CN101829781A - 无活性中间层的硬质合金与钢的连接方法 - Google Patents

无活性中间层的硬质合金与钢的连接方法 Download PDF

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郭智兴
熊计
杨梅
陈建中
熊素建
杨天恩
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Abstract

本发明公开了一种硬质合金与钢的连接方法，其特征是先利用粉末冶金方法制备心部有圆柱孔的硬质合金生坯；然后将一定尺寸的钢质芯棒放置在生坯的圆柱孔中；硬质合金生坯与钢质芯棒在1300℃～1450℃下进行真空烧结处理。硬质合金生坯发生尺寸收缩实现致密化，控制其心部圆柱孔径小于钢质芯棒直径，便实现了与钢质芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中硬质合金与钢质芯棒接触的边界部分发生相互扩散，保证了硬质合金与钢材的冶金结合。本发明具有工艺简单、成本低、硬质合金与钢材结合紧密、且连接时不添加的优点。

Description

无活性中间层的硬质合金与钢的连接方法
技术领域
本发明为硬质合金材料与钢的连接方法，特别涉及一种不含有活性中间层的连接硬质合金与钢材的方法，属于粉末冶金和硬质合金领域。
背景技术
硬质合金是以难熔金属碳化物(如WC，TiC)为硬质相，以铁族金属元素(Fe、Co、Ni)作为粘结相，用粉末冶金工艺生产的具有高硬度和高耐磨性的多相材料。硬质合金具有十分优异的性能，但硬质合金价格昂贵，其应用范围受到限制。另外，由于绝大多数硬质合金都是用粉末冶金方法生产的，其生产工艺的限制使得生产较大尺寸的硬质合金制品变得困难。而且，在许多零部件在使用时并不需要整体都用硬质合金制造。所以，为扩大硬质合金的应用范围，降低硬质合金制品的成本，将硬质合金与韧性较好、强度较高、加工性能优异、廉价的钢连接起来使用，具有重要的实用价值。
目前主要通过各种焊接的方法实现硬质合金与钢的连接。传统的钎焊法就是将一定形状的硬质合金，用黄铜、紫铜或其他焊料钎焊在普通结构钢。采用钎焊法具有结构简单、紧凑、抗振性能好、制造方便，应用十分广泛，目前是硬质合金与钢的主要焊接方法。因此硬质合金这种线膨胀系数与钢相差很大、高硬度、低塑性的多孔隙材料在焊接中，表现出极大的裂纹倾向。
扩散焊是将两个被焊工件紧压在一起，置于真空或保护气体中加热，使两焊接表面微观凹凸不平处在高温下产生塑性变形达到紧密接触，在经过保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种焊接方法。扩散焊有三个阶段：变形-接触阶段、扩散-界面推移阶段、界面和空洞消失阶段。对于一些特殊的异质材料的扩散焊接，需要在焊件之间加一个中间层材料。专利200510043803.6公开了一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，主要特点是在陶瓷与钢待焊接触面之间添加活性中间合金，并将待焊陶瓷/钢工件用上、下压头压紧；置于真空室中进行真空扩散连接，工艺参数为：加热温度1060～1180℃，保温时间25～60min，压力8～16MPa，真空度为2.5×10-4～1×10-5Pa。与传统的钎焊法相比，该法需要外加中间活性合金，并且因上下压紧而需要增加工装。
发明内容
本发明针对目前硬质合金与钢连接时存在的问题，发明了一种无活性中间层的连接硬质合金与钢的新方法。首先利用模具将硬质合金混合粉末压制成带圆柱孔的生坯；然后将圆形的钢芯棒放入硬质合金生坯中，控制钢芯棒的直径以获得最佳的间隙，二者之间不添加任何活性中间层同时放入真空炉中进行烧结处理。硬质合金生坯与钢芯棒进行真空烧结处理后，硬质合金生坯发生尺寸收缩，其心部圆柱孔径将略小于钢质芯棒直径，因此在硬质合金生坯完成致密化的同时便实现了与钢芯棒的紧密机械连接。同时，烧结过程中硬质合金与钢芯棒接触部分发生相互扩散，保证了硬质合金与心部钢材的冶金结合，本发明的示意图见附图1。
本发明的硬质合金与钢的连接方法，其特征在于依次包含以下步骤：
(1)将原料粉末配制成硬质合金混合粉末，其成份重量百分比为：Co：0-20％，Ni：0-20％，Fe：0-20％，TiC：0-30％，TaC：0-20％，NbC：0-20％，WC为余量；硬质合金混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；
(2)将圆柱形钢芯棒放置在硬质合金生坯内孔中，钢芯棒各组成成份重量百分比为：C：0.03～1.0％，W：0～20％，V：0～5％，Cr：0～5％，Fe为余量；钢芯棒直径的确定方法为：扩散层厚度+硬质合金生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为0.1-2mm，收缩系数为1.1-1.5；
(3)圆柱形钢芯棒与硬质合金生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧结实现硬质合金与钢的连接，烧结温度为1300-1450℃，保温时间为1-3h，真空度为1～5Pa。
本发明的硬质合金与钢的连接方法，其进一步的特征在于：
(1)配制硬质合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度为0.5～6.0μm，TaC的粒度为1.0～2.0μm，NbC粒度为1.0～2.0μm，(W，Ti)C粒度为1.5～3μm，Fe粒度为1.5～2.5μm，Ni的粒度为0.8～1.5μm，Co的粒度为0.8～1.5μm；硬质合金的球磨介质为无水乙醇，其加量为100-500ml，球磨机转速为60-100r/min，研磨时间为24h-72h，研磨球为Ф6-8mm的WC-8wt％Co硬质合金球，球料重量比为5∶1-10∶1；硬质合金球磨后料浆的真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5Pa；丁钠橡胶成型剂的加量为50-120％；在200-400MPa下压制成生坯；
(2)金属陶瓷生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1～0.6mm；
(3)真空烧结过程脱除成型剂在500℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa。
本发明的优点在于：
(1)将硬质合金本身的生产及硬质合金与钢材的连接这两个工艺过程结合起来，工艺简单；
(2)本方法与钎焊法等方法相比，具有不使用活性中间层的优点；
(3)通过“机械连接”和“冶金结合”的双重作用，连接硬质合金与内部的钢材，保证结合紧密。
附图说明
图1本发明的硬质合金与钢的连接过程示意图
具体实施方式
实例1：配制硬质合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度为2.0μm，TaC的粒度为1.2μm，NbC粒度为1.5μm，(W，Ti)C粒度为1.5μm，Co的粒度为1.0μm；硬质合金成分为：Co：9wt％，TiC：5wt％，TaC：3wt％，NbC：2wt％，WC为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为70r/min，研磨时间为48h，研磨球为Ф8mm的WC-8wt％Co硬质合金球，球料重量比为5∶1；球磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为85℃，真空度为5Pa；丁钠橡胶成型剂的加量为80wt％；在300MPa下压制成高度为5mm，外径为30mm，内径为24mm的生坯；采用10号钢(C占0.1wt％，其余为Fe)作芯棒，其直径为21mm；钢芯棒放置在硬质合金生坯内孔中，二者的同心度为0.4mm；真空烧结过程脱除成型剂在550℃进行，保温2h，真空度为10Pa；最终在1440℃下烧结1h，真空度为5Pa。便实现了硬质合金与钢的冶金连接。
实例2：WC的粒度为1.0μm，Fe粒度为2.0μm，Ni的粒度为1.2μm，硬质合金成分为：Fe：3wt％，Ni：7wt％，WC为余量；球磨介质为无水乙醇，其加量为300ml，球磨速度为100r/min，研磨时间为64h，研磨球为Ф8mm的WC-8wt％Co硬质合金球，球料重量比为10∶1；球磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为80℃，真空度为5Pa；丁钠橡胶成型剂的加量为85wt％；在400MPa下压制成高度为6mm，外径为28mm，内径为19mm的生坯；钢芯棒成分为C：1wt％，W：18wt％，V：4wt％，Cr：5wt％，Fe为余量，其直径为15.2m；钢芯棒放置在硬质合金生坯内孔中，二者的同心度为0.5mm；真空烧结过程脱除成型剂在550℃进行，保温3h，真空度为15Pa；最终在1420℃下烧结1.5h，真空度为5Pa。便实现了硬质合金与钢的冶金连接。

Claims (2)

1.一种硬质合金与钢的连接方法，其特征在于依次包含以下步骤：
(1)将原料粉末配制成硬质合金混合粉末，其成分重量百分比为：Co：0-20％，Ni：0-20％，Fe：0-20％，TiC：0-30％，TaC：0-20％，NbC：0-20％，WC为余量；硬质合金混合粉末经过球磨、过滤、干燥后压制成带圆柱孔的生坯；
(2)将圆柱形钢芯棒放置在硬质合金生坯内孔中，钢芯棒各组成成分重量百分比为：C：0.03～1.0％，W：0～20％，V：0～5％，Cr：0～5％，Fe为余量；钢芯棒直径的确定方法为：扩散层厚度+硬质合金生坯孔径/收缩系数，其中扩散层厚度为0.1-2mm，收缩系数为1.1-1.5；
(3)圆柱形钢芯棒与硬质合金生坯一起放入真空炉中，先脱除成型剂，然后经过烧结实现硬质合金与钢的连接，烧结温度为1300-1450℃，保温时间为1-3h，真空度为1～5Pa。
2.根据权利要求1所述的硬质合金与钢的连接方法，其进一步的特征在于：
(1)配制硬质合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度为0.5～6.0μm，TaC的粒度为1.0～2.0μm，NbC粒度为1.0～2.0μm，(W，Ti)C粒度为1.5～3μm，Fe粒度为1.5～2.5μm，Ni的粒度为0.8～1.5μm，Co的粒度为0.8～1.5μm；硬质合金的球磨介质为无水乙醇，其加量为100-500ml，球磨机转速为60-100r/min，研磨时间为24h-72h，研磨球为Φ6-8mm的WC-8％Co硬质合金球，球料重量比为5∶1-10∶1；硬质合金球磨后料浆的真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5Pa；丁钠橡胶成型剂的加量为50-120％；在200-400MPa下压制成生坯；
(2)金属陶瓷生坯内孔中放置钢芯棒时，二者的同心度为0.1～0.6mm；
(3)真空烧结过程脱除成型剂在500℃～600℃进行，保温2～4h，真空度为10～15Pa。
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