CN103302371A - 一种硬质合金与金属的扩散连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种硬质合金与金属的扩散连接方法，它涉及一种硬质合金与金属的扩散连接方法。本发明是要解决现有连接方式工艺复杂并且连接强度低的问题，本发明方法为一、毛化凸台；二、焊前清理；三、扩散连接：将清洗后的硬质合金和金属放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，即完成硬质合金与金属的扩散连接。本发明工艺简单，生产效率高，有效地实现了硬质合金与金属的冶金结合，并提高了连接强度，能够满足硬质合金/金属结构件的使用要求。本发明应用于钎焊领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质合金与金属的扩散连接方法。
背景技术
硬质合金是由硬度极高的金属碳化物如WC、TiC等为基体，以Co、Ni、Cu等作为粘结剂烧结制成的粉末冶金制品，具有高熔点、高硬度和高强度等一系列的优良性能。在硬质合金的实际工程应用中，经常需要对硬质合金与异种金属实现可靠连接，以充分发挥这两种材料的性能优势。由于硬质合金熔点高、具有较强的化学稳定性，因此目前主要采用钎焊方法实现硬质合金的连接。现有的连接方法在钎料的制备过程中需采用超高真空电弧炉分步熔炼，再应用单辊快速凝固装置制备，因此钎料的制备工艺非常复杂。
硬质合金与金属的物理性能(如线膨胀系数、弹性模量等)差别较大，连接后接头易产生较大残余应力，最终影响连接强度。另外，硬质合金与铝、铜等金属连接时，由于金属表面存在难去除的氧化膜，阻碍了母材元素的扩散和反应，界面无法实现紧密连接，最终也会降低接头连接强度。特别是硬质合金与铝连接时，由于铝熔点较低，为避免铝母材熔化，通常焊接温度为550-610℃，而如此低的焊接温度很难实现连接界面处的化学冶金结合。
发明内容
本发明是要解决现有连接方式工艺复杂并且连接强度低的问题，提供了一种硬质合金与金属的扩散连接方法。
本发明一种硬质合金与金属的扩散连接方法，是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对金属的待焊表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗3-10min，再自然风干，得到清洗后的金属；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和清洗后金属的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的保温时间为30-90min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为5-20℃/min，降温速率为5-10℃/min，在炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与金属的扩散连接。
本发明通过毛化凸台的方法增加了连接面积、利用扩散连接中施加的压力实现硬质合金在金属表面的机械钉扎，并破除了金属表面氧化膜。特别是，扩散连接中的长时间保温保压过程促进了界面元素间的充分扩散和反应。此外，预涂覆BNi2中间层解决了硬质合金在800℃以下难与金属发生化学冶金反应的难题，最终优化了接头性能和界面组织。同时，由于硬质合金与金属的线膨胀系数差异很大，作为中间层的BNi2可以缓解接头残余应力，从而提高接头抗承载能力。本发明该工艺成本低廉、操作简单，便于批量生产。
附图说明
图1为试验1得到的硬质合金/铝接头界面组织宏观照片，其中a为硬质合金，b为铝；
图2为试验1得到的硬质合金/铝接头界面组织微观照片，其中a为硬质合金，b为铝；
图3为本发明硬质合金矩阵式凸台的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种硬质合金与金属的扩散连接方法，是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对金属的待焊表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗3-10min，再自然风干，得到清洗后的金属；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和清洗后金属的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的保温时间为30-90min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为5-20℃/min，降温速率为5-10℃/min，在炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与金属的扩散连接。
本实施方式通过毛化凸台的方法增加了连接面积、利用扩散连接中施加的压力实现硬质合金在金属表面的机械钉扎，并破除了金属表面氧化膜。特别是，扩散连接中的长时间保温保压过程促进了界面元素间的充分扩散和反应。此外，预涂覆BNi2中间层解决了硬质合金在800℃以下难与金属发生化学冶金反应的难题，最终优化了接头性能和界面组织。同时，由于硬质合金与金属的线膨胀系数差异很大，作为中间层的BNi2可以缓解接头残余应力，从而提高接头抗承载能力。本实施方式成本低廉、操作简单，便于批量生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的凸台的高度为1～2mm，横截面为1×1mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述的硬质合金为YG6、YG8或YG15。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的金属为铝、铜或钢。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述的金属为铝，清理方法通过以下步骤进行：使用80#、200#、400#及800#砂纸对铝进行逐级打磨，将打磨后的铝放入丙酮中超声清洗5-10min，然后将清洗后的铝放入质量百分含量为8-10％的NaOH溶液中浸泡3-5min，再放入质量百分含量为25％的HNO3溶液中浸泡3-5min，取出自然风干即完成。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的在步骤三扩散连接前预涂覆中间层，所述的预涂覆中间层具体方法为：在清洗后的硬质合金表面的凸台上涂覆混合了粘接剂的BNi2钎料，然后放入真空炉中进行反应，反应参数为：加热温度1025-1075℃，保温时间20-40min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为5-20℃/min，降温速率为5-10℃/min，炉内温度低于200℃取出后即完成涂覆。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式的粘结剂为市售产品。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验一种硬质合金与金属的扩散连接方法，是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台，其中凸台高度为1mm，横截面为1×1mm；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对铝的待焊表面进行逐级打磨，将打磨后的铝放入丙酮中超声清洗8min，然后将清洗后的铝放入质量百分含量为9％的NaOH溶液中浸泡4min，再放入质量百分含量为25％的HNO3溶液中浸泡4min，取出自然风干，得到清洗后的铝；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、预涂覆中间层：在清洗后的硬质合金表面的凸台上涂覆混合了粘结剂的BNi2钎料，然后放入真空炉中进行反应，反应参数为：加热温度1050℃，保温时间30min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成涂覆。
四、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和铝的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的扩散温度为550℃，保温时间为60min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与铝的扩散连接。
本试验的硬质合金为YG6，本试验得到的硬质合金/铝接头抗剪强度大于50MPa，接近铝母材抗剪强度，本试验得到的硬质合金/铝接头界面组织宏观照片如图1所示，由图1可以看出，接头界面连接紧密，无明显缺陷，毛化凸台充分钉扎入铝内部，实现了两者的机械物理连接。本试验得到的硬质合金/铝接头界面组织微观照片如图2所示，从图2可以看出，可以看出在铝与中间层之间形成了明显的扩散反应层，硬质合金界面也发生分解并与钎料层反应，实现了硬质合金与铝的冶金化学连接。
试验2、本试验一种硬质合金与金属的扩散连接方法，是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台，其中凸台高度为2mm，横截面为1×1mm；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对铜的待焊表面，进行逐级打磨，将打磨后的铜放入丙酮中超声清洗4min，得到清洗后的金属；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、预涂覆中间层：在清洗后的硬质合金表面的凸台上涂覆混合了粘结剂的BNi2钎料，然后放入真空炉中进行反应，反应参数为：加热温度1050℃，保温时间30min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成涂覆。
四、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和铜的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的扩散温度为770℃，保温时间为60min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与铜的扩散连接。
本试验得到的硬质合金/铜接头的抗剪强度达到45MPa，本试验的硬质合金为YG8。
试验3、本试验一种硬质合金与金属的扩散连接方法，是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台，其中凸台高度为2mm，横截面为1×1mm；；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对低碳钢的待焊表面进行逐级打磨，将打磨后的低碳钢放入丙酮中超声清洗4min，取出自然风干，得到清洗后的金属；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、预涂覆中间层：在清洗后的硬质合金表面的凸台上涂覆混合了粘结剂的BNi2钎料，然后放入真空炉中进行反应，反应参数为：加热温度1050℃，保温时间30min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成涂覆。
四、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和低碳钢的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的扩散温度为1150℃，保温时间为60min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为10℃/min，降温速率为7℃/min，炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与低碳钢的扩散连接。
本试验得到的硬质合金/低碳钢接头的抗剪强度达到68MPa，本试验的硬质合金为YG15。
试验1～试验3中硬质合金待焊表面的矩阵式凸台如图3所示，试验中使用的粘结剂为市售产品，由试验1～3可知，本试验本发明通过毛化凸台的方法增加了连接面积、利用扩散连接中施加的压力实现硬质合金在金属表面的机械钉扎，并破除了金属表面氧化膜。此外，预涂覆BNi2中间层解决了硬质合金在800℃以下难与金属发生化学冶金反应的难题，最终优化了接头性能和界面组织。同时，由于硬质合金与金属的线膨胀系数差异很大，作为中间层的BNi2可以缓解接头残余应力，因此接头抗承载能力强。
Claims (6)
1.一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于硬质合金与金属的扩散连接方法是通过以下步骤进行的：一、毛化凸台：通过计算机程序编制，用线切割机切割硬质合金的待焊表面，使硬质合金的待焊表面生成矩阵式凸台；
二、焊前清理：使用80#、200#、400#和800#砂纸对金属的待焊表面进行逐级打磨，然后放入丙酮中超声清洗3-10min，再自然风干，得到清洗后的金属；将生成了矩阵式凸台的硬质合金表面放入丙酮中超声清洗5min后烘干，得到清洗后的硬质合金；
三、扩散连接：将清洗后的硬质合金的待焊表面和清洗后金属的待焊表面对接，然后放入扩散焊炉中，用压头固定，然后通过扩散连接工艺进行扩散连接，扩散连接工艺参数为：硬质合金与金属扩散连接的保温时间为30-90min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为5-20℃/min，降温速率为5-10℃/min，在炉内温度低于200℃后取出，即完成硬质合金与金属的扩散连接。
2.根据权利要求1所述的一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的凸台的高度为1～2mm，横截面为1×1mm。
3.根据权利要求1所述的一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的硬质合金为YG6、YG8或YG15。
4.根据权利要求1所述的一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的金属为铝、铜或钢。
5.根据权利要求1或4所述的一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的金属为铝，金属的清理方法通过以下步骤进行：使用80#、200#、400#及800#砂纸对铝进行逐级打磨，将打磨后的铝放入丙酮中超声清洗5-10min，然后将清洗后的铝放入质量百分含量为8-10％的NaOH溶液中浸泡3-5min，再放入质量百分含量为25％的HNO3溶液中浸泡3-5min，取出自然风干即完成。
6.根据权利要求1所述的一种硬质合金与金属的扩散连接方法，其特征在于所述的在步骤三扩散连接前预涂覆中间层，所述的预涂覆中间层具体方法为：在清洗后的硬质合金表面的凸台上涂覆混合了粘接剂的BNi2钎料，然后放入真空炉中进行反应，反应参数为：加热温度1025-1075℃，保温时间20-40min，真空度大于5.0×10-3Pa，升温速率为5-20℃/min，降温速率为5-10℃/min，炉内温度低于200℃后取出涂覆了中间层的硬质合金即完成。
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