qiáng)度與增加韌性緩解應(yīng)力兩方面的關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，BCu58ZnMn釬料釬焊時(shí)緩解應(yīng)力應(yīng)是需要重點(diǎn)關(guān)注的，焊后應(yīng)采取緩冷的冷卻方式。

另外，由于BCu58ZnMn釬料的熔點(diǎn)與常用的硬質(zhì)合金工具基體鋼的淬火溫度相當(dāng)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中存在協(xié)調(diào)釬焊和淬火工藝先后的問(wèn)題。從表3可知，釬焊后調(diào)質(zhì)試樣與釬焊后空冷（接頭部位的工具基體為正火態(tài)）試樣的剪切強(qiáng)度相比下降不明顯，釬料仍能保持比較好的組織和應(yīng)力狀態(tài)，有比較高的釬焊連接質(zhì)量；同時(shí)，正火狀態(tài)的工具基體綜合力學(xué)性能要低于調(diào)質(zhì)狀態(tài)的。因此，采用BCu58ZnMn釬料進(jìn)行硬質(zhì)合金工具的釬焊時(shí)，應(yīng)采用先釬焊后調(diào)質(zhì)的工序。這樣能保證工具基體整體都保持調(diào)質(zhì)狀態(tài)，有比較好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)保持較好的釬焊質(zhì)量，有利于硬質(zhì)合金工具應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工況條件，提高使用壽命。

回火后的釬焊接頭剪切強(qiáng)度低于焊后空冷的，很可能是由于鐵等元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入釬料中產(chǎn)生硬脆相而導(dǎo)致的。由于作者未考慮釬焊縫處元素?cái)U(kuò)散對(duì)釬焊質(zhì)量的影響，這一問(wèn)題尚需后續(xù)進(jìn)一步的測(cè)試分析。

3 結(jié) 論

（1）不同狀態(tài)下BCu58ZnMn釬料均保持兩相組織，隨熱處理工藝和冷速不同組織略有差異；熱處理能起到緩解尖銳凝固組織應(yīng)力集中的作用。

（2）BCu58ZnMn釬料重熔凝固和固溶后冷速提高可使其硬度增大，重熔凝固后的硬度低于熱的處理后的硬度，時(shí)效溫度對(duì)釬料的硬度影響不大。

（3）用BCu58ZnMn釬料釬焊制備硬質(zhì)合金工具時(shí)，焊后緩冷能提高釬焊接頭的剪切強(qiáng)度。

（4）焊后正常熱處理工藝對(duì)BCu58ZnMn釬焊接頭的剪切強(qiáng)度影響不大，高溫回火能使釬焊接頭保持理想的剪切強(qiáng)度（190.4 MPa）。

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