硬质合金与钢熔焊界面组织与性能

【摘要】：WC-Co硬质合金由于其优异的性能已成为最主要的工具材料之一。但由于硬质合金制品尺寸有限、形状简单和成本高等缺点，使硬质合金的应用范围受到限制。所以开发硬质合金与钢连接的新技术具有重要意义。 本文在分析了采用扩散焊接头界面受限和易在接头形成有害复合碳化物(η相)、钎焊存在结合强度和使用温度低等问题基础上，通过扫描电镜、电子探针、透射电镜、X射线衍射、弯曲强度等试验方法，系统地研究了Fe-Ni系合金为填充材料、钨极惰性气体保护焊(TIG焊)方法连接WC-30Co与钢时有害η相的形成机理和影响因素，进而提出并实现了在Fe-Ni和Fe-Co填充材料中添加C来抑制η相形成的新设想，从而解决了焊接接头的强度问题，为这一新技术的应用奠定了基础。 主要研究结果如下： 1．随着Fe-Ni填充材料中Ni含量增加，η相减少，钢母材的含C量对WC-30Co／焊缝界面区域η相的形成影响不大。 2．在Fe-Ni合金基础上添加C作为填充材料时，增加C或Ni含量可以减少或抑制η相的形成。添加0.6wt％C时，η相形成所需WC-30Co的γ相中Fe浓度由35at％提高到61at％。 3．在Fe-Co合金基础上添加适量C作为填充材料也可以抑制η相形成。在相同条件下，Fe-Co-C系比Fe-Ni-C系填充材料的焊缝硬度高，但易形成η相。 4．WC-30Co／焊缝界面是否形成η相与焊缝和界面的C浓度关系不大，而与γ相中[W]／[C]的浓度比有关。在Fe-Co-C系填充材料的试样中，[W]／[C]比低于0.31时形成η相，[W]／[C]比大于0.37时不形成η相。 5．本研究中出现的η相主要是Fe_3W_3C或Co_3W_3C型的复合碳化物，但原子比不严格和M_6C型一致。η相有二种组织类型，一种是较粗大的，尺寸随远离界面而变小。一个大颗粒内通常由几个晶粒组成，晶内有时有尚未转变的WC；另一种是在部分熔化区γ相中独立形核，平均晶粒尺寸为0.05～0.1μm，呈弥散分布。 6．界面部位成分适宜，温度较高，η相容易形核也容易长大。界面处大块η相可在一个未熔WC晶粒的不同界面或者同一个界面的不同位置形核，并向γ相和WC同时长大。η相在生长过程中和未耗尽的WC在液态金属的热传导和搅拌运动的冲刷作用下相互聚合并进一步生长，得到较大尺寸的η相。 7．在WC-30Co／焊缝界面聚集的大块η相，将导致弯曲断口沿界面断裂，焊接接头的弯曲强度显著降低。 8．Fe-55wt％Ni-0.6wt％C填充材料的试样没有η相形成。其平均规定非比例弯曲应力和抗弯强度都最高，分别为940MPa和1352MPa，以该填充材料焊接所获得的焊接接头具有最佳的组织和性能。