感應硬質合金釬焊
利用感應技術成功進行硬質合金釬焊
釬焊是將碳化物與鋼材接合的一種行之有效且可靠的方法。碳化鎢（WC）廣泛應用於多種領域，包括切削工具、沖頭、模具以及其他眾多應用。碳化物具有優異的耐磨性，能延長這些各類耐磨及切削工具的使用壽命。
在本文中，我們將探討：
哪些因素會影響碳化物釬焊的成功與否？
有哪些常用於鎢鋼釬焊的典型釬料合金？
碳化鎢（WC），亦稱為硬質合金，是一種透過稱為粉末冶金的製程所製造的複合材料。碳化鎢粉末與黏合劑金屬（通常為鈷或鎳）混合後，在模具中壓製成型，再於爐中燒結。 「硬質」一詞意指在燒結過程中，碳化鎢顆粒被金屬黏結劑包覆並「黏結」在一起，在碳化鎢顆粒與黏結劑之間形成冶金鍵結（WC–Co）。儘管「碳化鎢」與「硬質合金」這兩個術語常被互換使用，但硬質合金產業通常僅將此材料簡稱為「碳化物」。 硬質合金具有高抗壓強度、抗彎曲能力，並能在高溫下維持其硬度值，這項物理特性在金屬切削應用中尤為實用。在其他材料無法持久或會過早失效的應用場合中，它能提供長久的服務壽命[I]。
成功進行碳化鎢釬焊的注意事項
在釬焊硬質合金時，需克服的兩大主要問題包括：控制基材因熱脹冷縮速率不同所產生的應力，以及確保釬料合金能充分潤濕硬質合金。
在加熱與冷卻過程中，母材的熱膨脹與收縮速率通常會高於碳化物。 碳化鎢的熱膨脹係數約為鋼材的 1/3 至 1/2。當釬焊組件冷卻時，碳化物內部可能會產生殘餘應力。為避免產生應力及可能導致的裂紋，建議始終採用緩慢且均勻的方式冷卻碳化物。不建議進行淬火處理，因為基體金屬的急速收縮可能會導致碳化物產生裂紋。
用於硬質合金釬焊的釬料合金選型
碳化鎢難以被潤濕。通常會使用添加少量鎳（Ni）的銀釬焊合金，將碳化物釬焊至鋼材上。當然，碳化物與鋼材都必須保持潔淨，才能讓熔融的釬焊合金完全潤濕接合表面。許多使用者會對碳化物表面進行研磨，以形成適合釬焊的潔淨表面。 研磨還有一個優點，就是能使碳化物的表面形貌趨於平整，這有助於釬焊合金的潤濕與附著。同樣地，鋼製零件也需要進行脫脂和清潔，以去除任何殘留的油脂、油污、灰塵或其他表面污染物。若想進一步了解釬焊的最佳實務，請閱讀這篇文章：《釬焊成功的步驟》。
市售中添加少量鎳（Ni）和錳（Mn）的銀釬料合金，能輕易潤濕硬質合金表面。這些釬料合金通常對碳化鎢具有良好的潤濕性。 建議選用釬焊溫度盡可能低的釬焊填充金屬，以減輕接合處內的殘餘應力。表 1 列出了常用於將碳化物釬焊至鋼材上的常見銀基釬焊合金。如需協助選用釬焊合金，請諮詢您的釬焊合金製造商。
在涉及大型碳化物釬焊的應用中，通常會使用夾層釬焊合金。若無法使用小型碳化物（1/2平方英吋），夾層合金有助於防止碳化物產生裂紋和翹曲。這些三金屬合金是在銅芯兩側包覆釬焊填充材料所製成。 這些合金以 Trimet®、trimetal、tri-foil、plymetal 及 triply 合金等商標名稱販售。
雖然多數討論都圍繞著碳化鎢（WC）的釬焊，但若不提及多晶金剛石（PCD），便有所疏漏。PCD 的釬焊溫度通常會控制在 1382°F（750°C）以下，以避免金剛石性能劣化。 通常，將多晶金剛石鍍層焊接至鋼製基體的製造商，會採用低溫、高銀含量的釬焊填充金屬，例如 BAg-24 釬焊合金。部分製造商則使用不含鎳或錳的釬焊合金，例如 BAg-5，或是熔點較低且對碳化物與鋼材潤濕性較弱的 BAg-7 釬焊合金。
釬焊助焊劑用於防止組件在加熱過程中，待接合表面發生氧化。常見的銀基釬焊合金可搭配「白色」與「黑色」助焊劑使用。釬焊及助焊劑製造商通常建議使用黑色助焊劑，因其添加了硼元素，且在高溫下效果更佳。
感應釬焊是一種非常靈活的硬質合金刀頭接合工藝，特別是在生產環境中。相較於其他常見的加熱方法，感應釬焊具有許多優勢。考慮採用感應加熱的原因包括：
Radyne 能夠根據尺寸與形狀的變化，設計並製造電感器（線圈），以有效率地對零件進行加熱。電感器的形狀以及電感器與零件之間的間隙，會影響電磁場與零件之間的耦合方式。電感線圈的正確形狀與尺寸，對於有效且高效地將碳化物釬焊至鋼材上至關重要。
電感釬焊硬質合金的典型步驟如下：
- 將適當的助焊劑塗抹於已妥善清潔的鋼材表面上
- 將釬焊填充金屬（通常為金屬墊片）放置到位
- 將硬質合金刀頭裝入指定位置，並視情況對硬質合金進行助焊處理及塗覆助焊劑
- 將該組件插入感應線圈內
- 將組件加熱並進行釬焊
- 讓釬焊合金冷卻凝固。
- 應緩慢冷卻碳化物，以盡量減少其開裂現象
部分製造商會使用非導電棒將硬質合金固定到位，以確保硬質合金始終與鋼材保持接觸。將待釬焊區域均勻加熱至關重要。操作人員採用的技術包括：透過調整功率，將鋼材加熱至低於釬焊合金熔點的溫度，使鋼材與硬質合金能均勻受熱。
Radyne電源供應器具備儲存零件「配方」的功能。一旦建立零件加熱曲線，Radyne 感應系統即可儲存該「配方」曲線，確保每次進行元件釬焊時，功率與時間設定皆能保持一致。一般而言，配方可視為一個多步驟的感應加熱流程。 大多數感應加熱的成果都需要非常精確的功率上升曲線、特定時間的功率飽和狀態、間歇性冷卻等。為了滿足您感應加熱應用的各種需求，VersaPower® Xtreme™ 感應電源供應器專為實現精確的計時與功率輸出而設計。一旦建立好釬焊設定檔，這些「配方」即可設定密碼保護。
若需，可為感應釬焊系統配置一套熱控套件。該熱控套件使 Radyne 電源供應器能直接與高溫計連接，以收集溫度數據。電源供應器隨後可利用這些數據即時調整其輸出功率，從而達到操作員指定或預先編程的工單中所要求的溫度及加熱時間。
迄今為止所討論的感應釬焊系統，皆為在開放空氣中進行碳化物釬焊的系統。 Radyne 亦可提供在受控氣氛中釬焊碳化物的系統。受控氣氛釬焊系統採用惰性氣體（例如氮氣或氬氣），可減少所需助焊劑的用量，並可能完全免除對零件進行助焊的步驟。惰性氣體被導入密閉腔室中，持續的氣流會置換其中的氧氣，從而將零件的氧化程度降至最低。
結論
碳化物的釬焊與同種及異種金屬的釬焊有所不同。只要仔細遵循良好的釬焊原則、考量熱脹係數、選用適當的釬焊合金，並進行正確的加熱，便能透過感應加熱實現堅固且可重複的釬焊接頭。 並非所有釬焊應用都適合採用感應加熱。在產量低、產品種類多或工件形狀不規則的情況下，若夾具或線圈設計會極為複雜，由經驗豐富的操作員進行爐內釬焊或噴槍釬焊，可能是更經濟的選擇。然而，對於採用精實製造的企業而言，感應釬焊能提供快速、可控、精確、節能且可重複的釬焊接頭。
作為感應加熱產業的領導者，Radyne 能協助您克服各項挑戰，並充分發揮感應釬焊的優勢。如需進一步了解感應加熱及相關製程的解決方案，請與我們聯繫。
本份關於碳化物釬焊合金的概要，旨在概述當今業界普遍採用的常見做法。由於每項應用皆具獨特性，且最終責任在於各製造商須自行決定其產品的製程及適用性，因此本文件並非旨在提供任何建議。
[i]《設計師的碳化鎢指南》[《設計師的碳化鎢指南》書評]。https://Generalcarbide.com/；General Carbide Corp. https://www.generalcarbide.com/wp-content/uploads/2019/04/GeneralCarbide-Designers_Guide_TungstenCarbide.pdf
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