国内外捣镐表面硬质合金覆层钎焊接头组织及性能对比分析.pdf

40机车车辆工艺试验检测第4 期2 0 2 3年8 月文章编号：1 0 0 7-6 0 34（2 0 2 3）0 4-0 0 4 0-0 3D0I:10.14032/j.issn.1007-6034.2023.04.011国内外捣镐表面硬质合金覆层钎焊接头组织及性能对比分析高华，程志1 2，李炎秋，张小军，陈春焕（1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州2 1 30 0 1；2.大连交通大学，辽宁大连1 1 6 0 2 1）摘要：文章对国内外捣镐表面硬质合金覆层针焊接头组织及性能进行了对比分析，采用光镜（O M）分析、扫描电镜（SEM）结合能谱分析（EDS）对不同接头的金相微观组织进行了对比，并重点对国内样品组织结构进行了成分分析，探讨了接头形成机制；采用剪切试验对比了不同样品的接头抗剪切强度，并通过对断裂路径的观察分析了接头剪切断裂机理。结果表明，国内样品在保证接头厚度一致性上已达到与国外样品一致水平，接头针缝平均厚度约为9 1.9 1 m。国内外接头均难以避免地出现少量气孔。国内样品接头主要由硬质合金/针缝、钎缝、钢/针缝3个典型区域组成，针缝主要由Ag基固溶体基体及分布于其上的岛状Cu基固溶体组成。硬质合金/针缝、钢/针缝界面均由层状的Cu基固溶体组成。国内捣镐接头平均抗剪切强度（2 1 8.2 MPa）高于国外接头平均抗剪切强度（1 8 7.3MPa），且接头基本都断裂于硬质合金/针缝界面。关键词：捣固装置；捣镐；硬质合金/钢；钎焊；接头；微观组织；剪切强度中图分类号：U273文献标识码：B随着重载列车的发展及铁路里程的持续增加，铁路养护已成为保障列车行驶安全的关键一环。随着大型自动化养护机械成一一捣固车的出现，养护效率显著提高。捣镐（又称捣固镐）作为捣固装置的关键工作工具，其使用性能及寿命直接影响着养护车的养护效率及质量。捣固装置及捣镐如图1 所示。捣镐的主要工作部位是表面包覆的耐磨层，耐磨层的磨损和脱落是其主要失效形式，延长捣镐使用寿命的关键是提高表面的耐磨性2 1 。目前，捣镐的镐掌、镐背及镐尖均采用包覆硬质合金来提高耐磨性。因此，硬质合金与钢的钎焊质量是决定捣镐使用寿命的关键因素3(a)(b)(a)捣固装置(b)捣镐图1捣固装置及捣镐收稿日期：2 0 2 3-0 2-1 0作者简介：高华（1 9 7 8 一），男，高级工程师，本科。当前研究人员已对硬质合金/钢不同钎焊工艺进行了大量研究，包括真空钎焊4-6 、高频钎焊2.7.等。而为了保证钎料异种金属母材表面的铺展润湿性，所采用的钎料多为Ag基钎料3.9 。但国内外捣镐由于制造工艺不同所得性能仍存在较大差异，因此，本文通过对国内外不同捣镐表面硬质合金/钢钎焊样品的宏观形貌、微观组织、化学成分、力学性能进行了检测，对当前国内外不同捣镐表面硬质合金/钢针焊接头制造水平进行了对比分析。1国内外捣镐钎焊接头宏观形貌对比首先采用光镜对国内外捣镐硬质合金/钢钎焊接头宏观形貌及微观组织进行了显微观察。如图2（a）所示，国外硬质合金/钢钎缝厚度均匀，钎缝厚度约为8 8.7 1 m。从捣镐实际表面结构来看，捣镐表面硬质合金片面积较大，钎缝的厚度一致说明焊接过程中压力保持较为均匀。国内制样品典型区域接头宏观形貌如图3（a）所示，相较于国外样品，国内样品钎缝厚度同样较为均匀，焊接过程对压力均匀性上控制性优异，且钎缝厚度基本与国外样品一致，约为9 1.9 1 m。此外，国内外样品钎缝均发现了一定数量的气孔，并随机分布于各个区域。表明采用钎焊对硬质合金与钢进行连接，在大连接面积41高国内外捣镐表面硬质合金覆层针焊接头组织及性能对比分析华，程志，李炎秋，等条件下，气孔的产生不可避免。而气孔的产生也主要与焊接过程中针剂保护作用下产生的气体难以排出有关。(b)硬质合金(a)硬质合金气孔钎缝钢钢(a)宏观形貌(b）图（a）放大区域微观组织图2国外制硬质合金/钢钎焊接头国内外捣镐表面硬质合金/钢钎焊接头微观组织形貌分别如图2（b）与图3（b）所示。对比发现，两接头均呈典型的钎焊特征，硬质合金与钢母材基本保持原始的固态平直状态，钎缝主要由液态填充材料组成。对硬质合金侧母材及钢侧母材观察发现，未发现显著的退化层（硬质合金侧）与受热影响区（钢侧）。分析主要是由于当前市场上均采用Ag基钎料，连接温度较低，两母材焊接过程中受热程度较低，元素扩散受到抑制。而由于采用Ag基钎料，钎缝区域组织主要为Ag基固溶体及其上均勾分布的Cu基固溶体组织,与相关研究结果一致1 0)O(b)硬质合金(a)硬质合金(a)宏观形貌(b）图(a）放大区域微观组织图3国内制硬质合金/钢钎焊接头2国内捣镐钎焊接头微观组织分析为了分析接头物相组成，对国内捣镐钎焊接头典型区域的微观组织进行了SEM观察并对物相进行了EDS成分分析，结果分别如图4 及表1 所示。如图4（a）所示，根据接头微观组织形貌特征，可以将接头分为3个典型区域，即硬质合金/钎缝界面、钎缝、钢/钎缝界面区域。通过对硬质合金侧界面线扫分布，如图5所示，钎缝与硬质合金的连接主要依靠母材中的C元素与钎料中的Cu、Z n 元素的相互扩散实现。钢侧母材与钎缝的连接主要依靠钢母材中的Fe元素与钎料中的Cu、Z n 与Ni元素的相互扩散实现。结合接头元素点成分分析物相组成，硬质合金/钎缝界面与钢/钎缝界面均形成了一层Cu基固溶体（点3）。因为熔化钎料（Ag-Cu基钎料）中高熔点Cu在冷却过程中首先凝固，固态硬质合金与钢母材表面是良好的形核质点，有利于降低形核过程中所需克服的表面能增加阻力。因此，在硬质合金/钎缝与钢/钎缝界面层均首先出现了一层Cu基固溶体层。(a)便质合金(b)硬质合金针缝钢钎缝T（a）接头整体形貌（b）硬质合金/钎缝界面(c)(d)钎缝针缝钢（c）钎缝（d）钢/钎缝界面图4国内捣镐钎焊接头典型区域的接头微观组织表1界面各点化学元素质量分数%CFeCoNiCuZnAgCdW点117.9578.713.34点262.051.1336.40点320.001.0611.1436.3225.671.25点429.2411.7012.5133.0911.28点519.450.340.6815.7335.05 27.621.12点618.1516.0835.8428.711.21点724.5711.158.8338.4912.73点817.060.8014.18 34.5425.71.06点927.171.2714.7513.7330.2111.03点1 019.682.4010.6637.5428.531.16点1 112.8485.50(a)(b)钢钎缝硬质合金钎缝界面层小界面层1400wMet1200Ca122La121000Aglal8000-40002000(a）硬质合金/钎缝界面(b)钢/钎缝界面图5硬质合金侧界面元素线分布通过EDS分析，钎缝主要由Ag基固溶体（点7）和其上均匀分散分布的Cu基固溶体（点6）组成。随着冷却温度进一步降低，残留在液态钎料中42机车车辆工艺第4 期2 0 2 3年8 月试验检测的Cu由于较高的温度，首先在钎缝中凝固形成岛状Cu基固溶体。当温度降低至Ag的凝固温度时，残余的Ag在进一步冷却过程中凝固，形成基体相。通过面扫分析，如图6 所示，Ag、Cd、C元素的分布具有一致性，而Cu、Z n 与Ni元素的分布具有一致性，这主要与不同元素之间的化学亲和性有关。因此，Ag基固溶体中固溶元素主要包括Cd与C,而Cu基固溶体中固溶元素主要包括Zn与Ni。而Cu基固溶体在Ag基固溶体基体上的分布均匀较为分散，有利于提高接头的钎缝强度】AgLaiZnLa1.2NIKaT10mFeKalCdLalCuLat,2CKa1,2图6国内接头钎缝典型区域元素面分布3国内外捣镐钎焊接头剪切性能对比分析捣镐在实际使用中受力过程极其复杂，除了实际试车试验，还难以采用某种单一检测手段准确评估捣镐在实际使用过程中的寿命。当前研究中，均采用剪切强度对接头的连接性能予以表征。因此，在本工作中，也对国内外典型区域接头进行了剪切试验，对二者的抗剪切强度进行了对比分析，并对二者的断裂路径进行了金相观察，分析了接头的失效形式。图7 为国内外捣镐样品硬质合金/钢钎焊接头不同区域抗剪切强度对比。样品选择方式主要是在国内外捣镐的不同区域取1 0 个相应位置，通过剪切试验测定不同区域抗剪切强度。经检测，国外接头平均抗剪切强度达到1 8 7.3MPa，标准差为4 9.4 2MPa，相应国内接头平均抗剪切强度达到2 1 8.2MPa，标准差为2 2.52 MPa，从接头抗剪切强度来说，国内接头平均抗剪切强度已超过国外样品。且国内样品不同区域接头强度稳定性显著高于国外样品。实际应用表明，该种工艺的捣镐批量使用超过50 0 0把，尚未发生过掉片现象对焊后断裂试样进行了拼接处理，并在光镜下对断裂路径进行了观察，结果如图8 所示。国内外捣镐样品接头断裂方式基本一致，接头主要沿着硬质合金/钎缝界面层与钎缝内部开裂。不难理解，硬质合金、钎缝、钢之间由于存在着较大的热膨胀系数差异，焊后会在界面出存在较大的残余应力，在剪切过程中，界面两边组织性能的不匹配与较大的残余应力，使得接头首先在硬质合金/钎缝界面开裂，并沿钎缝扩展。3002525023821320921520420015010050012345678910(a)国内样品300247422502201208932007815315004161005001234567 8910(b)国外样品图7国内外样品不同区域接头抗剪切强度对比硬质合金锅图：国外样品钎焊接头断裂路径(b)硬质合金欢大区图9国内样品针焊接头断裂路径4结论本研究对国内外捣镐典型区域硬质合金/钢钎焊接头组织、性能进行了对比，并重点分析了国内样品钎焊接头的微观组织形貌及物相组成。结果表明，国内样品在接头厚度均匀性上与国外样品基本一致，接头钎缝平均厚度约为9 1.9 1 m。国内外接头钎缝均难以避免出现少量气孔。国内样品接头主要由硬质合金/钎缝、钎缝、钢/钎缝3个典型区域组成，钎缝主要由Ag基固溶体及均勾分散分布于其上的岛状Cu基固溶体组成。硬质合金/钎缝与钢/钎缝界面均由层状的Cu基固溶体组成。国内捣镐（下转第4 8 页）48上接第4 2 页）机车车辆工艺第4 期2 0 2 3年8 月试验检测集，选取落车初始、落车后1 2 h、落车后5天、试车线动调后4 天、空载正线动调后5天、首次上线运营、运营后1 周、运营后1 个月、直至6 个月（6 万km）的实时数据。考虑到车辆载荷会对高度值产生影响，故对各个转向架轴箱的高度计算平均值。拖车和动车转向架轴箱高度（平均值）的变化曲线如图13所示。/8844拖车一架拖车二架动车一架动车二架图1 3轴箱高度变化曲线图根据转向架高度变化曲线图可以看出，自落车初始到上线运营6 个月以来，转向架国产化轴箱高度值呈现一致的变化规律。根据蠕变的特点，一般蠕变的2/3发生在运行后的前6 个月，按此推测，国产轴箱弹簧的蠕变能够满足原始技术规范要求。4结论（1）基于国产化方案，依据产品的技术规范和接头平均抗剪切强度（2 1 8.2 MPa）高于国外接头平均抗剪切强度（1 8 7.3MPa），且接头基本都断裂于硬质合金/针缝界面。从平均抗剪切强度及强度稳定性来说，国内捣镐表面硬质合金/钢钎焊接头已超过国外同类样品参考文献：1 王军勇，王海龙.YG8硬质合金与0 Cr13不锈钢的真空钎焊J热加工工艺，2 0 0 8,37（2 3）：8 9=9 2.2】朱子钊，马源.YC8硬质合金和低碳钢的高频感应钎焊研究J .中国金属通报，2 0 2 1（1 9）：8 0-8 1.3高泽，刘博，郑立彦，等.硬质合金与结构钢钎焊结构低温力学性能试验J.南京航空航天大学学报，2 0 2 2,54（3）：4 0 4-4 1 0.【4 杨静.钎焊工艺对硬质合金刀头与钢异种材料接头性能的影响J .热加工工艺,2 0 1 6,4 5（1 3）：2 36-2 38，2 4 1.5】李充.YG6X硬质合金与4 0 Cr钢钎焊工艺及界面组织研究D.相关标准进行替代的国产化轴箱弹簧，其性能参数、外形及安装尺寸均符合原车技术要求。（2）根据行业要求和试验大纲对国产化产品进行了型式试验、转向架静载试验、装车试验，结果表明，国产化轴箱弹簧的各项性能均能满足B，型地铁车辆轴箱弹簧装车运行要求。（3）经过6 个月的装车运行指标，国产化轴箱弹簧各项数据均符合技术规范，运行状态良好，国产化产品能够与原车产品互换使用。国产化轴箱弹簧已经运行6 个月左右，产品各项指标正常。B2型转向架平台轴箱弹簧的国产化为以后轴箱弹簧等关键部件进行国产化提供了一定的经验，同时为在其他领域的弹性元件实现国产化提供了一定的依据。参考文献：1王进，缪惠勇，彭立群机车车辆用轴箱弹簧J.铁道机车车辆,2 0 0 8,2 8(6):4 0-4 2.2董磊，李国栋，田志刚.一系簧圆锥叠层橡胶弹簧试验研究J。铁道车辆，2 0 1 1,4 9（2）：8-1 0.【3】缪惠勇，王明星轨道车辆用金属橡胶复合轴箱弹簧的蠕变J .特种橡胶制品，2 0 1 1,32（5）：54-56.【4】胡彦广州地铁四号线车辆称重调簧计算分析J.地铁轻轨，2012(3):25-26.【5薄金庆，刘慧慧.北京地铁5号线轴箱橡胶弹簧国产化应用研究J .机械工程师，2 0 1 6（5）：2 0 0-2 0 1.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 1 5.6吕扬.YC20C硬质合金与1 6 Mn钢真空钎焊工艺研究D.徐州：中国矿业大学材料，2 0 1 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