CN103567659B - 用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料及制备方法 - Google Patents

用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5%、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％。本发明还公开上述的无镉低银中温钎料的制备方法。本发明的无镉低银中温钎料，钎料柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与硬质合金与合金钢的匹配性好，接头综合机械性能较高，制备方法，工艺简单，制作成本低，便于推广。

Description

用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料及制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，本发明还涉及该种无镉低银中温钎料的制备方法。
背景技术
YG系硬质合金具有高硬度、高耐磨性、耐热性、耐蚀性及良好的红硬性，广泛地应用于地质勘探、矿山开采、石油钻井等工业领域，硬质合金与钢的焊接接头性能往往成为制约硬质合金优异性能充分发挥的主要障碍。
通常的硬质合金钻探工具及刀具多是采用钎焊方法将硬质合金镶嵌在中碳钢或低合金钢基体上使用，由于钎焊温度较高，导致硬质合金过烧而影响接头性能。近年来中温钎料得到长足发展，Ag-Cu-Cd-Sn钎料应用较为普遍。但现用的中温钎料多含有毒性元素镉，不仅污染环境，而且对人体造成严重危害。研发无镉中温钎料已成为继无铅钎料之后的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，解决了现有技术中的现用的中温钎料多含有毒性元素镉的问题。
本发明的另一目的在于提供该种无镉低银中温钎料的制备方法。
本发明采用的技术方案是，一种用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5%、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％。
本发明采用的另一技术方案是，一种上述的无镉低银中温钎料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤A、熔配钎料母合金
A1、按以下原子百分比称量好各个高纯金属：总的百分比为100%，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5%、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％；
A2、将步骤A1净化处理好的各高纯金属在超高真空电弧炉中进行加热熔化、经数次翻转并循环加热，使合金充分熔配均匀，得到含气量较低的钎料母合金；
步骤B、应用单辊急冷快速凝固装置制备钎料箔材
把步骤A2得到的钎料母合金通过高频感应加热至熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启单辊急冷快速凝固装置中的Ar气阀，使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，得到无镉低银中温合金钎料箔材，即成。
本发明的有益效果是，该无镉低银中温钎料柔韧性能好，便于加工和装配；具有优良的强度及韧性，而且铺展性和填缝性好，易于获得高性能的硬质合金/钢钎接的接头。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100%，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5%、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％。
在本发明上述的钎料成分中，各组分及含量限定原理是：
为了获得熔点适中的钎料，提高硬质合金/钢接头的综合力学性能，基于Ag-Cu-Sn三元合金相图及合金设计理论，在合金熔点与Ag-72Cu共晶钎料相当的前提下，通过适量添加Ni、Sn、Zn、Ce、Ga等元素，得到Ag-Cu-Sn-Zn系的钎料合金。钎料中添加了Sn、Zn，两种元素质量总合低于20%，Sn含量不超过10%，使得钎料熔点可降至600℃。为了改善钎料的成形加工性能，并提高钎料的润湿性和钎接接头力学性能，在钎料中添加适量Ni元素。由于Zn的添加量增多会导致钎缝组织粗大，在钎料中还加入少量的稀土Ce和微量元素Bi，以细化组织，提高性能。另外，添加微量的Ce，还有助于消除合金中氢的有害影响。微量的Ga作为活性元素添加，目的是提高钎缝的结合强度。
本发明的无镉低银中温钎料的制备方法，先利用超高真空电弧炉熔配母合金，再应用单辊急冷快速凝固装置，制备得到钎料箔材，具体按照以下步骤实施：
步骤A、熔配钎料母合金
A1、按以下原子百分比称量好各个高纯金属：总的百分比为100%，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5%、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％；各高纯金属的纯度为99.99％；再用硼酐将称量好的各高纯金属进行净化处理；
A2、将步骤A1净化处理好的各高纯金属在超高真空电弧炉中进行加热熔化、经数次翻转并循环加热，使合金充分熔配均匀。由于气体在金属中的溶解度与温度有关，在熔炼操作过程中，为了最大限度地减少液态合金的含气量，在电弧炉完成熔配合金之后，再将熔配好了的合金置于真空保护中频感应炉中熔化、保温静置2-3分钟时间，以利合金中气体的逸出。为了将合金中的气体含量降到最低，可再次升温至合金重新熔化，保温静置2-3分钟。这样反复多次快速重熔和冷凝，可有效避免合金的吸气，得到含气量较低的钎料母合金。
步骤B、应用单辊急冷快速凝固装置制备钎料箔材，把步骤A2得到的钎料母合金通过高频感应加热至熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启单辊急冷快速凝固装置中的Ar气阀，使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，得到无镉低银中温合金钎料箔材，即成。
采用上述方法制备的合金钎料箔材厚度为45～60μm，宽约6～8mm。
将本发明方法制备得到的合金钎料箔材用于焊接硬质合金/钢的试样接头时，先将合金钎料箔材置于待焊硬质合金与钢之间，然后按照常规高频感应钎焊方法对装配好的接头进行加热、保温和凝固，再实施硬质合金/钢的钎焊连接。使用本发明的合金钎料箔材进行硬质合金/钢接头的钎焊工艺简单，操作方便。
实施例1
得到厚度约60μm，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材，对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度172MPa。
实施例2
得到厚约50μm，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度186MPa，与目前广泛应用的Ag-Cu-Cd中温钎料钎接40Cr与YG6的接头剪切强度相当。
实施例6 40 8 9 0.5 0.04 0.01 0.02 42.43
实施例3
得到厚约55μm，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度190MPa，与目前广泛应用的Ag-Cu-Cd中温钎料钎接40Cr与YG6的接头剪切强度相当。
实施例4：
得到厚约58μm，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度230MPa，高于目前广泛应用的Ag-Cu-Cd中温钎料钎接40Cr与YG6的接头剪切强度（约200MPa）。
表1为本发明六个实施例的组分含量数据表，制备过程参照前述的步骤。
表1，本发明六个实施例的组分含量数据表
实施例5
得到厚约50μm，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度215MPa，高于目前广泛应用的Ag-Cu-Cd中温钎料钎接40Cr与YG6的接头剪切强度（约200MPa）。
实施例6
得到厚约48m，宽约8mm的无镉低银中温合金钎料箔材。应用该合金钎料箔材对40Cr与YG6进行焊接，接头拉剪强度217MPa，高于目前广泛应用的Ag-Cu-Cd中温钎料钎接40Cr与YG6的接头剪切强度（约200MPa）。
综上所述，本发明的无镉低银中温钎料，其合金钎料箔材柔韧性能好，便于加工和装配；在焊接时与硬质合金与合金钢的匹配性好，接头综合机械性能较高，能够满足地质勘探、矿山开采、石油钻井等工况及使用性能需要；该合金钎料箔材的制备方法，工艺简单，制作成本低，便于推广。

Claims (3)

1.一种用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料，其特征在于，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5％、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％。
2.一种权利要求1所述的无镉低银中温钎料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤A、熔配钎料母合金
A1、按以下原子百分比称量好各个高纯金属：总的百分比为100％，其中Ag为40％～45％、Sn为7％～10％、Zn为5％～9％、Ni为0.2～0.5％、Ce为0.02％～0.04％、Ga为0.01％～0.03％、Bi为0.01％～0.03％、Cu为42％～48％，
各高纯金属的纯度为99.99％，利用硼酐将称量好的各高纯金属进行净化处理；
A2、将步骤A1净化处理好的各高纯金属在超高真空电弧炉中进行加热熔化、经数次翻转并循环加热，使合金充分熔配均匀，得到含气量较低的钎料母合金；
步骤B、应用单辊急冷快速凝固装置制备钎料箔材
把步骤A2得到的钎料母合金通过高频感应加热至熔化并过热形成合金液，3～5分钟后，开启单辊急冷快速凝固装置中的Ar气阀，使合金液迅速喷出，流射到高速旋转的辊轮表面并瞬间急冷凝固，得到无镉低银中温合金钎料箔材，即成。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤A2中，在电弧炉完成熔配合金之后，再将熔配好了的合金置于真空保护中频感应炉中熔化、保温静置2-3分钟时间，反复多次快速重熔和冷凝。
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