硬质合金与工具钢的扩散焊接

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.1992.03.022 第14卷第3期 北京科技大学学报 Vol.14 No.3 1992年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing. May.1992 硬质合金与工具钢的扩散焊接 张丽英·吴成义·西尾一政·加滕光昭·迎静雄· 捕要：探讨了过波族金属作为过谁层金属时，其坪接工艺条件对硬质合金和合金工具 钢在扩散焊接时，对结合部的强度的影响。同时还研究了过渡层金属的种类、厚度及线膨 胀系数对接合强度的影响。 关键词：硬质合金，过波层金属，抗弯强度，扩散埠接 The Bonding by Diffusion of the Hard Metal and Alloy Tool Steel Zhang Liying'Wu Chengyi' Kazumasa Nishio Mitsuaki Katoh.Shizuo Mukae. ABSTRACT:The transition-metals must be used in order to improve the stre- ngth of the welding places when hard metal and alloy tool steel are bonded by diffusion.This paper studies the technology which influences the welding strength when Co and Ni are used as the transition-metale.The catalogue of transition-metals,thickness and the thermal expansion coefficient which influ- ence the strength of the bonded places are studied as well. KEY WORDS:hard metal,insert metals,bending strength,bonding by diffusing 硬质合金是一种高硬度和耐磨性很好的材料，适用于制造模具、刃具、量具，但其性 脆、价格昂贵、难以加工，所以在实际使用中，往往把硬质合金放在关健部位使用，其余部 分则采用易加工且价格低廉的材料1,2)，从而带来硬质合金和其他材料的结合问题。以往 1991-12-06收稿 ·北京科技大学(University of Science and Technology Beijing) ,,日本九州工业大学(Japan Kyushu Institute of Technology) 317

第 卷 第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 。 。 叉 硬质合金与工具钢 一 的扩散焊接 张丽英 吴 成义 西 尾一 政 ‘ ’ 加滕光昭 · ’ 迎 静雄 ’ 摘 要 探讨 过波族 金属作为过渡层金属时 ， 其焊接工艺条件对硬质合 金和 合 金 工 具 钢在扩散焊接时 ， 对结合部的强 度的影响 。 同时还研究了 过渡层金属的种类 、 厚度及 线 膨 胀系数对接合强度的影响 。 关健词 硬质合金 ， 过渡层 金属 ， 抗弯强度 ， 扩徽焊接 夕 平 人 之 加 。 宕 玄。 ’ “ 壳 ’ 了之 “ 吞。 二 户护 一 五 五 ， 。 一 。 一 ， 。 ， ， ， 硬质合金是一种高硬度和耐磨性很好的 材料 ， 适用于制造模具 、 刃 具 、 量 具 ， 但 其 性 脆 、 价格 昂贵 、 难以加工 ， 所 以在实际使 用中 ， 往往把硬质合金放在关键部位使用 ， 其余部 分 则采 用 易加工且价格低廉的 材料 ‘ ” ’ ， 从而带来 硬质合金和其他 材料的 结合问 题 。 以 往 一 一 收稿 北京科技大学 日本九州工 业大学 ” ’ ” 多 ， 争 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．03．022

的结合技术主要采用钥焊、纤焊等焊接技术。但结合面的熔点和联接强度较低，故限制了使 用范围3)。本文采用过菠层金属（又称插人金属）的扩散焊接法(2-)，探讨了扩散焊接 的工艺参数，过渡层金属成分、厚度与接合面强度的关系。 1试验内容及方法 (1)原材料试验采用材料为YG。硬质合金(Hard metal)和Cr12(SKD:)。其化学成分 如表1所示。 表1Cr12与YG。合金的化学成分，% Table 1 The compositions of YGe and Cr12(%) 元素 Si Ma Ce Mo Co WC Cr12 1.39 0.33 0.39 0.025C,00911,3 0.77 0.18 YG. 其余 (2)过渡层金属焊接试样使用的过渡层金属为硬质合金中常用的粘结剂C0及过渡族 金属Ni及Fe的箔片。另外考虑过渡层金属的线膨胀系数应与YG相近r2),选取了Fe-42Ni 合金代号为(42 Invar)及Fe-36Ni合金，代号为(S.Invar)其箔片厚度分别为： 箔片金属：Ni Co Fe 42 Invar S.Invar 厚度，μm:(50,200),(100,200),(100,200),(100,200),(100,200), 扩散焊接用Cr12试样尺寸为36mm×10mm×10mm,YGg试样尺寸为10mm×10mm× 5mm,试样的接合端面均需抛光，并在丙酮中经超声被清洗。 (3)实验内容扩散焊接在真空加压炉中进行，真空度为5×10~Pa。扩散焊接试样与 过渡层金属片的配置如图1。焊接温度分别取800℃、900℃、1000℃和1100℃，时间为 Hard metal SKD11 SKD11 -36 36 图1扩散结合配置示意图 Fig.I Schematic representation of diffusion bonding 30min,压力为10MPa。接合部强度测定应将焊接后试样加工磨削成6mm×6mm×77mm。 然后在万能材力试验机上测量抗弯强度，并对其分析。 2实验结果及讨论 2,1扩散界面的显微组织 图2所示Fe作为过渡层金属进行扩散焊接后，接合界面附近的显微组织，图2(a)的结 318

的结 合技术主要采 用铜焊 、 钎 焊等焊接技术 。 但结合面的 熔点和联接强度较低 ， 故限 制 了使 用范围 〔 一 ” ，。 本文采用过 渡层金属 又称插 人金属 的扩散焊接法 ‘ 一 弓 ’ ， 探讨 了扩散捍接 的工 艺参数 ， 过 渡层金属成分 、 厚度与接合 面强度的 关系 。 试验内容及 方法 原材料 试验采用材料为 。 硬质合金 和 ， ， 。 其化学成分 如 表 所示 。 表 、 与 。 合金的化 学成分 ， 。 写 元 素 。 。 。 。 。 。 ， 共余 褚 过 渡层金属 焊接试样 使用的过 渡层金属为硬质合金 中常 用的粘结剂 。 及 过 渡 族 金属 及 的 箔片 。 另外考虑过 渡层金属 的线 膨胀系数应与 。 相 近 〔 ’ ， 选 取 了 一 合金代号为 及 一 合金 ， 代号为 一 其箔片厚度分别为 箔片金属 · 厚度 ， 卜 ， ， ， ， 。 ， ， ， ， ， ， 扩散焊接用 试样尺寸为 ， 。 试样 尺 寸 为 ， 试样的 接合端面均需抛光 ， 井在丙酮中经超 声波清洗 。 实验 内容 扩散焊接在 真空加压炉 中进 行 ， 真空 度为 一 。 扩散焊接试样与 过 渡 层金属 片的配置如 图 。 焊 接 温 度 分 别 取 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和 ℃ ， 时 间 为 图 扩散结 合配置示 意图 ， 压力 为 。 接合部强度侧定应将焊接后试样加工磨削 成 。 然后在万能 材力试验机上侧量 抗弯强度 ， 并对其分析 。 实验结果及讨论 。 扩位界面 的显徽组织 图 所示 作为过 渡层金属进 行扩散焊接后 ， 接合界面附近的 显微组 织 。 图 的结

合温度为900℃，图2(b)为1000℃，因接合界面两侧的材料密度、硬度相差悬殊，抛光腐蚀后 接合界面呈一条明显的直线。但不论哪种过渡层金属，都能与YGg和C12之间很好地进行 原子扩散。纯Fe箔片时，Cr1中的C向Fe中扩散，使其变成碳钢。见图2。 2.2接合界面处元素的扩散 试样经抗弯破坏后，断裂面只发生在YG。与过渡层金属的接合界面处。故只对该界面进 行电子扫描分析(EPMA)。 图3所示为Ni箔片作为插入金属，在900℃和1000℃时Ni向YG:中扩散情况，可见1000℃ SKD1 H.M. H.M、 10um 图2扩散埠接界面的显微组织 Fig,2 Microstructure of the bonding interface n Ni 在hwNi H.M. Ni folt Ni foil 900℃ 1000℃ 图3YG6/Ni界面上元素扩散 Fig.3 EPMA analysis at the YG6/Ni interface 比900℃扩散明显。而YGa中的Co也向Ni箔片中反扩散，W几乎不扩散。 用F箔片作过渡层金属时与用Ni箔片的情况大体相同，而用Co箔片作过渡层金属时， Co元素也明显地向YG6中扩散。使用Fe-42Ni时，Fe与Co元素在1000℃时比900℃的扩散更 迅速。 2.3抗弯破坏试验的结果分析 从试样抗弯破坏试验后的照片看（图4），可知有的在接合处断裂，有的在YG,中断 319

合温度为 ℃ ， 图 为 ℃ ， 因接合界面两侧的 材料密度 、 硬度相 差悬殊 ， 抛光 腐蚀后 接合界 面呈 一条 明显的 直线 。 但不论哪种过 渡层金属 ， 都能 与 和 之 间很好 地 进 行 原子 扩散 。 纯 箔片时 ， 工 中的 向 “ 中扩散 ， 使其变成碳钢 。 见 图 。 接合界面处元素的扩散 试样 经抗弯破坏后 ， 断 裂面 只发生 在 。 与过 渡层金属 的 接合界 面处 。 故 只对该界 面进 行 电子扫描分析 。 图 所示为 箔片作为插 入金属 ， 在 ℃ 和 ℃ 时 向 。 中扩散情况 ， 可见 ℃ 翼礁熟鬓蔚 图 扩散焊接界面 的显 微组 织 －－ 一一一‘ 牢 ℃ ℃ 一 图 界面上 元 素扩 散 比 ℃ 扩 散 明显 。 而 。 中的 也向 箔片 中反 扩 散 ， 几 乎不扩 散 。 用 箔片作过 渡层金属 时与用 箔片的 情况大体相 同 ， 而用 。 箔片作过 渡层金 属 时 ， 。 元素也 明显地 向 。 中扩 散 。 使 用 一 时 ， 与 。 元素在 ℃ 时 比 ℃ 的扩 散 更 迅 速 。 。 抗弯破 坏试验 的结 果分 析 从试样 抗弯破坏 试验后的 照片 看 图 ， 可知 有的在 接合处断 裂 ， 有 的 在 。 中 断

裂。 图5为N箔作过渡层金属时，焊接温度对抗弯强度的影响。在900℃以下时，抗弯强度 仅为YGa抗弯强度的一半约600MPa。当焊接温度提高到1000℃时，抗弯断裂在YGa内部发 生，接合强度约为150OMPa。但是焊接温度达到1100℃后，试样在机加工过程中就断裂了。 采用Fc箔片和Co箔片作过渡层金属时，焊接后的抗弯强度在900℃时只是YG的一半。 图4抗弯破断后外观 Fig.4 Appearance of the bending fracture 而Fe箔片在1000℃时，就更低了，见图6，采用Co箔片在1000℃时略高一些也仅为700MPa 左右。 1500- o50 um Ni foile ●100 wm Fe foil 200 am Ni CHard foil 1000F metal●2i0 um Fe foi1- -Hard metal 1000 500 0 500 Solid mark:fractured at Open mark:fractured in bond interface hard metal Solid mark:fractured at 800 90010001100 0 bond interface T/℃ 800 90010001100 T/℃ 图5Ni为过渡层金属时温度对 图6Fe为过渡县金属时温度对 抗弯强度的影响 抗李强度的形响 Fig.5 Influence of bonding tempera- Fig.6 Influence of bondingl temperature ture on the bending strength(Ni on the bending strength (Fe used used as insert-metal) as insert metal) 上述3种试验中所采用的Ni、Fe、Co的线膨胀系数均比YGe大，由于热应力造成结合部 强度下降，为改变热应力状况，选用与YGa的线膨胀系数儿乎相同的铁镍合金。采用F©-42Ni 为过渡层金属时，扩散焊接温度及箔片厚度对抗弯强度的影响示于图T。厚度为100um, 在900℃焊接后，试样的抗弯强度破坏发生在YGa内部，而在1000℃焊接后，却在接合界面 320

裂 。 幸 图 为 箔作过 渡层金属 时 ， 焊 接温 度对 抗 弯强 度的 影响 。 在 ℃ 以下时 ， 抗弯强 度 仅 为 。 抗弯强 度的 一半 约 。 当焊接温 度提 高到 ℃ 时 ， 抗 弯断裂在 。 内 部 发 生 ， 接合强 度 约为 。 但是 焊接温 度达 到 ℃ 后 ， 试 样在机加 工过程 中就断裂 了 。 采 用 箔片 和 。 箔片 作过 渡层金属 时 ， 焊接后 的 抗 弯强 度在 ℃ 时 只是 。 的 一半 。 图 抗 弯破 断后外观 而 箔片在 ℃ 时 ， 就 更低 了 ， 见图 。 采 用 。 箔片在 ℃ 时 略高 一 些 也 仅 为 左 右 。 门习 一 吧 ” 少 ， 牡 竖土 从 日。 姿己 川 七 全 艺 门︺ 日︵︸ 门曰 了 ︵日︸ 川琴 狡 日 七 日 仪 匕 泊 匕尸 门 ‘ 丽 口。 飞 。 日 口〔〕 丁 口 口 。 口 图 为 过 渡层 金属 时 温 度 对 亢弯强 度 的影 响 一 图 为 过 渡层 金属时温度对 抗 弯强 度的影 响 ， 土 述 种试验 中所 采 用的 、 、 。 的线 膨胀 系数均 比 。 大 ， 由于热应力造 成 结 合部 强 度 下降 ， 为改 变 热应力 状 况 ， 选 用 与 。 的 线 膨胀 系数 几乎相 同的 铁 镍合金 。 采 用 一 为 过 渡 层 金 属 时 ， 扩 散 焊 接温 度及 箔片 厚度对 抗 弯强 度的 影响 示 于 图 。 厚 度 为 卜 ， 在 ℃ 焊接后 ， 试样的 抗弯强 度破 坏 发生 在 。 内部 ， 而 在 ℃ 焊 接后 ， 却 在 接 合界 面

近旁发生抗弯破坏，这两种情况下的抗弯强度都很高。900℃时达1200MPa,1000℃为 900MPa,若用200μm箔片时，无论在900℃还是在1000℃焊接后，其抗弯破坏均在YG。内 部发生，都超过了YG的抗弯强度，高达1500MPa。 采用F©-36Ni箔片金属时，焊接温度及箔片厚度对抗弯强度的影响示于图8，h图8可 知：无论是哪种条件，都得到很高的抗弯强度，在900℃时的抗弯强度要高于YG的强度 为1500MPa,1000℃时略低于YGa的强度为1000MPa,抗弯破坏发生在YGs内部，也有的 发生在接合界面处。 2000 o100 um 42 invar foil 0200 Hm 42 invar foil o 100 sm S.invar foil 200 gm S.Invar foil 1500 1500 Hard 号 metal 1D00上Hard meta1i 1000f Open mark:fractured in hard metal Open mark:fractured in Solid mark:fractured at I hard.metal 500L bond interface Solid mark:fractured atl 800 90010001100 500L Lbond interface. 800 90010001100 T/℃ T/℃ 图7Fc-42Ni为过渡层金属时结合温 图8Fc-36Ni为过菠层金属时结合温 度对抗弯强度的影响 度对抗弯强度的影响 Fig.7 Influence of the bonding Fig,8 Influence of the bonding temperature temperature on the bending strength on the bending strength (Fe-42Ni used as insert metal) (Fe-36Ni used as insert metal) 了过渡层金属的线膨胀系数对抗弯强度的影响 图9所示为抗弯强度与过渡层金属的线膨胀系数之间的关系，由图可知过渡层金属的线 膨胀系数与YG。相同或稍微低些时，经焊接后，抗弯强度均较高。如F©-42N的线膨胀系数 与YGa相同，经焊接后，抗弯强度最高达ob=1500MPa,Fe-36Ni的线膨张系数比YG4小， 其抗弯强度也达ob=1000MPa。Fe、Co、Ni的线膨张系数都大于YGa,其抗弯强度绝大多 数低于YGa,最低的则是以Fe作过渡层金属时，其在900℃时o,仅为388MPa。但200μm的 Ni过渡层金属在1000℃焊接后，，高达1524MPa,其原因是Ni元素容易扩散。经1100℃接 合后，试样在加工成标准抗弯试样条的过程中就断裂了。其原因：(1)由于YG的线膨张系 数约为C12钢的一半，因此在冷却过程中，在接合部附近的YG。表面发生张力的热应力。 (2)接合温度高达1100℃，钢中C的碳化物大量溶解到奥氏体中不仅造成奥氏体晶粒大，而 且也造成马氏体转变点Mg下降。在冷却时，马氏体转变移向更低温度〔8，则产生了大 321

迸旁发生抗弯破坏 ， 这两种情况 下 的 抗弯 强 度都 很 高 。 。 ℃ 时达 九 ， ℃ 为 ， 若 用 箔片时 ， 无论在 ℃ 还是在 。 ℃ 焊接后 ， 其 抗弯破 坏 均 在 。 内 部发生 ， 都超过 了 。 的 抗弯强 度 ， 高 达 采 用 一 箔片金属时 ， 焊接温度及 箔片厚度对 抗弯强 度的 影响示 于 图 ， 由图 可 知 无论是哪种条件 ， 都得 到 很高的 抗弯强度 ， 在 ℃ 时的 抗弯强 度 要 高 于 。 的 强 度 为 ， ℃ 时略低于 。 的强度为 ， 抗 弯 破坏发生 在 。 内部 ， 也有的 发生在 接合界面处 口 －丁 〕 丫 丫 妮 · 网脚 芝全 扭 布知 芝勺 少 多 石 。 工 日 川帕 冶 百已 多 〔〕 卜” 气 · ，， 〕 。 “ ‘ “ “ 。 “ ℃ 到 。 图 一 为 过渡层 金属时结 合温 度对 抗弯强 度的影响 。 红 公 、 ， 图 一 为过渡层金属时结 合温 度对杭弯强 度的影晌 一 过渡层金属 的线膨胀系数对抗弯强度 的影响 图 所示为抗弯强 度与过渡 层金属的线 膨胀 系数之间的 关系 ， 由图可知过渡层金属的 线 膨胀 系数与 。 相 同或稍微低些时 ， 经焊接后 ， 抗弯强 度均较高 。 如 “ 一 的线膨胀 系 数 与 。 相 同 ， 经焊接后 ， 抗弯强 度 最高达， ， 一 的线 膨胀 系数 比 ， 小 ， 其抗弯强度 也达。 、 。 。 。 、 。 、 的线 膨胀系数都大 于 。 ， 其抗弯强度绝大多 数低于 。 ， 最低的 则是以 作过渡层金属时 ， 其在 ℃ 时 “ 。 仅 为 。 但 协 的 过渡层金属在 ℃ 焊接后 ， ， 、 高达 ， 其原 因是 元 素容 易扩 散 。 经 ℃ 接 合后 ， 试样在加工 成标准抗 弯试样 条的过程 中就断裂 了 。 其原 因 由于 。 的线 膨胀 系 数约为 钢的 一半 ， 因此在 冷却过程 中 ， 在接合部附近的 。 表 面发生张力 的 热 应 力 。 接合温度高达 ℃ ， 钢 中 的 碳化物大量溶解到奥 氏体 中不 仅造成奥氏体 晶粒大 ， 而 且也造成 马 氏体转变点汀 。 下 降 。 在冷却时 ， 马 氏体转变移向 更 低 温 度 〔 “ 〕 ， 则 产 生 了大

的残余热应力，由此造成试样加工过程中在 0100:m YGa中断裂。 G200r ●Hard mot+1 1500 4结 论 930 (1)使用过渡层金属在1000℃进行扩散 100081000℃ 焊接为宜。 (2)过渡层金属Fe-42Ni的线膨胀系数与 Open,mark:fractured in YG。相近，可使结合面得到最高的抗弯强度 hard metal ab≈1500MPa。使用线膨胀系数小于YG:的 500Solid mark:fractured at band interface Fe-36N时，可得到与YGa相近的抗弯强度。 H.t Fel Co 而使用线膨胀系数大于YG。的Fc、Co时，其 S.inyar 42 invar Ni 抗弯强度明显低于YG6 ,020 60- 100 140 (3)过渡层金属选用的最适宜厚度为200 Linear expansion coeffrcient, a/107℃-1 μm。 图9过渡层金風的线胀系数对 抗弯强度的影啊 Fig.9 Influence of the linear expansion coefficient on the bending strength 参考文献 1益本，玉井，吉井，永井，日本金属学会会报，1970,9-8：553一665 2大富忠祥，西尾政-一，迎静雄。硬质合金上合金工具钢)结合，1988 3川胜，北山.日本金属学会志，1976,40一1：96一103 4中岛，江畸，飞U冈。日本金属学会志，1987,51-3：228一233 5池内建二。高度接合技术上冬刀接合性评价，溶接工学夏季大学教材，（平成元年 7月)：81-98 6 Kazumasa Nishio,Mitsuaki Katoh and Shizuo Mukao,Trans,Japan Welding Society,1988,19(1) 322

的残余热应力 ， 由此造成试样加工 过 程 中在 。 中断裂 。 屯 苏 一 ’ ’ ‘ 宜 月 十日 。 日 结 论 使用过 渡层 金属在 ℃ 进 行 扩 散 焊接为宜 。 过 渡层金属 一 的线膨胀系数 与 。 相 近 ， 可使结 合面得 到 最高的 抗 弯 强度 。 、 。 使用线 膨胀系数小于 的 一 时 ， 可得到 与 。 相 近的抗弯强度 。 而 使用线 膨胀系数大于 。 的 、 。 时 ， 其 抗弯强 度 明显低于 过 渡层 金属 选 用的 最 适宜厚度为 。 卜 。 炭才比叮 二 户 …飞， 红 少 背 器超叮 ‘广 图 过渡层金属的线彬胀系数对 抗弯强 度 的影响 力 参 考 文 献 益 本 ， 玉 井 ， 吉 井 ， 永 井 ， 日本 金属 学 会会报 ， ， 一 一 大富忠洋 ， 西 尾 政一 ， 迎 静 雄 硬质 合金 己 合金工具钢 。 结合 ， 胜 ， 北 山 日本金属 学 会志 ， ， 一 一 中 岛 ， 江 崎 ， 飞 冈 日本金属学会志 ， ， 一 一 池 内建 二 高度接合技术 己 圣 。 接合性评 价 ， 溶接工学 夏季大学教 材 ， 平成 元 年 月 一 ， 。 ， ，