于學(xué)宗， 龍偉民， 高 雅

(鄭州機械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室, 鄭州 450001)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，市場對石材制品的需求越來越旺盛，促使我國的石材行業(yè)快速發(fā)展。大理石因為石質(zhì)細膩，花紋、顏色漂亮，價格適中，越來越受到人們的青睞。大理石從開采到成為裝飾類材料需要經(jīng)過漫長而復(fù)雜的加工過程。首先要將大理石從母巖基體上剝離下來(稱為“荒料”)，荒料體積、重量巨大，需經(jīng)過大理石框架鋸機切割成板料，再進行下一步打磨、拋光等工藝。

大理石框架鋸機是在傳統(tǒng)砂鋸的基礎(chǔ)上改進而來的，相比于砂鋸具有行程長、切割速度快、出板平整度高等優(yōu)點，在大理石荒料加工中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。大理石框架鋸機的主要受力部件是大理石排鋸條，通過釬焊方法把排鋸鋼基體和金剛石刀頭釬焊在一起而形成排鋸條。如果釬料使用不當(dāng)或釬焊工藝不合理，大理石排鋸在使用過程中就容易出現(xiàn)“掉刀頭”現(xiàn)象[3-4]。出現(xiàn)此種情況后需停止生產(chǎn)以修復(fù)排鋸條，不僅影響生產(chǎn)效率，還會影響切割平板的表面質(zhì)量，嚴重時甚至造成名貴的大理石料報廢。

釬焊過程中的加熱時間和保溫時間都會對釬焊接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響[5]。因此，尋找適合排鋸鋼釬焊的釬料及確定合適的釬焊工藝顯得尤為重要。

我們選用7種不同成分的合金釬料(包括3種三元合金釬料、3種四元合金釬料和1種層狀復(fù)合釬料)，來研究釬焊后排鋸鋼基體的組織及力學(xué)性能。所用的釬料中，層狀復(fù)合釬料又被稱為“三明治”釬料，這種釬料芯部為應(yīng)力緩釋材料，外部為包覆釬料。在釬焊過程中，只是外部的釬料熔化，芯部材料不熔化，芯部材料在冷卻時吸收部分熱應(yīng)力，從而使釬焊產(chǎn)生裂紋的傾向性大大降低，有利于形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭[6]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

母材選用德國排鋸專用不銹鋼，牌號75Ni8，厚度1.9 mm。75Ni8排鋸鋼主要化學(xué)成分見表1。選用7種釬料，其中三元合金釬料3種，牌號CT643、HL303、5081；四元合金釬料3種，牌號CT737、HL312、BAg612；三明治釬料，牌號HL861。其中，HL表示釬焊行標用釬料，CT表示鄭州機械研究所開發(fā)釬料，BAg表示釬焊新行標用釬料，5081表示眼鏡行業(yè)專用釬料。7種釬料的主要成分和熔化溫度區(qū)間見表2。

釬焊工件的準備：將75Ni8排鋸鋼線切割成400個尺寸為15 mm×10 mm ×2 mm的試樣做抗剪切實驗，400個尺寸為30 mm ×10 mm×2 mm的試樣做沖擊性實驗，400個尺寸為25 mm×12 mm×2 mm的試樣做排鋸刀頭釬焊模擬實驗。釬焊前先用砂帶機打磨掉試樣四周的毛刺，后用200號砂紙打磨表面，再用金屬清洗劑超聲清洗去除油污，最后酒精清洗烘干后備用。釬焊過程使用QJ102釬劑。

表1 75Ni8排鋸鋼化學(xué)成分表

表2 7種釬料的成分及熔化溫度區(qū)間

1.2 實驗方法

使用瑞奧RAG-15 kW高頻感應(yīng)焊機進行釬焊實驗，輸出電流200 A，在同一輸出電流下調(diào)整各種釬料的加熱時間，使釬料熔化并填滿釬縫。通過實驗得出7種釬料的加熱時間和保溫時間，如表3所示。

表3 7種釬料加熱時間和保溫時間

使用MTS萬能力學(xué)試驗機進行剪切實驗，JB-300B型沖擊試驗機進行沖擊韌性實驗。用線切割將釬焊好的接頭試樣切割，試樣鑲樣后用80#～2000#金相砂紙逐級打磨并拋光，再使用質(zhì)量分數(shù)5%的硝酸酒精溶液(HNO3質(zhì)量分數(shù)5%，剩余酒精)進行腐蝕。使用蔡司Axio Scope A1金相顯微鏡觀察釬焊接頭組織，使用HV-1000A型維氏硬度計測量維氏硬度。維氏硬度的測量從每種釬料的釬縫處向垂直于釬縫方向的母材兩側(cè)進行，間距2 mm，記錄實驗數(shù)據(jù)并最終繪制成圖表。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

表4為7種釬料釬焊接頭的剪切強度值和沖擊韌性值。從表4可以看出：三明治釬料HL861釬焊接頭的剪切強度最好，平均剪切強度值為164.87 MPa；釬料HL303釬焊接頭剪切強度最差，平均剪切強度值為90.82 MPa；而三元合金釬料中CT643的剪切強度較高，為141.09 MPa，僅次于三明治釬料HL861的剪切強度。四元合金釬料剪切強度值整體都高于HL303和5081。

表4 7種釬料釬焊接頭的剪切強度和沖擊韌性值

從表4還可以看出：釬料CT737和HL303的平均沖擊韌性值都較高，其中釬料CT737的沖擊韌性值最高，釬料HL303的次之；釬料CT643的沖擊韌性值最低，不適合承受沖擊載荷較大的場合。而三明治釬料HL861的沖擊韌性值稍高于7種釬料的平均沖擊韌性值的平均值(35.60 J/cm2)，說明三明治釬料HL861沖擊韌性值適中，既有適度的剛度又能承受一定程度的沖擊載荷，適合作為大理石排鋸刀頭釬焊用材料。

由于排鋸鋼和金剛石刀頭的線膨脹系數(shù)不同，釬焊后很容易引起內(nèi)應(yīng)力問題，導(dǎo)致釬焊接頭出現(xiàn)熱裂紋甚至虛焊。三明治釬料因其獨有的中間銅夾層，具有熱導(dǎo)率好的優(yōu)勢，在焊接過程中能快速吸收焊接時產(chǎn)生的熱量并散發(fā)出去，降低焊接冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，避免釬焊冷卻過程中產(chǎn)生的熱裂紋；同時，排鋸刀頭在實際工作過程中會受到水平切削力和垂直剪切力的混合作用[7]，而三明治釬料內(nèi)層的純銅片具有良好的塑性，在排鋸刀頭工作中能緩沖受到的交變應(yīng)力[8]。綜合考慮三明治釬料的剪切強度和沖擊韌性值等因素，其綜合性能比其他釬料優(yōu)越，更適合作為排鋸刀頭的釬焊材料。

2.2 維氏硬度分析

用不同釬料釬焊后接頭的維氏硬度分布如圖1所示。為了便于比較高銀含量釬料的性能，把含銀質(zhì)量分數(shù)50%的另兩種釬料5081、BAg612也重復(fù)標在圖1c上，統(tǒng)一以50Ag釬料來表示。未加熱時，75Ni8排鋸鋼的最高維氏硬度為4 468.91 MPa。

(a)三元釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

(b)四元釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

(c)50Ag釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

從圖1可以看出：排鋸鋼母材經(jīng)釬焊后熱影響區(qū)寬度均在20 mm左右，與釬料種類無關(guān)；距釬縫中心越近的區(qū)域，母材的維氏硬度越低，距離越遠的區(qū)域，母材的維氏硬度越高。原因是：當(dāng)溫度超過600 ℃時，排鋸鋼基體會發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，維氏硬度下降。離釬縫距離越近的區(qū)域，受到的熱作用時間越長，再結(jié)晶現(xiàn)象越顯著；離釬縫距離較遠的區(qū)域，受熱作用的時間短，晶粒并無明顯長大，維氏硬度接近于原始母材。

對比三元釬料釬焊接頭的維氏硬度(圖1a)發(fā)現(xiàn)：CT643熱影響區(qū)內(nèi)的維氏硬度比5081上升快，說明隨著銀含量的升高，釬縫兩側(cè)母材的維氏硬度上升變得平緩。這是因為隨著釬料中銀含量的降低，銅元素所占的比例增大，釬料的熔化溫度升高，加熱時間變長，熱影響區(qū)變寬，維氏硬度變化顯著。同樣的現(xiàn)象可以從四元合金釬料CT737和BAg612的維氏硬度分布圖中觀察出來(圖1b)。三明治釬料HL861釬縫區(qū)的維氏硬度最低(圖1c)，為603.68 MPa。同時對比50Ag釬料5081、BAg612和HL861(圖1c)時發(fā)現(xiàn)：三明治釬料HL861維氏硬度上升趨勢整體在5081和BAg612之下，三明治釬料HL861維氏硬度上升更為平穩(wěn)，分析為三明治釬料的受熱時間較其他兩種釬料長，晶粒長大明顯，維氏硬度下降較快。

2.3 顯微組織分析

排鋸鋼75Ni8的碳質(zhì)量分數(shù)為0.72%～0.78%，接近于共析鋼(碳質(zhì)量分數(shù)0.77%)，后者的金相組織為珠光體；碳質(zhì)量分數(shù)低于0.77%時，金相組織表現(xiàn)為大量的珠光體加少量的鐵素體[9-10]。75Ni8排鋸鋼經(jīng)7種釬料釬焊后釬縫金相組織形貌圖如圖2所示。

圖2a為排鋸鋼未釬焊的金相組織，晶粒較細小且分布均勻；圖2b～圖2h為7種釬料釬焊接頭腐蝕后的金相組織圖。從圖2b～圖2h可以看出：在釬縫兩側(cè)的母材區(qū)域都有黑白相間的金相組織，這是碳化物析出。其原因在于：當(dāng)溫度在350～550 ℃之間(低于珠光體形成溫度)時，基體發(fā)生回火，馬氏體分解成鐵素體和回火屈氏體[11-12]；離釬縫越近的區(qū)域，母材晶粒越粗大。這是因為離釬縫越近的母材，在釬焊過程中受熱影響時間就越長，升溫速度越快。當(dāng)受熱溫度超過600 ℃(超過共析鋼回火溫度)時，在冷卻時會發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒長大明顯；離釬縫較遠的區(qū)域受熱影響的時間較短，晶粒長大不明顯[13-14]。圖2b中CT643釬料釬焊接頭兩側(cè)的白色組織分布較為集中，這是由于釬焊時受熱時間較長，組織轉(zhuǎn)變明顯，碳化物析出變多的緣故。而相對釬焊溫度較低的HL303和5081，釬焊后的金相組織轉(zhuǎn)變不明顯，組織分布較均勻(圖2c、圖2d所示)。圖2h中的三明治釬料HL861因含有中間層夾層，較其他釬料的釬縫寬，釬焊加熱速度較快，釬縫兩側(cè)的白色晶粒狀碳化物析出不多，組織相對均勻。因此，三明治釬料在釬焊過程中受熱的影響不大，更適合作為排鋸刀頭釬焊的首選材料。

(a)75Ni8未釬焊(b)CT643釬焊接頭(c)HL303釬焊接頭(d)5081釬焊接頭(e)CT737釬焊接頭(f)HL312釬焊接頭(g)BAg612釬焊接頭(h)HL861釬焊接頭圖2 75Ni8及經(jīng)7種釬料釬焊后金相組織形貌圖

3 結(jié)論

(1)75Ni8排鋸鋼在釬焊過程中受熱影響的作用較大，當(dāng)加熱時間變長，溫度超過600℃時，排鋸鋼基體發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒長大，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w。

(2)三明治釬料HL861釬焊接頭的平均剪切強度值最高，沖擊韌性適中，其獨有的中間層夾層既有適度的剛度又能起到緩沖應(yīng)力的作用，適合作為大理石排鋸刀頭的釬焊材料。

[1] 侯建華. 石材機械與工具使用手冊 [M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

HOU Jianhua. Handbook for the use of stone machinery and tools [M]. Beijing: Chemical Industry Press,2008.

[2] 譚金華. 國內(nèi)外金剛石框架鋸的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 石材，2004(10)：29-31.

TAN Jinhua. The recent situation and development trend of diamond frame saw machine for working stones at home and abroad [J]. Stone,2004(10):29-31.

[3] 陳冀渝， 王成勇， 張強. 高強度結(jié)合刀頭的設(shè)計 [J]. 石材，2016(4):14-15.

CHEN Jiyu, WANG Chengyong, ZHANG Qiang. Design of high bond strength cutter head [J]. Stone,2016(4):14-15.

[4] 項東, 劉科高, 許斌. 金剛石鋸片刀頭的制備及顯微組織和性能分析 [J]. 金剛石與磨料磨具工程,2003(3):56-58.

XIANG Dong, LIU Kegao, XU Bin. Analysis on the microstructure and performances of diamond saw segments [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2003(3):56-58.

[5] 龍偉民， 曾大本， 朱坤. 金剛石鋸片焊接技術(shù)的研究 [J]. 金剛石與磨料磨具工程，2002(3):27-31.

LONG Weimin, ZENG Daben, ZHU Kun. Study on the welding technology of diamond saw blade [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2002(3):27-31.

[6] 張紹和， 胡郁樂. 金剛石與金剛石工具 [M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社，2005.

ZHANG Shaohe, HU Yule. Diamond and diamond tools [M]. Changsha: Central South University Press,2005.

[7] 路全斌, 龍偉民, 于新泉. 緩沖層添加方式對鋼/銀基釬料釬焊接頭的影響 [ J]. 電焊機,2015(12):37-39.

LU Quanbin, LONG Weimin, YU Xinquan. Influence of buffer layer inserting methods on steel/silver-based filler metal brazing joints [J]. Electric Welding Machine,2015(12):37-39.

[8] 王華. 金剛石排鋸的鋸切原理分析 [J]. 石材,2012(8):10-14.

WANG Hua. Analysis of sawing principle of diamond row saw [J]. Stone,2012(8):10-14.

[9] 王秦生, 宋誠, 左宏森. 金剛石鋸片使用性能影響因素系統(tǒng)分析 [J]. 金剛石與磨料磨具工程,2001(5):40-44.

WANG Qinsheng, SONG Cheng, ZUO Hongsen. Influencing factors on the cutting performances of diamond saw blade [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2001(5):40-44.

[10] 樊雄. 高碳珠光體鋼形變后的微觀組織及力學(xué)性能研究 [J]. 鑄造技術(shù),2014(2):247-249.

FAN Xiong. Microstructure and mechanical properties of high-carbon pearlite steel after deformation [J]. Casting Technology,2014(2):247-249.

[11] 鄭成思, 李龍飛. 形變-球化退火共析鋼的組織和性能 [J]. 金屬熱處理,2015,40(1) :31-34.

ZHENG Chengsi, LI Longfei. Microstructure and properties of deformed spheroidizing eutectoid steel [J]. Heat Treatment of Metals,2015,40(1):31-34.

[12] 王立民, 彭夢都, 劉正東, 等. 熱處理工藝對45CrMoV鋼組織和沖擊韌性的影響 [J]. 材料熱處理學(xué)報,2015(2) :53-57.

WANG Limin, PENG Mengdu, LIU Zhengdong, et al. Effect of heat treatment on microstructure and impact toughness of45CrMoV steel [J]. Transactions of Materials and Heat Treatment,2015(2):53-57.

[13] LEE J H, LEE C H, 鄭魯勛, 等. 采用Ag-Cu-Zn-Cd焊料焊接燒結(jié)刀頭與低碳鋼的焊接特性 [J]. 金剛石與磨料磨具工程,2001(3):30-33.

LEE J H, LEE C H, ZHENG Luxun, et al. Brazing characteristics betwen sintered segment and mild steel using Ag-Cu-Zn-Cd filler [J]. Diamond & Abrasives Engineering,2001(3):30-33.

[14] 羅錫裕, 徐燕軍, 張廣寧, 等. 金剛石鋸片焊接部位的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能 [J]. 粉末冶金工業(yè),2016,26(6):1-7.

LUO Xiyu, XU Yanjun, ZHANG Guangning, et al. Microstructure and mechanical properties of welding zones of diamond saw blade [J]. Powder Metallurgy Industry,2016,26(6):1-7.