硬质合金衬板浸润焊技术研究及试验

秦皇岛秦冶重工有限公司 （河北 066318） 魏圆良 刘利斌 李书巍

随着我国冶炼技术的不断进步和冶炼设备的更新换代，在冶炼的产能与效益上提出了更高的要求，而布料溜槽是无料钟炉顶高炉炼铁过程中的一个关键部件，是料流进入高炉炉体的最后一个控制节点，通过布料溜槽的旋转与倾动实现炉料在炉体内的均匀散布。然而布料溜槽长期在高温环境中受到高硬度、高速度的料流冲击，再加上高炉煤气的腐蚀作用，使布料溜槽的磨损十分严重，因此在布料溜槽内壁上镶嵌可更换的硬质合金衬板成为了一种很好的选择。

1.试验方案确定

（1）试验方法选择 浸润焊接，即炉中钎焊的一种。这种钎焊方法是将装配好钎料的工件放在炉中进行加热，靠还原性气氛清除钎料和母材表面的氧化物，使熔化的钎料流入接头间隙，冷凝后即形成钎焊接头。

（2）设备选择 选择台车式电阻炉，额定温度为1250℃，工作尺寸为900mm×1200mm×2000mm，能够满足试验要求，同时保证电阻炉加热均匀，温升可控。

（3）硬质合金选择 硬质合金是一种极高硬度和耐磨性的合金材料，特别是在高温下，仍能保持高硬度，十分适合作为耐磨衬板的耐磨体。同时布料溜槽衬板要长时间受到炉料的冲击，这就要求硬质合金具有一定的冲击韧度，根据表1列举的几种常用硬质合金的成分和性能，最终选择了钨钴类的YG11硬质合金作为耐磨衬板的耐磨体。

（4）钎料选择 考虑到衬板是工作在高温、高腐蚀的环境，因此钎料应具有耐热性和抗蚀性，并且应具有良好的综合力学性能，同时钎料应对硬质合金和普通碳钢都具有良好的润湿性。鉴于此，选择了上述各方面均较好的锰白铜钎料BMn3－12作为浸润焊接的钎料。

表1 常用硬质合金的成分及力学性能

（5）钎剂选择 由于浸润焊接是在封闭的热处理炉中进行的钎焊，钎焊接头为半封闭型，故综合考虑安全性与经济性等因素，选用了轻柴油作为创造还原性气氛的原料。轻柴油在高温下会裂解产生具有还原性的H2和C，它们能还原工件表面的氧化物，提高钎料对母材的润湿性。

2.浸润焊温度控制曲线的确定

温度控制曲线是影响整个浸润焊接过程的决定性因素，温控曲线的确定包括升温速度、保温温度及时间、降温速度、焊后热处理温度及时间共四个方面。为了避免由于硬质合金表层与内部温差过大而引起的裂纹，在浸润焊时应控制加热和冷却速度，不能急冷急热。表2为几种硬质合金允许的加热速度，由于YG11的抗裂性优于YG8，所以YG11的加热速度可以适当高于YG8，同时为了降低冷却速度，采用了炉中冷却的方式。

表2 部分硬质合金允许的加热速度

保温温度及时间的选取主要有两个节点：一是柴油的分解温度控制点，此控制点必须保证柴油裂解出足够的H2和C，由于柴油裂解出H2的温度区间比较大（800～900℃），但温度较高时裂解出的H2较为充足，因此选择了870℃为第一控制点温度；二是锰白铜钎焊温度控制点，BMn3－12的熔点为1100℃，而钎焊温度应比钎料的熔化温度高50～80℃，以保证钎料具有足够的充型能力，因此钎焊温度应控制在1150～1180℃。焊接完成后对工件进行一次完全退火，以改善焊缝组织，均匀化学成分，同时对于基体组织也有一定的改善作用。图1为整个浸润焊过程的温度控制曲线。

图1 浸润焊温控曲线

3.浸润焊基体及工装的设计

衬板基体及工装设计如图2所示，衬板基体1为大口径钢管部件，在钢管内部车出合金槽，在合金槽内镶嵌硬质合金块12，由于硬质合金块不易加工，为了在浸润焊完成后将钢管对称切割成两件圆弧状衬板，在需要切割的位置上镶嵌合适大小的普通钢块；然后将衬板内套2套于衬板基体，之后将形成浸润焊型腔的工装部件焊接到相应位置；最后在型腔内添加钎料和柴油，焊接上部盖板5将浸润焊空间围成密封状态。逆止阀座7、逆止阀盖8与钢珠9形成的是单向逆止阀，它的主要作用是允许浸润焊型腔内部的气体外溢，但外部的空气不能进入浸润焊空间，以防发生意外事故和影响焊接质量。

图2 衬板及工装装配

4.试验步骤

由于硬质合金（YG11）和钎料（BMn3－12）的采购均需要较长时间，同时考虑到试验成本和试验时间等因素，共进行了三次针对性试验。三次试验的步骤相同，只是变化了部分的试验要素，如表3所示。

表3

试验步骤如下：

第一，按照材料消耗表进行下料，核对下料件数量及尺寸。

第二，按照图样和工艺要求加工各件，检测各加工尺寸准确无误。

第三，对加工件进行除油去污，重点保证合金槽内无任何油污铁屑等杂物。

第四，在衬板基体的合金槽内镶嵌钢块（部分为YG11），镶嵌过程中确保镶嵌物上无任何油污铁屑，同时确保装配间隙符合图样要求，如图3所示。

第五，按照工艺和图样要求进行组对点焊（不包含上部盖板和逆止阀座、逆止阀罩）。

第六，装填钎料和柴油，如图4所示。

图3

图4

第七，组对点焊上盖板和逆止阀座，并焊接成形。

第八，继续装入柴油，要求装满型腔，并装好逆止阀钢球，盖好逆止阀罩，如图5所示。

第九，将试验件平稳放于热处理炉中，按照浸润焊温控曲线进行钎焊及退火，如图6所示。

第十，对试验件进行破坏性检测，分析试验结果。

图5

图6

5.试验结果

（1）镶嵌钢块的间隙出现了较多的未满焊缺陷，试样横截面比纵截面未满焊缺陷更为严重，同时缺陷的大小各异且较为分散，如图7所示。

图7 1#试样镶嵌钢块宏观金相

（2）2#试样 镶嵌钢块的间隙几乎没有发现未满焊的缺陷，而且钎焊面没有肉眼可视的裂纹缺陷，钎焊间隙均匀平整，如图8所示。

图8 2#试样镶嵌钢块宏观金相

A面镶嵌YG11硬质合金块的间隙发现比较多的未焊满缺陷，而且未焊满缺陷为贯通的大面积缺陷，同时YG11硬质合金块本身有裂纹出现，但B面没有出现以上问题，如图9所示。

（3）3#试样 镶嵌钢块和YG11硬质合金块的间隙都没有发现未满焊的缺陷，而且钎焊面没有肉眼可视的裂纹缺陷，钎焊间隙均匀平整；同时YG11硬质合金块本身也没有明显的裂纹出现，如图10所示。

图9 2#试样镶嵌YG11宏观金相

图10 3#试样宏观金相（纵截面）

6.结语

（1）装配间隙是影响钎焊能否成功的主要因素，试验中的封闭式复杂镶嵌结构对于装配间隙的要求更为严格，通过试验最终确定硬质合金块YG11与普通碳钢基体的装配间隙为0.12～0.25mm。

（2）HS221黄铜钎料与BMn3－12白铜钎料在硬质合金上都具有良好的浸润效果，能够满足硬质合金与低碳钢的异种材料钎焊要求，但考虑到硬质合金耐磨衬板的实际使用工况，钎料应具有耐热性和抗蚀性，因此选择在这方面更具优势的BMn3－12白铜钎料作为最终的钎焊钎料。

（3）柴油在高温下裂解出的产物能够起到与钎剂相同的作用，即去除工件表面氧化层，提高钎料对母材的浸润性。

（4）由于加热速度过快会导致硬质合金本身产生裂纹，冷却速度过快会导致钎焊应力过大，所以浸润焊温控曲线的制定尤为重要，试验结果验证了BMn3－12的浸润焊温控曲线是合理的。

（5）YG11硬质合金表面的游离碳层会导致未满焊缺陷，在装配前应认真清理硬质合金表面的游离碳。

通过对本次试验结果的分析总结，为后续硬质合金耐磨衬板的成品件生产提供了可靠的理论依据，现已成功应用于实际生产。