CN101342626A - 硬质合金重型切削刀具的焊接方法及其银基焊料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬质合金重型切削刀具的焊接方法及其银基焊料，该焊接方法和银基焊料能有效避免焊接过程中产生焊接裂纹，从而确保重型切削刀具的焊接质量。该焊接方法，包括如下步骤：焊接区域表面处理，除去油质、杂质和锈斑，并使焊接面具有一定的粗燥度；在硬质合金刀片、钢质基体焊接面涂放焊剂和银基焊料后，将焊接体一体放入真空加热炉内，焊接体上放置金属块配重；向真空加热炉内充入惰性气体后，加温至600～640℃并保温；降温至280～300℃并保温后，最终降至室温完成焊接。所述银基焊料按重量百分比的组分为Ag 40～50％、Cu 20～30％、Zn18～25％、Sn 1～3％、Ni 1～3％、杂质。

Description

硬质合金重型切削刀具的焊接方法及其银基焊料

技术领域

本发明涉及重型切削刀具，特别涉及重型切削刀具的硬质合金刀片与钢质基体焊接的方法，以及焊接所使用的银基焊料。

背景技术

重型切削刀具用于大型工件的加工，如船用发动机曲轴和大型轧辊等的加工。重型切削刀具通常采用将硬质合金刀片焊接在钢质基体上的生产方法，这种方法不仅可以解决整体合金难以加工的问题，而且可以节约很多昂贵的合金材料。

硬质合金是难溶金属材料(WC，TiC，TaC，NeC)与过渡金属(Co，Ni，Fe)采用粉末冶金的制作工艺而成的具有金属特性的特殊工具材料。它具有高强度、高硬度、高耐磨性、抗化学腐蚀性、热膨胀系数小和高温稳定性等优异的特点，被广泛应用于金属加工刀具、耐磨零件、机械零件、航空航天和油田筑路等方面。正是硬质合金的这些独特的属性，使硬质合金具有难加工和原材料价格高等特点。特别是对于大尺寸和形状复杂的产品，硬质合金更是难以被应用。因此，整体硬质合金材料的应用受到了很大的限制。但是如果利用钢材的易加工性和价格低廉的特点，采用钢质基体与硬质合金刀片焊接的方法生产重型切削刀具，不仅可以大大提该高硬质合金的应用范围，提高产品的寿命，而且可以大幅度地降低成本。目前，对于小尺寸工件的产品，硬质合金与钢基体的焊接基本采用高频和气体焊接方式。这两种焊接方法对小尺寸的产品，具有生产速度快简单易行的优势，但对于大尺寸的工件产品，这两种焊接方法不再适用，而且由于被焊接的产品尺寸大(超过900平方毫米)，在焊接的过程中会出现如下的质量问题：

1.焊接裂纹

由于硬质合金刀片的热膨胀系数为5～7×10^-9与钢质基体的热膨胀系数13×10^-9相差很多，在焊接的过程中由此而产生很大的内应力，工件的尺寸越大产生的内应力就越大，因此焊接后的工件内部产生断裂裂纹。

2.气孔、夹杂和氧化

在焊接的过程中，如果温度过高会造成硬质合金刀片、钢质基体和焊料表面氧化，影响焊接强度，甚至出现假焊的现象。但是如果温度过低，焊料流动性不好，会造成气孔或夹杂。所有这些因素都会造成产品质量下降、寿命降低，甚至可能完全不能使用。

3.焊接区域的强度无法达到要求

在焊接的过程中，在硬质合金刀片、钢质基体之间的中间相，由于硬质合金刀片中碳元素的扩散到表面与焊料形成含碳的W、Co、Ni、Fe等中间非晶态玻璃相。该项化合物熔点低，具有玻璃体的性能，因此在硬质合金刀片焊接区域的强度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种硬质合金重型切削刀具的焊接方法，该焊接方法能有效避免焊接过程中产生焊接裂纹，从而确保焊接质量。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：本发明的硬质合金重型切削刀具的焊接方法，包括如下步骤：①焊接区域表面处理，除去油质、杂质和锈斑，并使硬质合金刀片、钢质基体的焊接面具有一定的粗燥度；②在硬质合金刀片、钢质基体焊接面上涂放焊剂和银基焊料后，将焊接体一体放入真空加热炉内，焊接体上放置金属块配重；③向真空加热炉内充入惰性气体后，加温至600～640℃并保温；④降温至280～300℃并保温后，最终降至室温完成焊接。

所述步骤③中，加温升温速度为1～5度/秒，保温时间为1～3分钟。

所述步骤④中，降温速度为3～8度/秒，保温时间为60～100分钟。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种用于上述硬质合金重型切削刀具的焊接方法的银基焊料。该银基焊料按重量百分比的组分为Ag40～50％、Cu 20～30％、Zn 18～25％、Sn 1～3％、Ni 1～3％、杂质。

在上述技术方案中，所述杂质和含量按重量百分比为：S≤0.02～0.1％、P≤0.01～0.05％、O≤0.02～0.1％、N≤0.02～0.1％。

本发明的有益效果是，能有效地避免避免焊接过程中产生焊接裂纹，从而确保焊接质量；银基焊料熔点低、滋因性好，在焊接的过程中可降低内应力，及防止材料表面氧化，保证均匀焊接。

附图说明

本说明书包括如下一幅附图：

图1是本发明硬质合金重型切削刀具的焊接方法中焊接温度与时间的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明重型切削刀具的焊接方法，包括如下步骤：

①焊接区域表面处理，除去油质、杂质和锈斑，并使硬质合金刀片、钢质基体的焊接面具有一定的粗燥度。粗燥度通常为Ra0.6～1.6，硬质合金刀片的焊接面可采用50～100目的金刚石砂轮进行磨削处理，钢质基体的焊接面可采用喷砂或采用50-80目氧化铝砂轮处理。

②在硬质合金刀片、钢质基体焊接面上涂放焊剂和银基焊料后，将焊接体一体放入真空加热炉内，焊接体上放置金属块配重。金属决配重的大小取决于被焊接物体的尺寸，其作用是在焊料熔后在金属决配重和硬质合金刀片的重力下，可以使焊料在焊接面流动，促使焊接均匀，还可防止在高温下硬质合金刀片和金属基体变形。

③向真空加热炉内充入惰性气体后，加温至600～640℃并保温。加温升温速度为1～5度/秒，保温时间为1～3分钟。

④降温至280～300℃并保温后，最终降至室温完成焊接。降温速度为3～8度/秒，保温时间为60～100分钟。

焊接温度及升温速度对焊接强度及裂纹的影响非常大。加热的速度太快，焊接部分产生较大的内应力，产品的强度降低。但是，如果加热的速度太慢，焊接表面会产生氧化现象，使产品焊接区出现气泡，夹杂等，同样产品的强度也大大的降低。如何控制及选择升温速度，保温时间及降温速度是非常关键的。经过大量的实验，确定了如图1所示的焊接温度与时间的关系曲线。

由于钢材的热膨胀系数是硬质合金的一倍，在冷却过程中会产生很大的内应力。冷却的速度越快，内应力就越大。因此在焊接的界面上除了有很大的内应力外还有由于内应力而造成内部断裂裂纹。在正常状态下，内应力会处于一种静态平衡状态。但在外力的作用下，比如磨削，或在使用过程中，内应力会集中某一点。当内应力超过临界状态时，产品出现断裂。为了消除这些内应力隐患，在冷却的过程中控制冷却的速度是非常重要的。参照图1，在280～300℃温度下保温60～100分钟的过程对释放内应力起到关键的作用。在外界能量的作用下(温度)焊接后的内应力逐渐由内部向外部释放。原来平衡状态下的应力，在外部能量的驱动下，开始失去平衡，并由高能量区(焊接产品内部)向低能量区移动(焊接产品的表面)，最后能量在产品的焊接产品的表面释放出去。因此，在一个特定的回火温度下，在一定的保温时间内，焊接区域的内应力会逐渐的释放，从而有效的防止了由内应力所引起的断裂。

本发明的银基焊料按重量百分比的组分为Ag 40～50％、Cu 20～30％、Zn 18～25％、Sn 1～3％、Ni 1～3％、杂质。所述杂质和含量按重量百分比为：S≤0.02～0.1％、P≤0.01～0.05％、O≤0.02～0.1％、N≤0.02～0.1％。该银基焊料具有熔点低、滋因性好的特点，在焊接的过程中可降低内应力，及防止材料表面氧化，保证均匀焊接。该银基焊料的特点是以Ag、Cu为基础的低温焊料，Ag、Cu材料在熔化后与9SiCr工具钢和硬质合金具有很好的滋润性。特别是在少量的Ni作用下，不仅可以可以增加一定的焊接强度，而且对焊料的流动性具有很大的帮助。

本申请人采用上述焊接方法和银基焊料用于下述规格的重型切削刀具的生产均取得了满意的效果，钢质基体的规格：宽45～47mm，厚20～22mm，长152～210mm；硬质合金刀片规格：宽22～24mm，厚10～12mm，长152～210mm。

实施例1：

钢质基体尺寸：152×45×21mm，硬质合金刀片尺寸：152×21×11mm。

银基焊料按重量百分比由下列成分组成：Ag 40％、Cu 30％、Zn 25％、Sn2％、Ni2％。

焊接温度为640℃，加温升温速度为1度/秒，保温3分钟。然后，降温至300℃，降温速度为3度/秒，保温60分钟，关电源随炉冷却到室温。

检测结果：焊接区域完全填充，没有空洞或空穴；焊料分布均匀，没有观察到快壮的杂质等；银基焊料和钢质基体、硬质合金刀片都呈现完好的结合状态，没有发现任何缝隙。

实施例2：

钢质基体尺寸：210×45×21mm，硬质合金刀片尺寸：210×21×11mm。

银基焊料按重量百分比由下列成分组成：Ag45％、Cu25％、Zn25％、Sn 2％、Ni2％。

焊接温度为620℃，加温升温速度为3度/秒，保温2分钟。然后，降温至290℃，降温速度为6度/秒，保温80分钟，关电源随炉冷却到室温。

检测结果：焊接区域完全填充，没有空洞或空穴；焊料分布均匀，没有观察到快壮的杂质等；银基焊料和钢质基体、硬质合金刀片都呈现完好的结合状态，没有发现任何缝隙。

实施例3：

钢质基体尺寸：210×45×21mm，硬质合金刀片尺寸：210×21×11mm。

银基焊料按重量百分比由下列成分组成：Ag 50％、Cu 20％、Zn25％、Sn 2％、Ni 2％。

焊接温度为600℃，加温升温速度为5度/秒，保温3分钟。然后，降温至280℃，降温速度为8度/秒，保温100分钟，关电源随炉冷却到室温。

检测结果：焊接区域完全填充，没有空洞或空穴；焊料分布均匀，没有观察到快壮的杂质等；银基焊料和钢质基体、硬质合金刀片都呈现完好的结合状态，没有发现任何缝隙。

Claims (6)

1.硬质合金重型切削刀具的焊接方法，包括如下步骤：

①焊接区域表面处理，除去油质、杂质和锈斑，并使硬质合金刀片、钢质基体的焊接面具有一定的粗燥度；

②在硬质合金刀片、钢质基体焊接面涂放焊剂和银基焊料后，将焊接体一体放入真空加热炉内，焊接体上放置金属块配重；

③向真空加热炉内充入惰性气体后，加温至600～640℃并保温；

④降温至280～300℃并保温后，最终降至室温完成焊接。

2.如权利要求1所述硬质合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是：所述步骤③中，加温升温速度为1～5度/秒，保温时间为1～3分钟。

3.如权利要求2所述硬质合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是：所述步骤④中，降温速度为3～8度/秒，保温时间最少为60～100分钟。

4.如权利要求1所述硬质合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是：所述步骤①中，硬质合金刀片的焊接面采用50～100目的金刚石砂轮进行磨削处理，钢质基体的焊接面采用喷砂处理。

5.用于如权利要求1至4任意一项所述硬质合金重型切削刀具的焊接方法的银基焊料，其特征是：所述银基焊料按重量百分比的组分为Ag40～50％、Cu 20～30％、Zn 18～25％、Sn 1～3％、Ni 1～3％、杂质。

6.如权利要求5所述银基焊料，其特征是：所述杂质和含量按重量百分比为S≤0.02～0.1％、P≤0.01～0.05％、O≤0.02～0.1％、N≤0.02～0.1％。