高温合金钎焊工艺

硬质合金刀具钎焊制造，详细加工工艺流程讲解

硬质合金是以元素周期表中IVa、Va、VIa族的9种金属碳化物和Fe、Co、Ni等铁族金属，通过粉末冶金方法制备而成的合金总称。碳化物相使合金具有高的硬度和耐磨性，而粘结相则赋予合金一定的强度和韧性。

根据成分，可以将硬质合金分为五大类：碳化钨基硬质合金、碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金、钢基硬质合金及其它硬质合金。

硬质合金按其应用范围可分为：硬质合金切削刀具，硬质合金模具，硬质合金量具与耐磨零件，以及矿山石油地质用硬质合金四大类。

一般来说，WC-Co类硬质合金的应用比较广泛，可用于铸铁、有色金属及其合金的切削刀具、金属拉伸模具、冲压模具、量具以及矿山机械和地质勘探用耐磨零件；WC-Ti-Co类合金主要用于钢材切削加工；WC-TiC-（NbC）-Co 类合金主要用于高硬度材质零件的切削加工。

尽管其它类型的硬质合金近年来得到了长足的发展，并在一些特殊应用场合取得了很大的成功，但是由于 WC-Co系（即YG类）硬质合金具有十分优异的综合机械性能，这类硬质合金是目前工业上用途最广、用量最大的一类硬质合金。

1.硬质合金钎焊时遇到的问题

硬质合金的钎焊性是较差的。这是因为硬质合金的含碳量较高，未经清理的表面往往含有较多的游离碳，从而妨碍钎料的润湿。此外，硬质合金在钎焊的温度下容易氧化形成氧化膜，也会影响钎料的润湿。因此，钎焊前的表面清理对改善钎料在硬质合金上的润湿性是很重要的，必要时还可采取表面镀铜或镀镍等措施。

硬质合金钎焊中的另一个问题是接头易产生裂纹。这是因为它的线膨胀系数仅为低碳钢的一半，当硬质合金与这类钢的基体钎焊时，会在接头中产生很大的热应力，从而导致接头的开裂。因此，硬质合金与不同材料钎焊时，应设法采取防裂措施。

2.钎焊前表面处理

钎焊前必须仔细地清除工件表面的氧化物、油脂、脏物及油漆等，因为熔化了的钎料不能润湿未经清理的零件表面，也无法填充接头间隙。有时，为了改善母材的钎焊性以及提高钎焊接头的抗腐蚀性，钎焊前还必须将零件预先镀覆某种金属层。

（1）清除油污油污可用有机溶剂去除

常用的有机溶剂有酒精、四氯化碳、汽油、三氯化烯、二氯乙烷及三氯乙烷等。小批生产时可将零食浸在有机溶剂中清洗干净。大批生产中应用最广的是在有机溶剂的蒸汽中脱脂。此外，在热的碱溶液中清洗也可得到满意的效果。例如钢制零件可浸入70—80℃的10％苛性钠溶液中脱脂，铜和铜合金零件可在50g磷酸三钠，50g碳酸氢钠加1L水的溶液内清洗，溶液温度为60～80°C。零件的脱脂也可在洗涤剂中进行脱脂后用水仔细清洗。当零件表面能完全被水润湿时，表明表面油脂已去除干净。对于形状复杂而数量很大的小零件，也可在专门的槽子中用超声波清洗。超声波去油效率高。

（2）清除氧化物

钎焊前，零件表面的氧化物可用机械方法、化学浸蚀法和电化学浸蚀方法进行。机械方法清理时可采用锉刀、金属刷、砂纸、砂轮、喷砂等去除零们：表面的氧化膜。其中锉刀和砂纸清理用于单件生产，清理时形成的沟槽还有利于钎料的润湿和铺展。批量生产时用砂轮、金属刷、喷砂等方法。铝和铝合金、钛合金的表面不宜用机械清理法。

(3)母材表面镀覆金属

在母材表面镀覆金属，其主要目的是改善一些材料的钎焊性，增加钎料对母材的润湿能力；防止母材与钎料相互作用对接头质量产生不良的影响，如防止产生裂纹，减少界面产生脆性金属间化合物；作为钎料层，以简化装配过程和提高生产率。

3.钎焊材料

(1)钎料 钎焊工具钢和硬质合金通常采用纯铜、铜锌和银铜钎料。

纯铜对各种硬质合金均有良好的润湿性，但需在氢的还原性气氛中钎焊才能得到最佳效果。同时，由于钎焊温度高，接头中的应力较大，导致裂纹倾向增大。采用传统的纯铜钎焊的接头抗剪强度约为150MPa，接头塑性也较高，但不适用于高温工作。

铜锌钎料是钎焊工具钢和硬质合金最常用的钎料。为提高钎料的润湿性和接头的强度，在钎料中常添加Mn、Ni、Fe等合金元素。例如B-Cu58ZnMn中就加有w(Mn)4％，使硬质合金钎焊接头的抗剪强度在室温达到300～320MPa：在320°C时仍能维持220—240MPa。在B—Cu58ZnMn的基础上加入少量的Co，可使钎焊接头的抗剪强度达到350MPa，并且具有较高的冲击韧度和疲劳强度，显著提高了刀具和凿岩工具的使用寿命 。

银铜钎料的熔点较低，钎焊接头产生的热应力较小，有利于降低硬质合金钎焊时的开裂倾向。为改善钎料的润湿性并提高接头的强度和工作温度，钎料中还常添加Mn、Ni等合金元素。例如B-Ag50CuZnCdNi钎料对硬质合金的润湿性极好，钎焊接头具有良好的综合性能。

除上述3种类型的钎料外，对于工作在500°C以上且接头强度要求较高的硬质合金，可以选用Mn基和Ni基钎料，如B-Mn50NiCuCrCo和B-Ni75CrSiB等。对于高速钢的钎焊，应选择钎焊温度与淬火温度相匹配的专用钎料，这种钎料分为两类，一类为锰铁型钎料，主要由锰铁及硼砂组成，所钎焊的接头抗剪强度一般为100MPa左右，但接头易出现裂纹：另一类为含Ni、Fe、Mn和Si的特殊铜合金，用它钎焊的接头不易产生裂纹，其抗剪强度能提高到300MPa。

（2）钎剂和保护气体

钎剂的选择应与所焊的母材和所选的钎料相配合。工具钢和硬质合金钎焊时，所用的钎剂主要以硼砂和硼酸为主，并加入一些氟化物（KF、NaF、CaF2等）。铜锌钎料配用FB301、FB302和FB105钎剂，银铜钎料配用FB101～FB104钎剂。采用专用钎料钎焊高速钢时，主要配用硼砂钎剂。

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，可以采用气体保护钎焊。保护气体可以是惰性气体，也可以是还原性气体，要求气体的露点应低于-40℃.硬质合金可在氢所保护下进行钎焊，所需氢气的露点应低于-59℃。

4. 钎焊工艺

工具钢在钎焊前必须进行清理，机械加工的表面不必太光滑以便于材料和钎剂的润湿和铺展。硬质合金的表面在钎焊前应经喷砂处理，或用碳化硅或金刚石砂轮打磨，清除表面过多的碳，以便于钎焊时被钎料所润湿。含碳化钛的硬质合金比较难润湿，通过在其表面上新途径敷氧化铜或氧化镍膏状物，并在还原性气氛中烘烤使铜或镍过渡到表面上去，从而增加强钎料的润湿性。

碳素工具钢的钎焊最好在淬工序前进行或者同时进行。如果在淬火工序前进行钎焊，所用钎料的固相线温度应高于淬火温度范围，以使焊件在重新加热到淬火温度时仍然具有足够高的强度而不致失效。当钎焊和淬火合并进行时，选用固相线温度接近淬火温度的钎料。

合金工具钢的成分范围很宽，应根据具体钢种确定适宜的钎料、热处理工序以及将钎焊和热处理工序合并的技术，从而获得良好的接头性能。

高速钢的淬火温度一般高于银铜和铜锌钎料的熔化温度，因此需在钎焊前进行淬火，并在二次回火期间或之后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火，只能选用前述的专用钎料进行钎焊。钎焊高速钢刀具时采用焦炭炉比较合适，当钎料熔化后，取出刃具并立即加压，挤出多余的钎料，再进行油淬，然后在550～570℃回火。

硬质合金刀片与钢制刀杆钎焊时，宜采取加大钎缝间隙和在钎缝中施加塑性补偿垫片的方法，并在焊后进行缓冷，以减小钎焊应力，防止裂纹产生，延长硬质合金刀具组件的使用寿命。

5.钎焊后的清洗

钎剂残渣大多数对钎焊接头起腐蚀作用，也妨碍钎缝的检查，需清除干净。焊件上的钎剂残渣先用热水冲洗或用一般的除渣混合液清洗，随后用合适的酸洗液酸洗，以清除基体刀杆上的氧化膜。但注意不要使用硝酸溶液，以防腐蚀钎缝金属。有机类软钎剂的残渣可用汽油、酒精、丙酮等有机溶剂擦拭或清洗；氧化锌和氯化铵等的残渣腐蚀性很强，应在10%NaOH的溶液中清洗，然后用热水或冷水洗净，硼砂和硼酸钎剂的残渣一般用机械方法或在沸水中长时间浸煮来解决。

6.钎焊质量的检验

钎焊接头的检验方法可分为无损检验和破坏检验等。下面主要是无损检验的方法：

（1）外观检查。

（2）着色检验和荧光检验。这两种方法主要用来检查因外观检查发现不了的微小裂纹、气孔、疏松等缺陷。

《JMPT》新工艺：实现高熵与高温合金钎焊

导读

提出了一种连接Al0.1CoCrFeNi和Inconel 625合金异种材料的新工艺。设想高熵设计的纳米多层箔共存，以改善混合熵的作用，延缓填充金属和基体间的原子扩散，抑制金属间化合物（IMCs）的形成，并验证了该策略的可行性。该工作为HEAs相关接头的生产开辟了新领域，为航空航天技术和核电的发展提供了理论和技术指导。

单相Al0.1CoCrFeNi合金在高温下表现出较高的相稳定性，获得了不同条件下的广泛研究。Inconel 625合金是一种以Mo和Nb为主要元素固溶体强化的镍基变形高温合金，在低温下表现出优异的拉伸和疲劳性能，在航空航天结构部件的生产中得到广泛应用。将两种合金结合有望在燃气轮机、航空航天和航空领域具有较好的应用前景。然而，由于合金的高热稳定性和屈服应力，以及元素的缓慢扩散，合金间的不同接头需要承受极端环境。传统连接方法已无法满足制造综合性能优异的复杂异种接头的要求。

高熵合金作为一种新型钎焊接头填充金属得到了广泛的研究。可采用高熵设计的概念来抑制或减少脆性IMCs的形成。同时，纳米材料加入可以进一步提高合金的性能。近日，兰州理工大学的俞伟元教授团队提出了一种新的钎焊策略——“高熵钎焊接头”。以纳米多层箔（NMRFs）、NiCr/FeCo纳米多层箔(NMFs)和Al箔作为填充金属，采用增长钎焊（SPB）技术成功冶金焊接了Al0.1CoCrFeNi合金和Inconel 625合金，重点研究了固溶相的微观组织演变、产生和生长机理，并探讨了钎焊温度和钎焊时间对SPB接头显微组织、抗剪强度和断裂机制的影响。研究结果以题为“A new strategy of Al0.1CoCrFeNi high entropy alloys and Inconel 625 alloys joining technology”发表于期刊《Journal of Materials Processing Technology》。该钎焊技术为异种材料的连接提供了有效可行的途径。

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结果表明，接头组织为典型的Inconel 625合金/BCC+FCCBi相、FCC相、FCC+BCCBi相/ Al0.1CoCrFeNi合金。随着温度的升高，形成了无缺陷的钎焊接头，由固溶反应产生固溶相，并伴有固溶体对接头的强化作用。当钎焊温度在1 050 ℃下保持90 min时，接头的最大抗剪强度达到203.5 MPa，且延长保温时间和提高钎焊温度使接头抗剪强度逐渐增大，接头断裂机制由晶间断裂转变为穿晶断裂，主要受塑性变形控制。固溶相在断裂过程中表现出明显的塑性变形。为异种材料的连接提供了有效可行的途径。

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编辑：江姗

钛合金可以钎焊吗？可以的话，最好用什么方法？

钛合金为活性金属,在航天航空、石油化工及原子能工业得到广泛的应用,钛合金钎焊中的主要特点表现在以下几个方面：

①表面的氧化膜稳定，钛及其合金与氧亲和力大,表面容易生成一层很稳定的氧化膜,从而阻焊钎料的润湿和铺展,故钎焊时必须将其去除。

②具有强烈的吸气倾向，钛及其合金在加热过程中对氢、氧和氮具有吸收倾向,而且温度越高,吸纳越严重,从而使钛金属的塑性和韧性急剧降低,故钎焊应在真空或惰性气氛中进行。

③易于形成金属间化合物,钛及其合金能同大多数针料发生化学反应,生成脆性化合物,造成接头变脆。因此,用于钎焊其他的材料的钎料基本上不适用于钎焊活性金属。

④组织和性能易于变化。钛及其合金在加热时会发生相变和晶粒粗化,温度越高,粗化越严重,所以高温钎焊的温度不宜过高。

总之,钎焊钛及其合金时必须注意钎焊加热温度。一般说来,钎焊温度不宜超过950-1000钎焊温度越低,对母材性能的影响也越小。对淬火时效合金来说,也可以在不超过时效温度的条件下进行钎焊。为了防止钎焊接头的氧化及吸氧、吸氢反应,钛合金钎焊是在真空和情性气氛中进行的,一般不采用火焰钎焊。在真空或氩气中钎焊时,可以采用高频加热、炉中加热等方法,加热速度快保温时间短,界面区的化合物较薄,接头性能较好。因此,必须控制钎焊温度和保温时间,使钎料流满间隙即可。

钛合金最好是在真空和氩气中钎焊,是因为在真空钎焊时,虽然钛对氧的亲和力很大,但是钛在13.3Pa真空度下就能得到光洁的表面,这是由于表面的氧化膜可向钛中溶解所致。

在氩气保护下钎焊,钎焊温度范围为760~927℃时,为了防止钛变色,要求高纯的氩气,一般使用制冷存储容器中的液态氩因为它具有很高的纯度。

钛合金的软钎料有镉基与锌基钎料，如：S-Cd95Ag5/S-Zn58Sn40Cu2等；硬钎料有银基、钛基和铝基，如：B-Ag72Cu28/B-Ti70Cu15Ni/B-Al91Si5Cu等。

钎焊钛合金时,经常在界面上或钎缝内形成脆性化合物，降低钎焊接头的性能。为此可用扩散焊方法来改善钎焊接头的性能。钎焊时,在钛合金之间分别放上50μm厚的铜箔、镍箔或银箔,依靠钛与这些金属的接触反应,分别形成Cu-Ti、Ni-Ti和Ag-Ti共晶。然后再把这些脆性金属间化合物扩散掉,在一定温度和一时间下扩散钎焊的接头具有相当好的性能。

另外，a+B相钛合金可以在退火、固溶处理或时效状态下使用。如果钎焊后要求退火,则有三种方案可供选择:退火后在退火温度或低于退火温度下钎焊;在退火温度以上的温度钎焊,并在钎焊循环中采取分段冷却工序,从而还获得退火组织;在退火温度以上的温度钎焊,然后进行退火处理。