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硬质合金
硬质合金是什么
硬质合金是一种高生产力的工具材料，具有高硬度、高强度、耐磨性好、耐高温性良好等优异特性。它被用于制造刀具、模具、测量工具、采矿工具以及各种以耐磨性为主要性能的零部件，广泛应用于机械加工、地质勘探、采矿等工业领域。
为什么需要钎焊硬质合金
硬质合金价格昂贵，韧性差，难以生产大尺寸、复杂形状的产品。而且许多零部件并不需要整体采用硬质合金，因此将硬质合金与具有良好韧性、高强度、优异加工性能和低成本的钢材连接起来具有重要的使用价值。
目前，钎焊是硬质合金和钢材的主要焊接方法。在过去的十年中，一些新的焊接方法如烧结扩散焊、钨惰性气体保护焊和激光焊等也得到了积极的研究和探索。它广泛应用于硬质合金的焊接中。
硬质合金钎焊存在的问题
I. 硬质合金的钎焊性能较差。这是因为硬质合金的碳含量较高，未清洁表面常常含有更多的游离碳，这会妨碍钎料的润湿。此外，硬质合金在钎焊温度下容易氧化形成氧化膜，这也会影响钎料的润湿。因此，在钎焊之前进行表面清洁非常重要，以提高钎料在硬质合金上的润湿性，如果必要还可以采取表面镀铜或镀镍等措施。
II. 硬质合金钎焊的另一个问题是接头容易出现裂纹。这是因为其线膨胀系数仅为低碳钢的一半。当硬质合金与这种钢的基材钎焊时，接头会产生大量热应力，导致接头开裂。因此，在钎焊硬质合金和不同材料时，应采取措施防止出现裂纹。
焊材选择
硬质合金通常使用纯铜、铜锌和银铜焊料。
ⅰ纯铜：纯铜对各种硬质合金具有良好的润湿性，但需要在氢还原气氛下焊接才能得到最佳效果。同时，由于高温焊接，接头内部的应力较大，导致接头开裂的倾向增大。使用纯铜焊接接头的剪切强度约为150MPa，接头塑性也较高，但不适用于高温工作。
ⅱ铜锌焊料：铜锌焊料是硬质合金最常用的焊料。为了提高焊料的润湿性和接头的强度，通常会向焊料中添加锰、镍、铁等合金元素。例如，将w(Mn) 4%添加到B-Cu58ZnMn中，使得硬质合金焊接接头的剪切强度在室温下达到300-320MPa，仍然可以在320°C下保持220-240MPa。
在B-Cu58ZnMn的基础上添加少量的钴可以使接头的剪切强度达到350MPa，且具有高冲击韧性和疲劳强度，大大提高了切削工具和岩石钻孔工具的使用寿命。
ⅲ银铜焊料：银铜焊料的熔点较低，焊接接头产生的热应力较小，有利于减少焊接硬质合金时的开裂倾向。为了提高焊料的润湿性和接头的强度和工作温度，通常会向焊料中添加锰、镍等合金元素。例如，B-Ag50CuZnCdNi焊料对硬质合金具有良好的润湿性，焊接接头综合性能良好。
焊接前的准备
① 焊接前，要检查硬质合金是否有裂纹、弯曲或表面不平整的问题。钎焊面必须平整，如果是球形或矩形硬质合金钎焊面，也应符合一定的几何形状，以保证合金与钢件基体之间的良好接触，确保钎焊质量。
② 对硬质合金进行喷砂处理。如果没有喷砂设备，可以手持硬质合金，用绿碳化硅砂轮磨去钎焊面上的氧化层和黑色物质。如果不清除硬质合金钎焊面上的氧化层，焊料就难以浸润硬质合金。经验证明，如果钎焊面上有氧化层或黑色物质，应进行喷砂处理。否则将减少钎焊面积，产生脱焊现象。
③ 清洗硬质合金钎焊面时，最好不要使用化学机械研磨或电解研磨，因为它们都依靠粘结剂（钴）来腐蚀硬质合金表层以加速磨削或提高磨削效率。但是，在硬质合金表面的钴被腐蚀后，焊料很难重新湿润硬质合金，容易引起脱焊。在特殊情况下，如果必须用上述方法或电火花加工处理硬质合金钎焊面时，处理后的硬质合金可以进行喷砂或用绿碳化硅砂轮去除表层。喷砂处理过的硬质合金可以用油和酒精清洗以去除油污。
④ 焊接前，仔细检查钢件基座上的槽形是否合理。特别是牌号较脆的硬质合金和钎焊面积较大的硬质合金工件，更应对钢件基座的槽形进行严格把控。刀具也要喷砂和清洗以去除油污。当清洗量较大时，可用碱性溶液煮沸10-15分钟。对于用高频钎焊或浸铜钎焊的多刃刀具和复杂的测量工具，最好用饱和硼酸水溶液煮沸20至30分钟，取出晾干后再进行焊接。
⑤在使用焊料之前用酒精或汽油擦拭，并按照焊接表面进行裁剪和成型。在钎焊常规的硬质合金刀具或模具时，焊料的厚度约为0.4-0.5mm，尺寸与焊接表面相似。在用焦炭加热钎焊时，可以适当增加焊料。不过当焊接硬质合金多刃刀具、测量工具和其他工件时，应尽可能减小焊接板的面积。通常，焊接板可以切成焊接表面的1/2左右。
当熟练掌握了焊接技巧后，焊接填充金属板可以减少到焊接表面的1/3或更少。减少焊接材料可以使焊接后的工件外观美观，磨削更加方便。
焊剂和保护气体
焊剂：选择的焊剂应与被焊接的基材和所选用的焊料相适应。在焊接工具钢和硬质合金时，主要使用硼酸和硼酸钠的硼酸盐类焊剂，有时也添加一些氟化物（KF、NaF、CaF2等）。铜锌钎料配有FB301、FB302和FBl05焊剂，银铜钎料配有FB101-FB104焊剂。当使用特殊的钎料焊接高速钢时，主要使用硼酸盐类焊剂。
保护气体：为了防止工具钢在焊接加热过程中发生氧化并减少焊接后的清洗，可以使用气体保护焊接。保护气体可以是惰性气体或还原气体，气体的露点应低于-40℃。硬质合金可以在氢气保护下焊接，所需氢气的露点应低于-59℃。
焊接工艺
在钎焊前，应对硬质合金表面进行喷砂处理或使用碳化硅或金刚石砂轮进行打磨，以去除表面多余碳，使其能够在钎焊时被钎料润湿。含钛碳化物的硬质合金难于润湿。可在其表面涂覆氧化铜或氧化镍糊，并在还原气氛中烘烤，将铜或镍转移至表面，从而增强其可钎性、湿润性。
在焊接硬质合金刀具时，均匀加热刀杆和硬质合金片是保证焊接质量的基本条件之一。如果硬质合金片的加热温度高于刀杆，熔化的钎料会润湿硬质合金片但无法润湿刀杆，接头强度会降低。当合金片沿钎焊层剪切时，钎料不会破坏，而随合金片脱落。在刀杆支撑面上可以看到铣刀在钎焊层上的痕迹。如果加热速度过快，刀杆的温度高于合金片，则会出现相反的现象。焊剂、钎料和硬质合金的顺序和相互位置直接影响钎焊质量。正确的放置方法是：将钎料放入槽中，撒上焊剂，然后放入硬质合金，并沿侧焊缝的顶面撒一层焊剂。这样，在钎焊时易于掌握钎焊温度，减少焊缝外侧附着的多余钎料。
※硬质合金和钢进行氧乙炔钎焊的操作技术要点如下：
①为防止硬质合金刀片在钎焊过程中脱碳或过烧，应采用炭化火焰。
②钎焊温度约为1000℃，即加热硬质合金刀片时呈现亮红色，如果刀片呈现暗红色或明亮的白色，就不能进行钎焊，因为前者温度过低，后者则过高，发生了过烧现象。
③焊枪将刀体从左至右、从右至左、从上至下反复加热，使刀体和刀片均匀受热。
④在钎焊过程中，焊枪与柄的距离约为50mm，焊枪与柄端的倾斜角为110度，可以保证火焰热量的有效利用和加热平衡。钎焊过程中，火焰应始终覆盖整个钎焊部位，隔绝它与空气接触，以防氧化或气孔的产生。
⑤钎焊速度应根据刀片的大小来确定。40钢和YT15硬质合金车刀的钎焊应尽量在1分钟内完成，这可以有效防止硬质合金过烧或脱碳。
⑥钎焊后，应用火焰加热刀片，然后缓慢移开焊枪，使钎焊件缓慢冷却，防止出现裂纹。
在钎焊过程中，应适当控制工件的钎焊温度。如果钎焊温度过高，会导致焊缝氧化和含锌钎料中锌的蒸发；如果钎焊温度过低，由于钎料流动性差，会使焊缝较厚，并且焊缝中会有许多气孔和夹渣，这是熔裂的主要原因。钎焊温度应该比钎料的熔点高30-50°C左右，此时钎料的流动性和渗透性都很好，易于渗透整个焊缝。在钎料熔化后，用铜压棒使硬质合金沿着槽口来回移动2-3次，以便清除焊缝中的夹渣。移动距离大约为硬质合金长度的1/3。
钎焊后的冷却速率是影响钎焊裂纹的主要因素之一。在冷却时，硬质合金片的表面产生瞬间拉应力，而硬质合金的拉应力要比压应力大得多。特别是对于钎焊面积较大、基体较小、硬质合金较大的工件，如YT60、YT30、YG3X等，应特别注意钎焊后的冷却速度。通常情况下，将工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中冷却，以使工件缓慢冷却。这种方法操作简单，但无法控制回火温度。如果条件允许，钎焊后立即将工件在220-250°C的炉中回火6-8小时。采用低温回火处理可以消除部分钎焊应力，减少裂纹，延长硬质合金刀具的使用寿命。