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工具钢和硬质合金的钎焊 - 上海彪锐焊接材料有限公司

工具钢通常可分为三类:碳素工具钢合金工具钢高速钢。

(1)碳素工具钢系高碳钢(ωC=0.6%~1.40%),其硬度主要取决于它们的含碳量。除了薄的横截面外,这类钢为了达来最佳性能,在热处理时必须挑选快速淬火。

(2)合金工具钢通常含质量分数为百分之几的合金元素,某些钢中合金元素的质量分数可达来12%~14%。主要合金元素有CrMnSi等。

3)高速钢是含WMoCrV等元素的高合金钢,其中的W18Cr4V应用最广。高速钢刀片在淬火、回火后具有最大的硬度和耐磨性。高速钢在逻辑上属于合金钢种,但却独自形成一类。这是因为它们的性能取决于含有相当高的合金元素,其含碳量通常比碳素工具钢的含碳量低得多。

硬质合金是碳化钨粉与钴及碳化钛粉末与钴的混合物,经压制成形后烧结而成,我国部分硬质合计牌号及性能见《表3》。

1.钎焊特点.

工具钢和硬质合金的钎焊 - 上海彪锐焊接材料有限公司主要用于刀具、量具、模具、摘掘工具、以及整体刀具的连接。刀具的刀把一般用碳的质量分数为0.4%~0.6%的中碳钢或低合金钢(如40Cr)等制造。

这类工件在工作时受来相当大的应力,特别是压缩弯曲、冲击或交变载荷,因此要求接头强度高、质量可靠。其次,对于工具钢来说,必须使用其组织及性能不受钎焊过程的影响,特别是受热退火、高温氧化及脱碳等,以保证切削性能和工作可靠性,那么就要求钎焊温度和淬火温度相适应,以便得来切削时最大的硬度和耐磨性。对于硬质合金,它的线膨胀系数与普通钢相比差别很大,硬质合金约为6×10-6/℃,钢材为12×10-6/℃。线膨胀系数的不同,使钎焊后冷却产生很大的应力,成为硬质合金产生裂纹的复要原因。这是硬质合金钎焊的主要问题之一,所以必须摘取措施减少钎焊应力。为此,应摘取降低钎焊温度、钎焊前预热及钎焊后缓冷、选用塑形好的钎料、加补偿垫片或者使用三明治焊片、改进钎焊接头的结构等措施。

2。钎料、钎剂和保护气体

工具钢和硬质合金的钎料通常用铜基(低银)和银基钎料,铜基(低银)钎料中应用最多的是黄铜,为了降低熔点及优化润湿性常加入少量的银、锡、铟等元素。在黄铜中加入锰、镍、钴等,可提高钎焊的强度,改善钎料对硬质合金的附着性,钎焊接头强度也有很大的提高。铜基钎料的特点是价格便宜,但钎焊温度稍高。

银基钎料具有优良的强度和塑性,熔点较低,钎焊接头产生的热应力较小,硬质合金不易开裂。其中BAg50CuZnCuNi(熔化温度范畴635~690)BAg40CuZnCuN(熔化温度范畴595~605)iBAg49CuZnMnNi(熔化温度范畴680~705)钎料对硬质合金有着优良的润湿性,强度及耐热性都较高,钎焊接头具有优良的综合性能。但应指出,银基钎料的价格昂贵;此外,由于钎焊温度较低,对于某些硬质合金工具需要空冷硬化的钢体及工作温度较高的工件则达不来要求。

² 所以,我公司最新开发了与银基钎料性能接近、价廉易得的无银(低银)钎料来代替银基钎料及与其相匹配的助焊剂。见下表:

牌号

组成成分(质量分数,%

钎焊温度

/

Ag

Cu

Zn

Sn

Mn

Ni

Si

In

其它

HJ-WY

/

余量

32

0.8

3

3

0.3

/

0.8

890

HJ-2B

2

余量

34

1

4

0.5

0.3

0.5

0.8

875

HJ-5B

5

余量

33

1。5

2

1

0.3

/

0.6

838

HJ-6B

6

余量

30

Cd 6

4

0.8

/

/

/

790

HJ-In

/

余量

38

1.2

2

0.8

0.3

1.5

0.4

870

HJ-Ni

/

余量

39

0。5

0。5

2

0.3

/

0.5

920

                《表一》              

² 上表所列举的焊料举荐最佳钎焊工艺为感应钎焊和火焰钎焊,并且我公司均有助焊剂供应,钎料供应状态有丝、环和箔片,规格可根据要求定制。

为了防止工具钢在钎焊加热过程中的氧化和免除钎焊后的清理,可以摘用真空和保护气氛炉中的钎焊。保护气氛可以是惰性气体,也可以是还原性气体。还原性气体的露点常在-40℃,硬质合金可在氮氢混合气保护下进行钎焊,所需氢气的露点应低于-59℃。

以下为我公司可提供的真空和气氛保护钎焊专用膏状钎料,其成分和性能列表如下:

牌号

固态元素成分(质量分数,%

适应工艺

钎焊温度

/

Cu

Mn

Ni

Sn

B

其它

感应钎焊

真空钎焊

气体保护钎焊

BCu-B

99。9

/

/

/

微量

0.1

×

1100

BCu97Ni

余量

/

3

/

微量

0.2

×

1120

BCuSn-10

余量

0.5

2

10

微量

0.3

×

1020

BCuSn-20

余量

/

4

20

微量

0。3

×

1040

QT-8

余量

30

10

/

微量

0.8

×

980

QT-1

余量

15

4

/

微量

0。3

×

998

                  《表二》                      

表中钎料分为两类:一类为铜、铜锡型钎料,其主要组成为铜和铜锡,有时还加入少量镍、硼等,其中硼起来钎剂的作用。该类钎料的熔化温度为1000~1085℃左右,同高速钢的热处理相匹配,钎焊接头的抗剪程度一般都大于200MPa左右,但由于它的收缩大,因此多用于高速钢和高碳钢的钎焊。

另一类为含镍、锰的铜合金,其熔点约为940~960℃,由于这类合金的收缩量比前者减小了2/3左右,熔点也较低,钎焊后不易产生裂纹,接头的抗剪强度也提高来300MPa以上。用这一类钎料钎焊硬质合金时,镍元素可以很好的抑制高温时母材基体内钴的脱离,有效保证硬质合金焊后的性能不会发生很大变化。

3。钎焊工艺

1)钎焊前准备

工具钢的钎焊通常摘用搭接或套筒型接头。使用银基钎料或黄铜钎料时,最好在钎焊温度下,使间隙为0.05~0.13mm。预先放置钎料的安放位置最好不直接与热源接触。在钎焊与淬火工序合并的场合中,要保证钎料在淬火时处于受压状态,以免淬火时在冷缩拉伸应力作用下把接头拉开。

硬质合金的热膨胀系数只有与它相钎焊的钢或其它基体金属的1/31/2左右,这就可能造成硬质合金钎料后的开裂。因此,这个因素在硬质合金接头的设计中必须加以考虑。

小块的硬质合金通常是直接焊接来零件的外表面上或通过机械加工的凹槽内,这就可能有多个面钎焊,多面钎焊虽说可以增加焊接强度,同时也会使合金受来来自多方向的拉应力,加大合金焊后开裂的风险。当硬质合金的最小面长度大于30mm时,可使用三明治复合焊片或者钎缝中加塑性好的补偿片进行钎焊,从而达来汲取收缩应力效果。

为了确保钎料的流布,工具钢在钎焊前必须进行清理,即清除表面的油污、氧化物或其它外来杂质。机械加工的表面不必太光滑,这有利于钎料和钎剂的润湿和铺展。

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,以清楚表面过多的碳,有利于钎焊时被钎料所润湿。钎焊前还应对工件表面进行脱脂处理。有一些比较难以润湿的硬质合金,如碳化钛,有时还需电镀,或涂一层氧化铜或氧化镍配置的膏状物,然后放置在还原性气氛中烘烤,使铜和镍熔化来表面上去,这种表面很容易被钎料所润湿。

2)钎焊技术

工具钢及硬质合金常用火焰、感应、炉中(大气、真空或保护气氛)、电阻、浸渍等方法钎焊。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,质量稳固。摘用真空或保护气氛炉中钎焊,还可以避免钎焊时发生氧化。浸渍钎焊用于硬质合金钻探工具的生产,也是一种效率高,易于把握的方法。

碳素工具钢的钎焊最好在淬火工序前进行或者同时进行。碳素工具钢的淬火温度范畴通常为760~816℃。如果在淬火工序前进行钎焊,所用钎焊的固相线温度通常应高于淬火温度范畴,使在复新加热来钎焊温度时组件应具有足够的强度而不致失效,在此建议使用《表2》中的几种钎料。当钎焊和淬火合并进行时,通常选用那些固相线温度接近淬火温度的钎料,如《表1》。由于在淬火温度下接头的强度非常低,所以在这种方法中,必须特别注意接头的设计形式和处理。在淬火过程中,产生的任何应力都应使接头处于受压而非受拉状态。

合金工具钢的成份范畴很宽,因此它们的热处理和钎焊加热行为也有很大不同。应根据使用的钢种确定适当的热处理工艺、所需淬火的方式(水、油或空气)、最适宜的钎料以及能把热处理与钎焊工序合并进行的技术,从而获得最好的综合性能。

高速钢要求进行的淬火处理温度高于常规银基钎料的钎焊温度。因此,通常的做法是,在钎焊前进行淬火,并在二次回火的处理中或处理后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火,就不能选用铜基或银基钎料。因此,必须选用《表2》中的钎焊材料进行焊接。

为了减少硬质合金刀片的钎焊应力和防止产生裂纹,可摘取下列工艺措施:可使用三明治复合焊片或者在钎缝中加塑性好的补偿垫片;加大钎缝间隙;用膨胀系数较小的钢材(如30CrMnSiA)作刀体,因奥氏体变为马氏体时体积膨胀,可抵消部分收缩应力。当硬质合金块长度过大或者结构复杂时,有必要把硬质合金切成几段来钎焊,防止硬质合金的应力开裂。在尺寸比例不和谐的装配件中,只钎焊一面往往可以排除或减少它的应变。使用阻钎剂涂层或加大一面的间隙都可以防止钎料流布来不需钎焊的地方。

3)钎焊后处理

必须在钎焊后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缓慢冷却,如将焊件焊后立刻放来200℃左右的炉中,或插入如草木灰等保温介质中,让其缓慢冷却至接近室温后取出。这样可排除接头中的应力,减少硬质合金或接头开裂的危险。此外,也可以锤击钎焊接头的反面,使应力得来一定程度的释放。

组件的残余钎剂残渣可用热水冲洗,或用一般清楚残渣的混合液清洗,随后用合适的酸洗液酸洗,清除基本金属刀杆上的氧化膜。注意不要使用硝酸溶液,因为硝酸溶液容易腐蚀钎料金属。

附:

我国部分硬质合金牌号及性能如下:

常用牌号:YG

牌号

密度
g/cm3

典型值

使用范畴

硬度

抗弯强度

YG3

15。10~15。30

92。5

1700

 耐磨性仅次于YG3X,对冲击和振动较敏锐,使用于铸铁有色金属及其合金连续切削时的精车、半精车、精车螺纹与扩孔。

YG3X

15.10~15.30

93.6

1450

在钨钴合金中耐磨性最好,但冲击韧性较差,适用于铸铁、有色金属及合金、淬火钢、合金钢小切削断面高速精加工。

YG6X

14.80~15.00

92.4

2000

属于细颗粒碳化钨合金,其耐抹性较YG6高。适于加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢,也适于普通铸铁的精加工。

YG6(zk20)

14。80~15。00

91.1

2100

耐磨性较高,但低于YG3,抗冲击和震动比YG3X好。适于铸铁,有色金属及合金、非金属材料的半精加工和精加工。

YG6A

14.8~15.00

92.8

1850

属细颗粒合金,耐磨性好,适于冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工,也适于淬火钢、合金钢的半精加工及精加工。

YG8(zk30)

14.6~14.80

90.5

2300

抗弯曲强度高,抗冲击和抗震性较YG6好,适于铸铁、有色金属及合金、非金属材料低速粗加工。

YG522

14.20~14.40

92.5

2000

耐磨性好,使用强度高,是竹、木加工专用牌号,也可用于有色金属和非金属材料的切削加工。

YG546

14.55~14.75

90.5

2700

韧性好,强度高,能承担较大的冲击负荷。适于不锈钢、铸铁粗加工。

YG610

14.60~14.80

93。5

2000

耐磨性好,红硬性高。适于铸铁、高温合金、淬火等材料的连续或间断切削。

YG640

13.10~13.30

91.5

2300

具有抗冲击、抗氧化能力。适于大型铸件的连续、间断切削和耐热钢、高强度钢铣削、刨削。

YG643

13.60~13.80

93.3

1700

有较高的耐磨性,抗氧化和抗粘结能力。适于铸铁、高温铸铁、高温合金、不锈钢、淬火钢及有色金属的加工。

YG813

14.30~14.50

92.0

2200

耐磨性较好,较高的抗弯强度和抗粘能力。适于加工高温合金、不锈钢、高锰钢等材料。

常用牌号:YT

牌号

密度
g/cm3

典型值

使用范畴

硬度

抗弯强度

YT5

12.80~13.00

90。4

2000

适用于碳素钢于合金钢(包括锻件、冲压件、铸铁表皮)间断切削时的粗车、粗刨、半精刨。

YT14(zp20)

11。30~11。60

91。8

1650

适用于碳素钢于合金钢连续切削时的粗车、粗铣、间断切削时的半精车和精车。

YT15

11.20~11.40

92。5

1550

适用于碳素钢于合金钢连续切削时半精加工,连续面的半精铣。

YT30

9.40~9.60

93.2

1200

适合于碳素钢与合金钢的半精加工,如小断面的精车、精镗、精扩等。

YT535

12.60~12.80

91.0

2050

适合于铸铁、锻钢的连续粗车、粗铣。是粗加工优良材质。

YT715

11.20~11.40

92.5

1500

有较高的耐磨性和红硬性。适用于高强度合金钢的半精加工和精加工。

YT726

14。00~14。30

93.0

1700

红硬性高,耐磨性好。适用于冷硬铸铁、合金铸铁、淬火钢的车削、铣削。

YT730

12.90~13.10

91.7

2000

有较高的抗冲击和抗热震性能,适用于碳钢、合金钢、高锰钢、高强度钢和铸钢的粗车、铣削、刨削。

YT758

13.10~13.30

92。5

1900

高温硬度好,耐磨性好。适用于超高温强度的连续或间断切削。

YT767

13。05~13。25

92.8

1800

耐磨性高,抗塑性变形能力好。适用于高锰钢、不锈钢的连续或间断切削。

YT798

12。23~12。43

92.2

1900

韧性好,具有很高的抗热震裂和抗塑性变形能力。适用于铣削合金结构钢,合金工具钢,也适于高锰钢、不锈钢的加工。

YW1

13.25~13.35

91。5

1900

红硬性较好,能承担一定的冲击负荷,是通用性较好的合金。适于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工钢材的加工,也适于普通钢和铸铁加工。

YW2

13。15~13。35

91.5

1900

使用强度较高,能承担较大的冲击负荷。适于耐热钢高锰钢、不锈钢及高级合金钢等的粗加工、半精加工,也适于普通钢和铸铁的加工。

YW2A

12。85~13。00

92。0

1950

性较好,能承担较大的冲击负荷,是通用性较好的合金。适于耐热钢、高锰钢、不锈钢及高级合金钢等难加工钢材的粗加工、半精加工,也适于铸铁。

模具、耐磨零件用硬质合金牌号:

牌号

密度
g/cm3

典型值

使用范畴

硬度

抗弯强度

YG3X

15。10~15。30

93.6

1450

硬度高,耐磨性好,但强度较低,冲击纫性较差。适于在应力不大的条件下拉伸直径在2毫米以下的细钢丝、有色金属及合金线材。拉伸直径0.6毫米以下的细丝,效果尤为优良。

YG3

15。10~15。30

92.6

1700

适于应力不大的条件下拉伸直径在6毫米以下的钢丝、有色金属及合金线材和棒材。

YG6X

14。80~15。00

92。4

2000

适于应力不大的条件下拉伸直径在6毫米以下的钢丝、有色金属及合金线材和棒材。

YG6

14.85~15.10

91。0

2100

适于应力较大的条件下拉伸直径在20毫米以下的钢、有色金属及合金棒材,应适于拉伸直径在10毫米以下的管材。

YG7

14.75~14.95

91。3

2200

强度较高,硬度和耐磨性高于YG8,适于在应力较大的条件下拉伸直径在50毫米以下的钢、有色金属及其合金线棒材。

YG8

14。60~14。85

90。5

2300

适于钢、有色金属及其合金棒材和管材的拉伸。并适于制造机械零件、工具材料及易损零件。

YG15

13.95~14.15

88.0

2300

耐磨性较低,抗弯强度及冲击纫性较高。适于应力很大和压缩率大的情况下拉制钢管、钢棒。可制作冲击负荷较大条件下的冲、压模具。

YG20

13。40~13。60

86。5

2400

适用于耐磨零件、板材类及部分机械零件。

ZL35

14。20~14。50

87.5

2300

耐磨性好,强度高,适于制作一般的耐磨、耐冲击模具,如剪断冲模等。

ZL40.1

13.57~13.77

85.0

2300

适于制作冲压模具,如冲压手表零件、乐器簧片、小尺寸钢球、螺钉、螺帽、柳钉等冲压模具。

YG20C

13。35~13。60

82。5

2400

适于制作冲压模具其性能及使用稳固性优于YG20。

ZL40.5

13。20~3。40

82.2

2500

具有很高的抗冲击纫性和、及抗疲惫强度,适于热旋锻、冷镦钢球、顶锻钢螺钉及柳钉、冷虫牙成型等工作负荷很大、应力显著条件下。

ZL45

14。85~15。10

81.5

2500

适合应力较大条件下拉伸直径20毫米以下的钢、有色金属及其合金线材、棒材,也适于拉伸直径在10毫米以下的管材。

ZL20

14.85~15.10

91.5

2200

适合应力较大条件下拉伸直径20毫米以下的钢、有色金属及其合金线材、棒材,也适于拉伸直径在10毫米以下的管材。

ZL30

14。55~14。85

91.0

2300

适合应力较大条件下拉伸直径50毫米以下的钢、有色金属及合金线材、棒材和直径35毫米以下的管材,也适于制作直径较大作国载荷不大的冲击、拉拔模具



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