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近年来,随着我国公路建设的发展,对公路维护的需求也不断增加。
公路的维修过程中,由于沥青砼路面含有大量的石英(SiO2)等高致密度和高硬度的组成物,这使得该刀具在沥青砼路面铣刨作业时,一方面受到严重的磨粒磨损,另一方面承受着相当大的冲击、剪切、弯曲等力的作用。为此,要合理地选择刀体和刀头的材料,使其具有相应的服役能力。而硬质合金由于具有很高的硬度、耐磨性和很好的红硬性;钢具有良好的韧性和较高的强度,因而,沥青砼路面铣刨所用铣刨刀具采用硬质合金作为刀头和钢作为刀体,通过钎焊方法焊接为一体,可以很好的满足实际需要。但是,目前该刀具主要依赖进口,然而进口刀具的市场价格昂贵,严重制约了国内路面养护生产成本的降低和设备利用率的提高。国内虽然己经着手该刀具生产工艺的开发,有的厂家己经进行该刀具的批量生产,而国内生产的刀具,性能不稳定,主要存在的问题是刀具的硬质合金刀头过早脱落,导致刀体的早期失效。本文尝试使用自己研发的钎料,通过真空钎焊工艺,以期得到性能良好的钎焊接头,推进该刀具的国产化。
本文采用CuMnCo 钎料,在10-2Pa 的真空气氛中,对YG8 硬质合金与40Cr 钢进行钎焊。通过DTA,维氏硬度测试,三点弯曲试验、扫描电镜(SEM)及能谱分析等手段,对钎料及其钎焊接头组织和性能进行分析和研究,从而优化钎焊工艺,探讨钎焊接头的形成原理。
实验所用CuMnCo 钎料在两种母材上的润湿角范围2o~5o。原始钎料中的钴往该界面扩撒和聚集,硬质合金中的钴和钎料中的钴相互聚集与铁形成互溶的FeCo 相,使得钎料在硬质合金界面很容易润湿。钎缝界面处FeCo 相的生成,可有效的保证钎缝与母材界面的冶金结合,而中间Cu 基固溶体的存在,可降低钎焊残余应力,使得接头有较高的弯曲强度。
当钎焊温度为1100℃与1120℃时,钎缝与母材间界面处形成的CuFeCo 相组织保证钎料与母材有良好的结合,而钎缝区域的Cu 基固溶体组织,由于具有良好的塑性,可以很好地松弛冷却过程中硬质合金近焊缝处的拉应力,所以,接头强度值较高,断口特征为沿硬质合金侧的脆性断裂。随着钎焊温度的升高,钎料成分中的Cu、Mn 挥发很严重,在母材界面形成的CuFeCo 组织逐渐变成FeCo 相,并沿母材界面往钎缝区域逐渐长大,当温度达到1180℃时,钎缝区域主要以FeCo 固溶体组织为主,钎缝区域中FeCo 相组织虽然界面结合强度很高,但是可能由于FeCo 相组织的塑性没有铜基固溶体好,不能有效地松弛残余应力,因而,弯曲强度值反而开始降低。另外,在1100℃~1180℃温度间钎焊,钎焊温度对40Cr 钢与YG8 硬质合金母材性能没有很大的影响。
随着钎缝宽度的增加,弯曲强度值也增加,当钎缝宽度大于0.3mm后,弯曲强度值开始下降,即在0.3mm 处出现峰值弯曲强度值650MPa。
由于钎缝与母材界面处形成CuFeCo 相组织,使得界面结合强度较高,钎缝区域的CuMnCo 类单相固溶体组织,由于具有很好的塑性,可以对残余应力进行有效的松弛,所以随着钎缝宽度增加,弯曲强度值也增加,断口特征为沿硬质合金侧的脆性断裂。当宽度大于0.3mm 后,虽然钎缝与母材界面结合很好,残余应力也得到降低,但是由于此时影响接头弯曲强度的主要因素变成钎缝区域CuMnCo 类单相固溶体的强度,由于CuMnCo 类单相固溶体良好的塑性和较低的弯曲强度,所以接头的弯曲强度值反而下降,出现部分钎料脱落的断口特征。
随着中间夹层厚度的增加,此时越来越多的W 往Ni 中间夹层内扩散,有可能造成YG8 母材性能下降。而Ni 中间夹层的阻碍作用,使Fe不能有效扩散与Co 形成FeCo 相,使得界面结合强度降低,出现沿钎缝区域的断裂特征,接头弯曲强度不断下降。
从实验的结果来看,采用CuMnCo 钎料,在真空氛围中钎焊,选择适当的钎焊工艺参数,可以得到强度较高的钎焊接头。解决了由于硬质合金与钢基体金属间热膨胀系数不同,在接头中会产生大的残余应力,导致接头强度显著下降的主要问题。为铣刨刀具的国产化提供很好的理论基础,但是,也有些不足之处:钎焊温度较高,对设备的使用寿命影响很大;虽然接头强度较高,可以满足需要,但是刀体部位的40Cr钢的硬度太低,在实际应用中磨损很快。