CN103194635B

CN103194635B - Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法

Info

Publication number: CN103194635B
Application number: CN201310107983.4A
Authority: CN
Inventors: 郭智兴; 熊计; 钟华; 万维财
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103194635A

Abstract

本发明公开了一种Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法，其特征是将钢放入孔隙度为75～90%的多孔隙金属陶瓷生坯的中部空腔中，一起进行液相烧结；在1300℃～1440℃高温烧结过程中生坯的孔隙尺寸减小数量减少，烧结体中的孔隙度为30～50%；继续升高温度到1450℃～1600℃使钢熔化，钢液体扩散到金属陶瓷中并填充到金属陶瓷内部的连续孔隙中，二者之间形成冶金结合具有高的结合强度。本发明具有烧结与扩散连接结合、无外压，工艺简单；钢金属相的分布从金属陶瓷内部贯穿到碳钢中，扩散充分、残余应力低，结合强度高的优点。

Description

Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法

技术领域

本发明为金属陶瓷材料与钢的连接方法，特别涉及一种Ti(C,N)为基金属陶瓷与钢的无外压的扩散连接方法，属于焊接领域。

背景技术

Ti(C,N)基金属陶瓷是以Ti(C,N)为基，Ni/Co 为粘结相，并添加WC、Mo₂C、TaC、VC、Cr₃C₂等碳化物改善性能，以粉末冶金方法制成的多相固体材料。Ti(C,N)基金属陶瓷具有高硬度与红硬性、低密度、高耐磨、耐腐蚀、耐高温等优点，在切削刀具、模具工业、耐高温、耐磨耐蚀环境中有广阔的应用前景。但是，其强韧性不足，国内外研究采用添加Mo、引入N和超细化措施提高其性能，但其抗弯强度、断裂韧性、冲击韧性等仍需提高以满足高参数工况的要求。另外，尽管Ti(C,N)基金属陶瓷避免了硬质合金对稀缺战略资源W、Co 的依赖和大量消耗，但其化学成分Ti、Ni、Mo等均为高价值的有色（或稀有）金属。实际工况中磨损与腐蚀多发生在零件特定表面，使用整体金属陶瓷会浪费有色金属材料。Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的连接则不仅实现高硬度、高耐磨耐蚀性与强韧性的结合，而且在满足使用工况要求的同时节约和有效利用有色金属资源，这无疑有利于Ti(C,N)基金属陶瓷的广泛工程应用。

目前，扩散连接是金属陶瓷与金属连接方法中应用最广泛的方法之一，扩散连接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，使两连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。扩散连接有三个阶段:变形-接触阶段、扩散-界面推移阶段、界面和空洞消失阶段。

在扩散连接中,压力与活性中间层相当重要。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。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。

因此，国内外开始寻找新的无需外加压力和活性中间层的扩散连接方法。美国专利US4236923A公开了一种连接凸轮和轴的方法，将轴以间隙配合的形式安装在凸轮压坯中，在1125～1200℃下进行烧结，由于凸轮压坯烧结收缩与轴实现紧密机械结合，而且两者之间相互扩散形成冶金结合，这是利用收缩产生的内压力。专利93111991.X用普通铸造方法使金属基体表面与陶瓷复合，其生产工艺为：将陶瓷材料粉碎成粒度，按比例、组分、依顺序加料混合，预热砂型，将混合料浆喷刷到砂型表面，合箱静置，将金属基体熔化浇铸成型。由于采用喷刷的方法，获得的表面耐磨层厚度有限且不易控制；表面金属陶瓷层与基体的结合强度受到影响；表面的陶瓷粉末没有经过常规粉末冶金过程的压制工序，陶瓷层致密度和两者之间的结合强度有待提高；铸件容易产生缩孔缩松。专利200410013073.0和03153373.6公开了类似方法。专利99114851.7提供的制备铁基表面复合材料的铸造烧结法，是将陶瓷粉或／和可生成碳化物陶瓷的组分与易熔合金粉混匀，制成压坯并固定于铸型表面，利用铸造浇注的高温钢水或铁水的热量，直接将压坯烧结在铸件母体上。该法中制备的压坯通常含有粘结剂，在采用钢水或者铁水浇注时容易产生气体；而且浇铸后降温速度很快，铸件与表面陶瓷层之间的扩散时间短，不利于表面的致密化和两者之间的充分扩散；降温速度快还会导致金属陶瓷与钢之间产生大的热残余应力。

发明内容

本发明针对目前金属陶瓷与钢连接工艺存在的问题，发明了一种Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法。

本发明是将钢放入多孔隙金属陶瓷生坯的中部空腔中，一起进行液相烧结；在高温烧结过程中生坯的孔隙尺寸减小数量减少，但仍残留一定比例的连续孔隙在烧结体中；继续升高温度使钢熔化，钢液体扩散到金属陶瓷中并填充到金属陶瓷内部的连续孔隙中，因此钢金属相的分布从金属陶瓷内部贯穿到碳钢中，二者之间形成冶金结合具有高的结合强度。

本发明的Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法，其特征在于依次包含以下步骤：

(1)金属陶瓷多孔生坯压制：Ti(C,N)基金属陶瓷的成分重量百分比为Ni占5～40wt%，Co占0～40wt%, Fe占0～40wt%，Mo₂C占5～20wt%, TiC_0.7N_0.3为余量； Ni的粒度为0.8～1.5μm，Co的粒度为0.8～1.5μm，Fe的粒度为2.0～3.5μm, Mo₂C的粒度为1.0～2.0μm, TiC_0.7N_0.3的粒度为1.0～2.0μm；金属陶瓷混合粉末经过球磨、过滤、干燥后制备压制成中心带空腔的金属陶瓷生坯，通过调节粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度为75～90%；

(2)金属陶瓷与钢扩散连接：将碳钢放入到金属陶瓷生坯的空腔中一起进行烧结处理，在 1300℃～1440℃，真空度为10～15Pa的条件下保温2～4h，使金属陶瓷中形成连续孔隙，其孔隙度为30～50%；在1450℃～1600℃，真空度为20～50Pa条件下保温2～4h，碳钢成为液相并扩散到金属陶瓷的连续孔隙中与金属陶瓷实现扩散连接，为确保扩散连接所需的钢液相量充分，碳钢的重量控制为：金属陶瓷生坯中部空腔的体积×碳钢密度×（1.0～1.3）。

本发明的Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法，其进一步的特征在于：

(1)金属陶瓷混合粉末的球磨介质为120号溶剂油，其加量为100～500ml，球磨速度为60～100r/min, 研磨时间为36h～72h, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1，加入5～15wt%的石蜡，0.5～5wt%的油酸，0.5～5wt%的吐温80作为复合成型剂；球磨后金属陶瓷的料浆进行400目过滤，真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；金属陶瓷多孔生坯压制时压强为100～300MPa；

(2)金属陶瓷与钢扩散连接时，在300℃～500℃，真空度为10～15Pa的条件下保温2～4h脱除成型剂；扩散连接结束后以1～15℃/min的冷却速度随炉冷却以防止金属陶瓷与钢之间的热残余应力。

本发明的优点在于：（1）Ti(C,N)基金属陶瓷基体的液相烧结及其与钢之间的扩散连接过程相结合，而且扩散连接无需外加压力或活性中间层，工艺过程简单。（2）金属陶瓷与碳钢的扩散连接过程中，金属陶瓷为多孔结构，碳钢为液相。一方面钢与金属陶瓷之间发生元素扩散，另一方面钢液会填充金属陶瓷内部的连续孔隙，因此钢金属相的分布从金属陶瓷内部贯穿到碳钢中，二者之间形成冶金结合具有高的结合强度。（3）金属陶瓷与与碳钢的扩散连接过程在高温真空下进行，扩散时间充分，有利于接头形成；扩散连接完成后的冷却速度缓慢，热残余应力低，因此结合强度高。

附图说明

图1 本发明的金属陶瓷与钢的连接过程示意图

具体实施方式

实例1：配制Ti(C,N)基金属陶瓷所用原料中Ni的粒度为1.5μm，Co的粒度为1.3μm，Fe的粒度为2.0μm, Mo₂C的粒度为1.5μm, TiC_0.7N_0.3的粒度为1.8μm。Ti(C,N)基金属陶瓷成分的重量百分比为Ni占5wt%，Co占5wt%， Fe占5wt%，Mo₂C占9wt%, TiC_0.7N_0.3为余量。金属陶瓷混合粉末的球磨介质为120号溶剂油，其加量为400ml，球磨速度为60r/min, 研磨时间为48h, 研磨球为Φ6mm的WC-8wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1，加入10wt%的石蜡，0.5wt%的油酸，0.5wt%的吐温80作为复合成型剂；球磨后金属陶瓷的料浆进行400目过滤，真空干燥处理温度为85℃，真空度为3Pa；金属陶瓷多孔生坯压制时压强为200MPa，固定模腔体积，通过调节粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度为80%。将20#钢放入到金属陶瓷生坯的空腔中一起进行烧结处理，在350℃，真空度为13Pa的条件下保温3h脱除成型剂；在1440℃，真空度为10Pa的条件下保温3h，进行烧结形成具有连续孔隙的金属陶瓷，其孔隙度为40%；在1550℃，真空度为30Pa条件下保温3h，液相20#碳钢扩散到金属陶瓷的连续孔隙中与金属陶瓷实现扩散连接，为确保扩散连接所需的钢液相量充分，20#碳钢的重量控制为：金属陶瓷生坯中部空腔的体积×碳钢密度×1.2；扩散连接结束后以8℃/min的冷却速度随炉冷却以防止金属陶瓷与钢之间的热残余应力，最终实现了金属陶瓷与钢的无外压扩散连接。

实例2：配制Ti(C,N)基金属陶瓷所用原料中Ni的粒度为1.2μm，Co的粒度为1.5μm，Mo₂C的粒度为1.8μm, TiC_0.7N_0.3的粒度为1.4μm；Ti(C,N)基金属陶瓷的成分重量百分比为Ni占20wt%，Co占8wt%，Mo₂C占12wt%, TiC_0.7N_0.3为余量；金属陶瓷混合粉末的球磨介质为120号溶剂油，其加量为200ml，球磨速度为90r/min, 研磨时间为36h, 研磨球为Φ8mm的WC-8wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为10：1，加入5wt%的石蜡，1wt%的油酸，2%的吐温80作为复合成型剂；球磨后金属陶瓷的料浆进行400目过滤，真空干燥处理温度为95℃，真空度为3 Pa；金属陶瓷多孔生坯压制时压强为100MPa，固定模腔体积，通过调节粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度为75%。将45#碳钢放入到金属陶瓷生坯的空腔中一起进行烧结处理，在450℃，真空度为15Pa的条件下保温4h脱除成型剂；在1400℃，真空度为12Pa的条件下保温2h，进行烧结形成具有连续孔隙的金属陶瓷，其孔隙度为36%；在1500℃，真空度为40Pa条件下保温2.5h，45#碳钢成为液相并扩散到金属陶瓷生坯的连续孔隙中与金属陶瓷实现扩散连接，为确保扩散连接所需的钢液相量充分，碳钢的重量控制为：金属陶瓷生坯中部空腔的体积×碳钢密度×1.1；扩散连接结束后以12℃/min的冷却速度随炉冷却以防止金属陶瓷与钢之间的热残余应力，最终实现了金属陶瓷与钢的无外压扩散连接。

Claims

1.一种Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法，所述的金属陶瓷的成分重量百分比为Ni占5～40wt%，Co占0～40wt%, Fe占0～40wt%，Mo₂C占5～20wt%, TiC_0.7N_0.3为余量； Ni的粒度为0.8～1.5μm，Co的粒度为0.8～1.5μm，Fe的粒度为2.0～3.5μm, Mo₂C的粒度为1.0～2.0μm, TiC_0.7N_0.3的粒度为1.0～2.0μm；其特征在于依次包含以下步骤：

（1）金属陶瓷多孔生坯压制：Ti(C,N)基金属陶瓷金属陶瓷混合粉末经过球磨、过滤、干燥后制备压制成中心带空腔的金属陶瓷生坯，通过调节粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度为75～90%；

（2）具有连续孔隙的金属陶瓷的形成：将碳钢放入到金属陶瓷生坯的空腔中一起进行烧结处理，在1300℃～1440℃，真空度为10～15Pa的条件下保温2～4h，进行烧结形成具有连续孔隙的金属陶瓷，其孔隙度为30～50%；

（3）碳钢液相扩散实现与金属陶瓷连接：在1450℃～1600℃，真空度为20～50Pa条件下保温2～4h，碳钢成为液相并扩散到金属陶瓷生坯的连续孔隙中与金属陶瓷实现扩散连接，为确保扩散连接所需的钢液相量充分，碳钢的重量控制为：金属陶瓷生坯中部空腔的体积×碳钢密度×（1.0～1.3）。

2.根据权利要求1所述的Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的无外压扩散连接方法，其进一步的特征在于：

（1）金属陶瓷混合粉末的球磨介质为120号溶剂油，其加量为100～500ml，球磨速度为60～100r/min, 研磨时间为36h～72h, 研磨球为Φ6～8mm的WC-8wt%Ni硬质合金球, 球料重量比为5：1～15：1，加入5～15wt%的石蜡，0.5～5wt%的油酸，0.5～5wt%的吐温80作为复合成型剂；球磨后金属陶瓷料浆的真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5 Pa；金属陶瓷多孔生坯压制时压强为100～300MPa；

（2）金属陶瓷与钢扩散连接时，在300℃～500℃，真空度为10～15Pa的条件下保温2～4h脱除成型剂；扩散连接结束后以1～15℃/min的冷却速度随炉冷却以防止金属陶瓷与钢之间的热残余应力。