陈国庆， 柳峻鹏， 张秉刚， 冯吉才*
(哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点试验室，哈尔滨 150001)
摘 要： 对WC-Co/40Cr进行电子束焊接试验，研究了焊缝和界面组织，同时分析了焊缝中裂纹的产生机理. 结果表明，焊缝主要由马氏体和脆性η相组成，在组织和拉应力作用下生成两种典型裂纹缺陷，一类为冷却过程中尚未凝固的液态薄膜不能填充间隙产生的结晶裂纹；一类为较大残余拉应力使得焊缝中硬脆相开裂形成的淬硬脆化裂纹. 界面由于元素扩散作用产生贫碳环境，在合适的温度梯度下会有η相包络生成. 测试接头的力学性能，发现接头平均抗剪强度为506 MPa，断裂贯穿于硬质合金热影响区、界面、焊缝处，分别呈现沿晶断裂、准解理断裂和解理断裂的特征.
关键词： WC-Co硬质合金/40Cr钢；电子束焊接；η相；裂纹
硬质合金是利用粉末冶金方法生产的，由过渡族难熔金属化合物(如WC,TiC,TaC,NbC等)和粘结金属(如Co,Ni,Fe)组成，是一种具有较好强度、硬度与韧性匹配性的工程材料[1-2]. 硬质合金制备工艺十分复杂，制造成本较高，因此通常会与相对廉价的材料复合使用[3]. 目前主要采用机械固定、粘接及焊接的方法将昂贵的硬质合金与价格低廉的结构钢或碳钢进行连接后使用. 其中焊接方法包括熔焊[3]、钎焊[4]、固相焊[5]等，但普通的TIG焊,MIG焊方法生产效率低，焊缝易产生裂纹；钎焊接头强度不高且使用温度较低；扩散焊时试件尺寸受到真空室大小的限制，使其应用场合受到限制[6].
目前国内外对于硬质合金与钢焊接的研究多采用弧焊方法，通过添加中间层来实现两者的有效连接，而对于电子束直接焊接硬质合金与钢鲜有报道. 上海交通大学[7]及哈尔滨工业大学[8]利用Ni-Fe和Ni-Fe-C作为中间层，采用钨极氩弧焊和电子束焊接的方法对硬质合金和钢实现了连接，发现采用Ni-Fe-C作为中间层时焊接接头中η相的数量要比Ni-Fe作为中间层时明显降低. 赵秀娟等人[9,10]选用不同成分的纯镍焊丝、Ni-Fe合金焊丝和Ni-Fe-C合金焊丝作为中间层对YG30硬质合金与45钢进行了一系列的TIG焊焊接试验. 研究表明，广泛分布于YG30焊缝界面区域的η相为M6C型的Fe3W3C，η相是导致焊接接头强度下降的主要原因，适当地增加C元素含量能抑制η相的产生，从而提高接头强度，同时发现采用Ni-Fe-C焊丝时，其界面产生的η相最少，而采用纯镍焊丝和Ni-Fe焊丝时η相数目明显增多，其原因为适当添加C元素能有效抑制界面C元素扩散，从而能够抑制η相的产生.
文中通过对硬质合金与钢进行电子束直接焊接的方法并结合散焦处理得到了成形良好的接头，对界面η相的产生机制以及焊缝裂纹形成机理进行了分析，同时对接头的剪切性能进行了测试，通过对断口的分析阐明了断裂机理.
采用尺寸φ35 mm×4 mm的40Cr和φ20 mm×4 mm的WC-Co硬质合金作为母材进行焊接试验，如图1所示，40Cr钢母材组织为铁素体和珠光体，硬质合金主要由呈三角形、矩形的WC颗粒和钴黏结金属组成. 焊接设备为MEDARD-45型脉冲真空电子束焊机，焊接真空度可达 5×10-2 Pa. 焊接试验加速电压为55 kV，电子束流为16～22 mA，散焦电流为14～16 mA，焊接速度为5 mm/s. 采用Quanta 200型场发射扫描电子显微镜对显微组织进行观察，并利用能谱仪对元素分布进行分析，采用D/max-rB X射线衍射仪对焊缝相组成进行分析，利用电子万能材料试验机Instron-5569对接头抗剪强度进行测试，剪切试样取样位置如图2所示.
图1 焊接示意图
Fig.1 Sketch map of welding
图2 剪切试样取样示意图
Fig.2 Sample of shear specimens
2.1 焊缝裂纹产生机制
对WC-Co/40Cr电子束焊接接头界面组织进行显微观察分析，结合XRD分析结果，如图3所示，可知焊缝组织主要由白色鱼骨状η相和深色马氏体基体组织组成. 对焊接接头进行SEM观察，可以发现，焊缝中存在两种典型形态的裂纹缺陷：一种是沿着浅色η相延伸扩展开裂，如图4a所示；另一种是贯穿于多个相之间，如图4b所示.
图3 焊缝区物相组成
Fig.3 Energy spectrum curve of weld zone
图4 焊缝中典型微观裂纹
Fig.4 Typical micro cracks in weld
图5为接头中裂纹形成过程的示意图,对两种裂纹的产生机制进行了解释. 首先焊缝金属在结晶的过程中，随着温度下降，在某一个温度区间内焊缝的塑性会很低，焊缝中的深色(Fe，C)组织和浅色鱼骨状的η相组织正处于结晶形成阶段，此时已经先结晶的深色(Fe，C)相占主要部分，尚未结晶的液态金属主要是富钨贫碳的η相成分，会被排挤到已结晶的(Fe，C)固相晶粒之间，并呈现出薄膜状的分布特征，当结晶形成时夹在已结晶(Fe，C)相间的液态浅色η相的分布会受到界面张力σαβ和晶界表面张力σαα的支配，而液态浅色η相总是要调整其形状使得表面能最低，根据焊缝中得到的浅色脆性相组织为鱼骨状内凹形貌，还可以推断出结晶时其界面接触角小于90°，因此容易形成液态薄膜. 同时分析可知在焊接冷却阶段，焊缝处于一个拉应力较大的区域，由于此时已结晶的(Fe,C)相的塑性很差，因此变形主要集中在液态薄膜处，但此时液态薄膜处液态金属不能完全填充间隙，从而导致这种沿晶裂纹的产生.
在电子束焊接的加热过程和冷却过程中,焊缝存在较大的应力，其中包括组织相变产生的组织应力. 此外,焊缝中的深色(Fe,C)相为脆性马氏体组织. 因此当焊缝中某个位置萌生裂纹后会在淬硬相和残余应力的共同作用下使得裂纹扩展延伸，从而导致了裂纹不断发展从而生成了大的穿晶裂纹.
图5 裂纹形成过程示意图
Fig.5 Schematic diagram of crack formation
2.2 接头脆性相形成机理分析
通常认为焊缝中产生的η脆性相对焊接接头组织及力学性能有不利的影响. 当环境轻微贫碳时，η相长大所需要的W和C元素主要靠γ-Co相中所溶解的少量WC晶粒来提供，此时其包络的WC晶粒基本未出现熔化现象,从而保留了原有的较为规则的几何外形. 当严重贫碳时，γ-Co中WC晶粒的溶解已经不能满足γ-Co相中的W，C元素的成分起伏，此时与γ-Co相毗邻的WC会向γ-Co相中溶解来使其中的W，C元素达到一种动态平衡状态，图6为所获焊缝组织，此时的WC晶粒的边缘会变得圆润，同时外部包络生成η相组织. 同时从图中还可以看出在η相处会产生裂纹缺陷，这也从侧面反映出η相硬脆的特征.
图6 不同长大机制下的η相组织
Fig.6 Microstructure under different growth mechanism
2.3 接头断裂机制分析
对接头进行剪切试验，得到的平均抗剪强度为506 MPa，图7是剪切断裂的位置及断口形貌，可以看出主要在硬质合金侧、界面处、焊缝处发生断裂,分别对应图7b中的A区、B区和C区. 同时在撕裂断口处产生的裂纹向焊缝内部扩展延伸. 这表明焊缝处的脆性较大，塑性较小，在断裂过程中裂纹尖端能量无法被焊缝组织大量吸收，故裂纹向焊缝中部延伸较长，如图7a所示.
图7 断口宏观形貌
Fig.7 Macro morphology of fracture
对断口进行XRD物相分析，结果如图8所示，可知断口物相成分包含了硬质合金中普遍存在的WC相、界面和焊缝中的(Fe，C)相和η相，因此推断断口处的WC、η相、(Fe，C)相中主要存在的马氏体相都为力学性能薄弱区. 由于这些相较为硬脆，其弹性变形能力与周围相相差较大，在应力作用下两者变形差异较大，容易导致裂纹在此萌生，并向其它方向扩展.
图8 断口物相组成
Fig.8 Energy spectrum analysis of fracture
从断口局部放大形貌(图9)中可以看出,A区断口的宏观整体形貌非常平整，断裂面十分整齐. 对其进一步放大可以看出该处的断口形貌主要表现为类似冰糖状的花样，同时伴随有少量韧窝存在，推断为沿晶和韧性复合形式的断裂.
图9 断口A区微观形貌
Fig.9 Morphology of fracture at A zone
结合图9a可以看出,其断口处白亮组织棱角清晰、立体感很强，经过能谱分析可知主要是WC颗粒，周围深灰色断口主要为钴基相，推断该处为硬质合金母材处的断裂断口，对其断裂机制解释为:在电子束焊接过程中,在硬质合金侧产生微小裂纹，在外力作用下裂纹源扩展形成断口，由于WC和钴基在界面处原子排列模式差异较大，因此在其界面处发生断裂从而形成WC棱角分明的类似冰糖状的断口；同时在硬质合金受到应力作用时，其中的钴相会产生塑性变形，塑性变形的扩展会使得钴基内部微小空洞形成、长大，最后发生断裂出现韧窝状断口，在以上两种机制的共同作用下,形成了硬质合金母材断口形貌.
从图7b可以看出B区域整体上较为平整,无变形，图10是B区微观形貌，通过观察二次电子成像发现断口有着细小的解理刻面以及撕裂棱，同时伴随小韧窝的存在，因此推断该处为准解理断裂.
从断口的背散射形貌可以看出，浅灰色断口中夹杂有大量细小的形状较为规则的白色颗粒状物质，进行能谱分析，推断该处主要是脱碳相，因此可以推断该处主要为焊缝界面处脱碳η相造成的裂纹源. 异种金属焊接界面由复杂相组成，具有非常复杂的微观结构,其中脆性脱碳相η相作为硬质点会成为断裂时裂纹生核的位置，裂纹在应力作用下进行扩展，由于界面包裹WC外侧η相和焊缝中的(Fe，C)相在裂纹扩展过程中起到不同的作用，因此在断裂时会同时具有脆断解理面和韧断韧窝两种典型特征，从而形成了该处准解理断裂的断口形貌.
图10 断口B区微观形貌
Fig.10 Morphology of fracture at B zone
从C区宏观断口可以看到，解理断裂典型的河流花样状的微观特征，从微观形貌(图11)可以看出存在明显的柱状晶粒，此时的解理面为沿晶扩展，并可发现类似羽毛状的解理形貌，这是由于该处解理面不是等轴存在，而是沿着裂纹扩展的方向伸长的. 在背散射图像中可以看出断口中零星分布有白色斑点状和条线状组织，能谱分析可知其主要为贫碳相，结合之前焊缝组织分析可知,焊缝中主要为鱼骨状贫碳η相和马氏体两种硬脆相组织，在外界应力作用下会沿着结晶学平面断裂理论，形成上述的脆性断口.
图11 断口C区微观形貌
Fig.11 Morphology of fracture at C zone
(1) 焊缝中存在两种典型微观裂纹，在冷却过程中焊缝中的拉应力会使尚未凝固的液态薄膜不能填充间隙从而产生沿晶裂纹；同时冷却结束后焊缝中较大的残余拉应力会使焊缝中硬脆相扩展开裂，形成较大的穿晶裂纹.
(2) 在贫碳环境下，η相有两种形成机制. 轻微贫碳时，WC晶粒几何外形变化不大；严重贫碳时，WC晶粒发生溶解，边缘变得圆润.
(3) 硬质合金脆性层、界面和焊缝处是接头力学性能的薄弱地带，依次表现为沿晶断裂、准解理断裂、解理断裂，整体表现为脆断特征.
参考文献：
[1] 蒙世合, 罗海辉, 彭 宇. WC晶粒离散度对WC-Co硬质合金断裂韧性的影响[J]. 硬质合金, 2017, 34(1): 14-20.
Meng Shihe, Luo Haihui, Peng Yu. Effect of WC grain dispersion on fracture toughness of WC-Co cemented carbide[J]. Cemented Carbide, 2017, 34(1): 14-20.
[2] 羊建高, 熊 继. 稀土硬质合金的研究现状及发展趋势[J]. 稀土, 1992, 13(4): 45-47.
Yang Jiangao, Xiong Ji. Research status and development trend of rare earth cemented carbide[J]. Chinese Rare Earths, 1992, 13(4): 45-47.
[3] 王悦悦, 殷国涛, 胡小小, 等. 硬质合金/不锈钢激光焊焊接性分析[J]. 热加工工艺, 2017(5): 200-203.
Wang Yueyue, Yin Guotao, Hu Xiaoxiao, et al. Laser welding weldability of cemented carbide/stainless steel[J]. Hot Working Technology, 2017(5): 200-203.
[4] 李远星, 张晓山, 朱宗涛, 等. Ni元素扩散行为对硬质合金/钢钎焊接头微观组织及力学性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2017， 46(4): 1120-1125.
Li Yuanxing, Zhang Xiaoshan, Zhu Zongtao, et al. Effect of element Ni diffusion on the mechanical properties and microstructure of joints brazed of cemented carbide and steel[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2017, 46(4): 1120-1125.
[5] 付文强, 王海龙. 硬质合金(YG6C)/钢(16Mn)复合螺柱的螺柱焊横焊工艺研究[J]. 热加工工艺, 2017(3): 65-70.
Fu Wenqiang, Wang Hailong. Research on horizontal position stud welding of compound stud of hard alloy YG6C/16Mn steel[J]. Hot Working Technology, 2017(3): 65-70.
[6] 朱警雷, 黄继华, 张 华, 等. 硬质合金与钢异种金属焊接的研究进展[J]. 焊接, 2008(2): 15-19.
Zhu Jinglei, Huang Jihua, Zhang Hua, et al. Progress in research on welding of cemented carbide with steel[J]. Welding & Joining, 2008(2): 15-19.
[7] Xu P Q, Zhao X J, Yang D X, et al. Study on filler metal (Ni-Fe-C) during GTAW of WC-30Co to 45 carbonsteel[J]. Journal of Materials Science, 2005, 40(24): 6559-6564.
[8] 陈国庆, 张秉刚, 吴振中, 等. 硬质合金与钢电子束焊接接头组织及性能[J]. 焊接学报, 2013, 34(6): 9-12.
Chen Guoqing, Zhang Binggang, Wu Zhenzhong, et al. Microstructure and mechanical properties of cemented carbide to steel joints by electron beam welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2013, 34(6): 9-12.
[9] 赵秀娟, 王 浩, 杨德新, 等. 焊丝成份对YG30/钢焊缝组织和硬度的影响[J]. 硬质合金, 2004, 21(2): 94-98.
Zhao Xiujuan, Wang Hao, Yang Dexin, et al. The effect of the welding wire composition on the microstructure and hardness of the welding joints between YG30 and steel[J]. Cemented Carbide, 2004, 21(2): 94-98.
[10] Zhao X J, Yang D X. The η phases and mechanical properties of TIG welded joints of WC-Co cemented carbide and steel[J]. China Welding, 2004, 13(1): 34-39.
收稿日期： 2016-01-26
基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51375115)
*参加此项研究工作的还有张 博
中图分类号： TG 456.3
文献标识码： A
doi:10.12073/j.hjxb.20160126001
作者简介： 陈国庆，男，1972年出生，博士，副教授，博士研究生导师. 主要从事新材料及异种材料电子束焊接的研究工作. 发表论文40余篇. Email: chenguoqing@hit.edu.cn
联系客服
