CN104043915B - 硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法 - Google Patents

硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法 Download PDF

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Abstract

硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，它涉及复合钎料的制备方法。它要解决采用现有钎料进行硬质合金与硬质合金的钎焊存在接头残余应力大、易于开裂、工作时焊缝强度低和生产成本高的问题。方法：一、表面预处理；二、活性钎料片清理；三、装卡；四、冷轧加工和退火处理；五、活化反应处理。本发明三明治式复合钎料，其制备工艺简单，生产效率高，适用于硬质合金与硬质合金的真空钎焊、保护气氛钎焊和扩散焊等连接工艺；显著降低硬质合金与硬质合金焊接接头的残余应力，提高了焊缝强度，提高整体硬质合金构件的性能；本发明复合钎料适应硬质合金在炉中进行多规格大批具的焊接，大大提高了硬质合金焊接的生产效率，节约了生产成本。

Description

硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合钎料的制备方法。
背景技术
硬质合金是由硬度极高的难熔金属碳化物如WC等和粘结金属如Co等通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，目前已成为切削刀具的主要材料。但硬质合金价格较高，且抗弯强度和抗冲击韧性均较差，为节约成本，硬质合金烧结时尺寸都比较小。但是随着加工工件尺寸的增加，相应的硬质合金刀具的尺寸也要增加。这时会采用焊接技术来连接小尺寸的硬质合金成为大尺寸的硬质合金，再进行使用切削加工。
硬质合金与硬质合金的焊接出现诸多问题，首先没有相应的钎料，只能选用部分镍基或银基钎料来进行焊接。这些钎料相对于硬质合金耐磨性能差，在工作环境中会首先破坏。其次，由于硬质合金与钎料合金之间热膨胀系数的差异，采用上述钎料会造成硬质合金焊接接头残余应力大；再次，焊接温度高，焊后会造成硬质合金整体变形大，难以精密切削加工工件；最后，上述钎料与硬质合金的润湿性能一般。钎料制备工艺和设备复杂，生产周期长。
发明内容
本发明目的是解决采用现有钎料进行硬质合金与硬质合金的钎焊存在接头残余应力大、易于开裂、工作时焊缝强度低和生产成本高的问题，而提供硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法。
硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，按以下步骤实现：
一、表面预处理：采用水砂纸和金相砂纸按由粗到细的顺序逐级对钨片、钴片和铜片的表面进行打磨加工去除氧化膜，然后碱洗5～10min，水冲洗干净，再进行酸洗5～10min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，热风烘干待用；
二、活性钎料片清洗；取厚度为0.1～0.5mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，用去离子水清洗干净，烘干待用；
三、装卡：将步骤一和步骤二中准备好的钨片，钴片、铜片和活性钎料片，按照活性钎料片/钨/铜/钴/铜/钨/活性钎料片的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的复合板，并在复合板的一端边上采用铜制铆钉进行固定；
四、冷轧加工和退火处理：将步骤三中组装固定后的复合板进行冷轧加工，以铆钉固定端为开始轧制端，每道次变形量为3％～10％，当总变形量达到40％时进行中间退火处理，反复操作冷轧加工和退火处理，直至将复合板加工成0.01～5mm厚的复合箔材；
五、活化反应处理：将步骤四中得到的复合箔材用石墨卡具加以装卡后，置于真空炉内，抽真空至绝对压力为5×10-3～7×10-3Pa，以5～10℃/min的升温速率升到400～600℃后保温5～10min，然后以3～5℃/min的升温速率升到800～1000℃后保温5～30min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至400～600℃，随炉冷却至室温，开炉取出，即完成硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备；
其中步骤一中钨片、钴片和铜片的厚度均为0.1～1mm；
步骤二中活性钎料片的组成按重量百分比为0.01％～20％的Al、0.1％～l5％的Ti、20％～70％的Ni、1％～50％的Ag、1％～30％的Cu、0.1％～10％的B、0.1％～10％的Fe和0.1％～10％的Si。
本发明的有益效果是：
一、本发明制成的活性钎料片/钨/铜/钴/铜/钨/活性钎料片三明治式复合钎料，其制备工艺简单，生产效率高，适用于硬质合金与硬质合金的真空钎焊、保护气氛钎焊和扩散焊等连接工艺；
二、本发明解决了硬质合金与硬质合金焊接时钎料性能差，无法轧制加工成箔材的难题；
三、本发明中的复合钎料可以具有较大尺寸规格，且性能优良，给使用带来了极大便利；
四、本发明复合钎料可以显著降低硬质合金与硬质合金焊接接头的残余应力，提高了焊缝强度，提高整体硬质合金构件的性能；
五、本发明制备复合钎料时采用了真空热处理，避免了钎料中部分元素的氧化损失；
六、本发明通过多层金属相互的叠合，使得复合钎料封接应力得到释放；
七、本发明活性钎料片在高温会与多层金属进行扩散并发生化学反应，提高了整个复合钎料的活性；
八、本发明复合钎料适应硬质合金在炉中进行多规格大批具的焊接，大大提高了硬质合金焊接的生产效率，节约了生产成本。
附图说明
图1为实施例中使用三明治夹层式复合钎料钎焊硬质合金的示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，按以下步骤实现：
一、表面预处理：采用水砂纸和金相砂纸按由粗到细的顺序逐级对钨片、钴片和铜片的表面进行打磨加工去除氧化膜，然后碱洗5～10min，水冲洗干净，再进行酸洗5～10min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，热风烘干待用；
二、活性钎料片清洗；取厚度为0.1～0.5mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，用去离子水清洗干净，烘干待用；
三、装卡：将步骤一和步骤二中准备好的钨片，钴片、铜片和活性钎料片，按照活性钎料片/钨/铜/钴/铜/钨/活性钎料片的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的复合板，并在复合板的一端边上采用铜制铆钉进行固定；
四、冷轧加工和退火处理：将步骤三中组装固定后的复合板进行冷轧加工，以铆钉固定端为开始轧制端，每道次变形量为3％～10％，当总变形量达到40％时进行中间退火处理，反复操作冷轧加工和退火处理，直至将复合板加工成0.01～5mm厚的复合箔材；
五、活化反应处理：将步骤四中得到的复合箔材用石墨卡具加以装卡后，置于真空炉内，抽真空至绝对压力为5×10-3～7×10-3Pa，以5～10℃/min的升温速率升到400～600℃后保温5～10min，然后以3～5℃/min的升温速率升到800～1000℃后保温5～30min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至400～600℃，随炉冷却至室温，开炉取出，即完成硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备；
其中步骤一中钨片、钴片和铜片的厚度均为0.1～1mm；
步骤二中活性钎料片的组成按重量百分比为0.01％～20％的Al、0.1％～l5％的Ti、20％～70％的Ni、1％～50％的Ag、1％～30％的Cu、0.1％～10％的B、0.1％～10％的Fe和0.1％～10％的Si。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一中碱洗8min，水冲洗干净，再进行酸洗8min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗20min。其它步骤及参数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，步骤一中碱洗采用常温下质量浓度为5％～30％的NaOH溶液；酸洗采用质量浓度为5％～50％的HNO3溶液。其它步骤及参数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，步骤二中取厚度为0.3mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗20min。其它步骤及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，步骤四中退火是在真空炉内进行，其内部抽真空至绝对压力为3×10-3～4×10-3Pa，加热温度为200～500℃，保温时间为30～120min。其它步骤及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，步骤五中抽真空至绝对压力为6×10-3Pa，以8℃/min的升温速率升到500℃后保温8min，然后以4℃/min的升温速率升到900℃后保温20min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至500℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，按以下步骤实现：
一、表面预处理：采用水砂纸和金相砂纸按由粗到细的顺序逐级对钨片、钴片和铜片的表面进行打磨加工去除氧化膜，然后碱洗8min，水冲洗干净，再进行酸洗8min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗20min，热风烘干待用；
二、活性钎料片清洗；取厚度为0.3mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗20min，用去离子水清洗干净，烘干待用；
三、装卡：将步骤一和步骤二中准备好的钨片，钴片、铜片和活性钎料片，按照活性钎料片/钨/铜/钴/铜/钨/活性钎料片的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的复合板，并在复合板的一端边上采用铜制铆钉进行固定；
四、冷轧加工和退火处理：将步骤三中组装固定后的复合板进行冷轧加工，以铆钉固定端为开始轧制端，每道次变形量为6％，当总变形量达到40％时进行中间退火处理，反复操作冷轧加工和退火处理，直至将复合板加工成0.1mm厚的复合箔材；
五、活化反应处理：将步骤四中得到的复合箔材用石墨卡具加以装卡后，置于真空炉内，抽真空至绝对压力为6×10-3Pa，以8℃/min的升温速率升到500℃后保温8min，然后以4℃/min的升温速率升到900℃后保温20min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至500℃，随炉冷却至室温，开炉取出，即完成硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备；
其中步骤一中钨片、钴片和铜片的厚度均为0.5mm；
步骤二中活性钎料片的组成按重量百分比为0.01％～20％的Al、0.1％～l5％的Ti、20％～70％的Ni、1％～50％的Ag、1％～30％的Cu、0.1％～10％的B、0.1％～10％的Fe和0.1％～10％的Si；
步骤一中碱洗采用常温下质量浓度为10％的NaOH溶液；酸洗采用质量浓度为20％的HNO3溶液；
步骤四中退火是在真空炉内进行，其内部抽真空至绝对压力为～4×10-3Pa，加热温度为400℃，保温时间为60min。
实施例中制备所得三明治夹层式复合钎料用于钎焊硬质合金与硬质合金，见图1；钎焊后，焊接接头室温强度采用三点弯曲试验进行评价，测试设备为INSTRON-1185型电子万能试验机，压头位移速率为为0.5mm/min，测试得到的焊接接头弯曲强度为2300～2800MPa，可以达到硬质合金的基体材料性能的98％以上。从测试结果看出，当使用三明治夹层式复合钎料进行钎焊时，接头弯曲强度都比较高，约为普通钎料接头强度的3倍。分析硬质合金断口组织，接头的断裂部位也发生了变化，不再位于近缝区的母材中，说明复合钎料起到了较好的缓解与释放残余应力的作用。

Claims (6)

1.硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于它按以下步骤实现：
一、表面预处理：采用水砂纸和金相砂纸按由粗到细的顺序逐级对钨片、钴片和铜片的表面进行打磨加工去除氧化膜，然后碱洗5～10min，水冲洗干净，再进行酸洗5～10min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，热风烘干待用；
二、活性钎料片清洗；取厚度为0.1～0.5mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗10～30min，用去离子水清洗干净，烘干待用；
三、装卡：将步骤一和步骤二中准备好的钨片，钴片、铜片和活性钎料片，按照活性钎料片/钨/铜/钴/铜/钨/活性钎料片的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的复合板，并在复合板的一端边上采用铜制铆钉进行固定；
四、冷轧加工和退火处理：将步骤三中组装固定后的复合板进行冷轧加工，以铆钉固定端为开始轧制端，每道次变形量为3％～10％，当总变形量达到40％时进行中间退火处理，反复操作冷轧加工和退火处理，直至将复合板加工成0.01～5mm厚的复合箔材；
五、活化反应处理：将步骤四中得到的复合箔材用石墨卡具加以装卡后，置于真空炉内，抽真空至绝对压力为5×10-3～7×10-3Pa，以5～10℃/min的升温速率升到400～600℃后保温5～10min，然后以3～5℃/min的升温速率升到800～1000℃后保温5～30min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至400～600℃，随炉冷却至室温，开炉取出，即完成硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备；
其中步骤一中钨片、钴片和铜片的厚度均为0.1～1mm；
步骤二中活性钎料片的组成按重量百分比为0.01％～20％的Al、0.1％～l5％的Ti、20％～70％的Ni、1％～50％的Ag、1％～30％的Cu、0.1％～10％的B、0.1％～10％的Fe和0.1％～10％的Si。
2.根据权利要求1所述的硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于步骤一中碱洗8min，水冲洗干净，再进行酸洗8min，用水冲洗干净，然后置于丙酮中超声波清洗20min。
3.根据权利要求1或2所述的硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于步骤一中碱洗采用常温下质量浓度为5％～30％的NaOH溶液；酸洗采用质量浓度为5％～50％的HNO3溶液。
4.根据权利要求3所述的硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于步骤二中取厚度为0.3mm的活性钎料片打磨表面以去除氧化膜，然后置于丙酮中超声波清洗20min。
5.根据权利要求4所述的硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于步骤四中退火是在真空炉内进行，其内部抽真空至绝对压力为3×10-3～4×10-3Pa，加热温度为200～500℃，保温时间为30～120min。
6.根据权利要求5所述的硬质合金钎焊用三明治夹层式复合钎料的制备方法，其特征在于步骤五中抽真空至绝对压力为6×10-3Pa，以8℃/min的升温速率升到500℃后保温8min，然后以4℃/min的升温速率升到900℃后保温20min后停止加热，再以8℃/min的速率降温至500℃。
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