金属切削刀具的钎焊技术介绍

在钎焊类硬质合金金属切削刀具的制造中，刀片的钎焊是最重要的工序。钎焊裂纹和磨削裂纹导致硬质合金刀具报废是影响产品质量、增加生产成本的主要原因。正确掌握刀片钎焊工艺、对钎焊工序给予足够的重视，可以改善和提高钎焊质量、减少刀具废品、延长刀具的使用寿命。

硬质合金金属切削刀具的钎焊有其自身的特点：刀片定位主要靠经验；容易产生钎焊裂纹（尤其是TiC类刀片）；钎焊工艺差异大，电阻钎焊、感应钎焊、火焰钎焊及焦炭炉钎焊比较常见。

车刀、刨刀、铣刀是硬质合金切削刀具的典型，这类刀具的共同特点是刀片和基体在钎焊过程中是自由的，甚至操作工人有意错动刀片来排除焊渣。刀片的最终位置主要靠工人目测定位，部分刀具留有工艺墙定位以提高生产效率。

由于钢基体和硬质合金的线胀系数不同，若钎焊工艺不合理，就会导致硬质合金片产生钎焊裂纹。从表11-1所列的数据可以看出，YG类合金的热导率及线胀系数与常用基体材料较相近，因而钎焊性能较好；而YT、YW类合金的热导率及线胀系数仅为基体材料的三分之一。因此，钎焊时加热或冷却速度过快，就容易使刀片与刀体、刀片表面与刀片内部的温差增大，从而导致膨胀或收缩应力过大，使刀片产生裂纹。刀片规格越大，这种现象就愈严重。

硬质合金上的钎焊裂纹，是热应力过大引起的。在快速加热或冷却过程中，由于硬质合金本身内外温度差异，使得加热过程内部产生拉应力，冷却过程外部产生拉应力。另一方面，在钎焊完成后，钎料凝固，刀具开始冷却，由于钢的线胀系数是硬质合金的2～3倍，在钢与硬质合金上产生不同的收缩。逐渐收缩的结果，在硬质合金上就产生拉应力和压应力，在拉应力超过硬质合金的抗拉强度部位，硬质合金刀片就会产生裂纹。

减少这类热应力裂纹的主要措施有两种：其一是预热并缓慢加热、缓慢冷却；其二是采用三明治钎料，一般推荐使用的非熔化层厚度为0.13～0.25mm，钎料层厚度为0.13～0.18mm。

感应钎焊和电阻钎焊有生产效率高的优点，但是对于TiC含量高的刀片容易产生裂纹。火焰钎焊和炉中钎焊可以避免裂纹产生，但生产效率较低，尤其是硬质合金在空气中长时间保持在950～1100℃时，就会发生剧烈氧化，所形成的氧化薄膜存在许多孔隙而使合金变脆，从而降低合金的力学性能。在采用这些工艺时，必须添加足够多的钎剂。

在金属切削刀具中，单刃刀具的钎焊相对简单；多刃刀具的钎焊可以采用单个刀齿钎焊或整体加热钎焊，整体加热的精度易保证，但是技术复杂。

1.单刃刀具的钎焊

单刃刀具大都是中、小型刀具，如车刀、刨刀、插刀等。这类刀具的钎焊大多采用火焰钎焊、高频钎焊、电阻钎焊等方法，将硬质合金刀片钎焊于基体上。在钎焊前，应做好刀杆和硬合金钎焊表面的清理、预置钎剂和钎料及刀片的装配、定位等准备工作。

火焰钎焊通常使用氧乙炔焰，其设备简单，操作方便灵活，应用十分广泛。硬质合金刀具的火焰钎焊大多是手工操作。在钎焊时，应将火焰调节为弱碳化焰，以防止硬质合金在高温下的氧化和脱碳。钎焊操作时，应先加热刀具基体，当钎剂开始熔化后，再将火焰移到硬质合金刀片上加热达到钎焊温度。钎料熔化后，可以稍为拨动刀片，以排除熔渣和气体，促使钎料充分润湿、填充钎缝。钎焊完成后，应将工件立即放入石棉粉或石灰粉箱中保温缓冷，或移放于250～350℃的炉中，保温6h，进行低温回火，消除接头中的残余应力。

高频钎焊具有较高的加热效率，钎焊温度易于控制，操作方便。高频钎焊设备有两大类：传统的GP系列产品，采用真空电子管产生高频振荡电流，频率在460～1000kHz之间；新型的感应加热设备，是采用IGBT大功率场效应管的逆变技术振荡电流，电流频率可以在1～20kHz（中频）、20～80kHz（超声频）和100～700 kHz（高频）几个范围内，以适应不同工艺的要求。高频钎焊时，需根据刀具形状、大小设计相应的感应器。它是一单匝或多匝由纯铜管制成的线圈，纯铜管中通水冷却。在设计感应器时，为了防止硬质合金刀片过热，并使钢基体能与刀片同时达到钎焊温度，应使刀具中的感应电流发热区主要集中于钢基体钎焊部位，刀具与线圈间保持3～4mm间隙，如图11-3a所示。为了使热量分布均匀，有时可以在线圈上附加铜导电片，如图11-3b，c所示。

对于截面较大的刀具，则应采用多匝线圈，如图11-4所示。在大批量生产时，可以利用传送带或旋转工作台，将刀具连续通过特制的感应器，顺序完成预热、钎焊和缓冷等工序，如图11-5所示。高频钎焊时的主要规范参数是加热功率和加热时间，它们应根据刀具尺寸通过试验来确定。对于尺寸较大的刀具，应采用较大加热功率和较长的加热时间，但其升温速度不宜太快，以保证刀具的均匀加热。

图11-3 感应圈与刀具的位置 Fig.11-3 The position of inductor in the cutting tool during brazing

图11-4 钎焊大截面刀具的多匝感应圈 Fig.11-4 Multicoil inductor for brazing cutting-tips with large section

图11-5 自动化连续感应钎焊刀具装置示意图 Fig.11-5 Schematic illustration of the automatic consecutive induction brazing equipment for cutting-tools

2.多刃刀具的钎焊

多刃刀具，如铣刀、滚齿刀等的特点是具有复杂的形状和很高的精度要求。这类刀具一般采取整体加热钎焊方式，避免采用逐齿钎焊而造成刀具变形。对于较小型的多刃刀具可以采用高频钎焊，例如，图11-6所示为一种圆盘铣刀的高频钎焊示意图。其感应器的设计可以使刀盘充分均匀加热，而不致使硬质合金片刀齿部分过热。(https://www.xing528.com)

图11-6 圆盘铣刀的高频钎焊示意图 Fig.11-6 Schematic illustration of induction brazing of a milling cutter

1—感应圈 2—铣刀 3—石棉板

对于较大的多刃刀具则宜采用炉中钎焊。例如，为加工1700m轧钢机上的人字齿轮轴，要求制造模数为31.174的大模数滚齿刀。这种滚齿刀外形尺寸为φ300mm×360mm，质量达70kg。刀体材料为9CrSi合金钢。沿圆周上共8排齿，每排有三个切削齿，共由48片YG8硬质合金片拼成。单片硬质合金的钎焊面积为1200mm²。这种滚齿刀，模数大，制造精度要求极高，由西安航空发动机有限公司与中信重工机械股份有限公司共同研制，采用了真空钎焊工艺。所用钎料为非晶态Ni82.5Cr7Si4.5B3Fe3钎料，其钎焊温度比铜基钎料低80～100℃，可以避免高温对硬质合金的损伤，同时减小了热应力。设计制造了专门的夹具，以保证硬质合金片的装配定位精度，并可以在钎焊过程中对合金片加一定压力。为防止钎焊裂纹，在钎缝中加入了青铜补偿片，其厚度为0.2mm。用上述工艺钎焊后的滚齿刀，用于加工M31.174精轧人字齿轮轴的情况证明，钎焊完全取得了成功^[14]。

电阻钎焊也是钎焊单刃刀具常用的方法。图11-7所示为电阻钎焊刀具示意图。它利用水冷却的铜电极将电源变压器输出的低电压、大电流引入刀杆，使钎焊部位加热。其加热区主要是在电极所接触的部位，但随着通过电流时间延长，刀杆上的温度分布趋于均匀化，如图11-8所示。硬质合金切削刀具钎焊的主要技术要求有：钎缝应有足够的强度，以保证刀具的大切削用量和大切削力；硬质合金片上不允许有裂纹，任何裂纹的存在，都会降低刀具的切削性能，甚至使刀具报废；刀具中的残余应力尽量小，残余应力是潜在的缺欠，经常在刀具刃磨、保管和使用过程中表现出来，轻者会使刀片产生裂纹，重者造成刀具报废。

图11-7 电阻钎焊刀具示意图 Fig.11-7 Schematic illustration of resistance brazing of cutting tools

图11-8 电阻钎焊时刀杆上温度分布与通电时间的关系 Fig.11-8 Temperature distribution dependence of cutting-tool on operating time during resistance brazing

硬质合金金属切削刀具的常规钎焊工艺如下：

1）彻底清理基体和刀片。硬质合金片喷砂处理；进一步清除合金片的飞边；用46～60目碳化硅砂轮或抛光轮将基体钎焊表面的氧化膜打掉；刀杆、刀片和钎料进行清洗脱脂处理。

2）添加钎料、钎剂。正确地选择钎料、钎剂；然后将钎剂煮成糊状；再将钎剂涂抹到基体、钎料和刀片表面；最后将钎料放置于基体和刀片之间；钎焊过程随时补加钎剂。

3）加热及均热。钎焊时，首先加热基体底部，也就是不要直接加热刀头部位；缓慢加热、均热，不要快速加热，以防止热裂；当钎料开始熔化并能自由流动时，停止加热，钎料流动不畅时，继续加热，如此反复几次，期间可以错动刀片。在钎焊过程中，在轻轻错动刀片的同时，可以去除钎焊部位的黏结物等焊渣，并不加钎料、钎剂；加热温度不宜过高，否则将引发钎料蒸发和氧化。

4）缓冷。刀具钎焊后，在生石灰、云母粉、石棉粉或类似的保温材料中缓慢冷却，也可放置于保温箱中去应力退火；严禁风冷或水冷，否则会使硬质合金片产生裂纹。

5）清渣。刀具在缓冷到室温后，用喷砂等工艺清除焊渣等污物；检验有无钎焊缺欠；合格刀具可以进行刃磨。

硬质合金金属切削刀具钎焊质量的检查要点如下：

钎焊好的刀具经喷砂处理后，检查合金片在基体上的位置是否正确，钎缝边沿有无夹渣和气孔现象，刀片有无裂纹。

用碳化硅砂轮将刀具后面初步刃磨后检查钎缝质量：刀尖部分不允许有假焊，其余部分假焊长度不得超过钎缝总长度的8%；普通钎料的钎缝厚度在0.05～0.15mm之间，三明治钎料的钎缝厚度在0.2～0.3mm之间。

粗磨后，对刀具的钎缝强度进行抽检，主要检测抗剪强度。钎焊强度检查，可用扭力扳手或专用试验机检查。硬质合金刀具上的刀片裂纹可采取荧光检查；不具备荧光检测的条件时，可采用煤油痕迹检查。

表11-10列出了硬质合金金属切削刀具钎焊过程中常见的缺欠、原因和解决措施。