CN100441363C - 一种陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料及其制备方法。焊料含有Ni、Nb和Cu,其中,Nb为20-25wt%,Cu为30-40wt%,余量为Ni。先将镍锭在真空感应炉中加热升温到1500-1550℃,待镍锭完全融化后,再加入铌锭,保温使铌完全溶解到镍液中;再将Ni-Nb液态合金的温度降低到1400-1450℃,再加入铜锭,保温至铜完全溶解到Ni-Nb液态合金中,使其成分均匀,再将合金熔液温度降低到1300-1350℃,最后成形加工。采用本发明进行陶瓷与钢的钎焊,可以获得高的接头强度,耐热性能和高温使用性能,适合于在高温下使用的陶瓷刀具、钻井用钻头、凿岩机钻头等工具的连接。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,涉及一种高温工作陶瓷工具用钎焊料,特别适用于碳、氮化物陶瓷与钢焊接。
背景技术
目前国际上陶瓷与钢焊接的方法一般有两种,一种是陶瓷表面金属化(所谓MnMo法),然后再与金属钎焊。另一种为采用活性钎料直接钎焊。1980年以后,陶瓷与金属结构件的钎焊大多采用活性钎料。所用钎料为银-铜-钛系列合金。银-铜-钛系列钎焊料的特点是:熔点比较低950-1050℃,对陶瓷的润湿能力强,室温钎焊接头的强度高。但价格贵(150元/Kg),钎焊接头高温强度比较低(<200MPa)。因此,当钎焊需要在高温环境下工作的陶瓷工具时,会导致成本高,使用寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料,该焊料熔点较高,高温强度高、成本低,钎焊接头使用寿命长;本发明还提供了该焊料的制备方法。
本发明提供的一种陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料,含有Ni、Nb和Cu,其中,Nb为20-25wt%,Cu为30-40wt%,余量为Ni。
上述陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料的制备方法包括以下步骤为
(1)将镍锭在真空感应炉中加热升温到1500-1550℃;
(2)待镍锭完全熔化后,再加入铌锭,保温使铌完全溶解到镍液中;
(3)将上述Ni-Nb液态合金的温度降低到1400-1450℃,再加入铜锭,保温至铜完全溶解到Ni-Nb液态合金中,使其成分均匀,再将合金熔液温度降低到1300-1350℃;
(4)进行成形加工。
本发明焊料的熔点温度1100-1200℃,钎焊缝性能良好。对碳化物、氮化物和碳氮化物陶瓷与钢的接头可直接进行钎焊,能良好地润湿这些陶瓷,并与钢形成冶金结合。钎焊缝成形性好,表面光洁。采用本发明进行钎焊,其接头具有较高的机械性能,钎焊接头在600℃下的抗弯强度可达900-1200MPa,同时抗氧化性能优良。在800℃使用的条件下,钎焊缝无氧化现象。本发明特别适用于在高温下使用的碳、氮化物陶瓷与钢的连接结构,比如在干态下的高速切削工具。
附图说明
图1为界面靠近Ti(C,N)侧的组织形貌和成分分析结果图。
具体实施方式
本发明是以Ni为基体,含有Cu和Nb的合金钎焊料,其中,Cu为30-40wt%,Nb为20-25wt%,余量为Ni。合金元素的主要作用如下:加入30-40wt%Cu是为了降低熔点,改善塑性和韧性。加入20-25wt%Nb是为了进一步降低熔点,提高钎料的润湿能力,降低金属与陶瓷的热膨胀系数差,同时提高高温强度。
本发明的制备方法如下:
(1)将镍锭在真空感应炉中缓慢加热升温到1500-1550℃;
(2)待镍锭完全熔化后,再加入铌锭,保温使铌完全溶解到镍液中;
(3)将上述Ni-Nb液态合金的温度降低到1400-1450℃,再加入铜锭,保温至铜完全溶解到Ni-Nb液态合金中,使其成分均匀,再将合金熔液温度降低到1300-1350℃;
(4)进行成形加工,得到所需形状的焊料。
可以采用制粉、拉丝、轧板等方式进行加工成形。制粉时,用氩气雾化法,采用高压氩气将金属液体雾化为细小的粉末,收集、冷却、过筛为粒度小于150目的粉末焊料。铸锭时,采用铸铁锭模铸造成锭。拉丝或轧板时,将铸锭在800-1000℃时进行锻造,获得棒料或方坯;然后在950℃进行固溶处理,使Ni3Nb固溶到Ni-Cu固溶体中,获得良好的塑性;最后在室温下进行拉丝或轧板;拉丝直径为0.5-2mm,轧板厚度0.1-1mm。
实施例1:
以30wt%Cu、20wt%Nb、余为Ni的成分备料,在真空感应炉中冶炼,熔炼时,先将镍锭加热到1500℃熔化(称之为“熔化温度”),再加入铌锭,待铌锭化清后,将温度降低到1400℃(称之为“加铜温度”),再将铜锭加入Ni-Nb液态合金中,保温至铜完全溶解到Ni-Nb液态合金中,使其成分均匀,再将合金熔液温度降低到1300℃(称之为“浇铸温度”),然后浇注为100×100×200mm3的铸锭。将铸锭加热到800-1000℃后用120吨空气锤进行镦粗和拔长,最后制成10×50×400mm3的板坯10块。将板坯加热到950℃保温30min,快速油中冷却进行固溶处理,随后制成0.5mm厚的板状钎焊料,钎接Ti(C,N)陶瓷与45钢,焊前将待焊面抛光呈镜面,并用30-40%HCl水溶液清洗,再用丙酮进一步清洗,烘干后,在冷壁真空炉中直接进行钎焊。钎焊规范为:真空度10-4乇,加热温度1250℃,保温15分钟,炉冷。所得的钎接接头具有良好的机械性能,室温抗弯强度为1800-1900MPa,600℃下抗弯强度为1100-1200MPa,钎焊缝平整,无氧化现象。界面获得良好的组织过渡如图1所示,靠近Ti(C,N)一侧为(Ti,Nb)(C,N)/Nb7(Ni,Cu)6,靠近钢一侧为(Fe,Ni)/NiCu/Ni8Nb,这样使热膨胀系数从钢一侧的15×10-6/℃,降低到Ni8Nb为12×10-6/℃,Nb7(Ni,Cu)6为9.5×10-6/℃,(Ti,Nb)(C,N)为8.5×10-6/℃与Ti(C,N)的热膨胀系数相当。
实施例2:
以35wt%Cu、23wt%Nb、余为Ni的成分备料,在真空感应炉中冶炼,冶炼工艺同实施例1,其熔化温度为1530℃、加铜温度为1420℃,浇铸温度为1320℃。随后制成180目的粉末状钎焊料,钎接TiC基陶瓷刀片与40Cr钢,焊前将待焊面抛光呈镜面,并用30-40%HCl水溶液清洗,再用丙酮进一步清洗,烘干后,在冷壁真空炉中直接进行钎焊。钎焊规范同实施例1,所得的钎接接头具有良好的机械性能,室温抗弯强度为1600-1700MPa,600℃下抗弯强度为1000-1100MPa,钎焊缝平整,无氧化现象。
实施例3-6:
按表1所示成分配比,在真空感应炉中冶炼了3种成分的镍基焊料,并制成粉末、丝和薄板,按照实施例1进行铅焊,所得钎接接头的机械性能良好。
表1镍基焊料的成分及工艺性能
Claims (2)
1.一种陶瓷与钢焊接用高温钎焊合金焊料,含有Ni、Nb和Cu,其中,Nb为20-25wt%,Cu为30-40wt%,余量为Ni。
2、权利要求1所述焊料的制备方法:其步骤为:
(1)将镍锭在真空感应炉中加热升温到1500-1550℃;
(2)待镍锭完全融化后,再加入铌锭,保温使铌完全溶解到镍液中;
(3)将上述Ni-Nb液态合金的温度降低到1400-1450℃,再加入铜锭,保温至铜完全溶解到Ni-Nb液态合金中,使其成分均匀,再将合金熔液温度降低到1300-1350℃;
(4)进行成形加工。
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