CN104118166A - 一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢与铁基金属陶瓷复合体，所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为60wt％—75wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—9wt％。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属陶瓷复合体，尤其涉及一种钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺。
背景技术
钨是一种稀有金属，广泛应用于枪械制造、切削金属的刀片、钻头、超硬模具、拉丝模等等，钨的用途十分广泛，涉及矿山、冶金、机械、建筑、交通、电子、化工、轻工、纺织、军工、航天、科技、各个工业领域。钴不仅是制造合金钢的重要金属，而且是各种高级颜料的重要原料。由于钨和钴资源的限制，许多西方国家重点发展以TiC陶瓷为增强相，镍和镍合金为粘结相的无钨钴硬质合金，并得到了批量生产。95％的贫钨国家都逐渐使用TiC－Ni系金属陶瓷来替代钨钴硬质合金。用资源更为丰富，价格更低廉的铁和铁合金作为粘合相的金属陶瓷则是未来研究的发展方向。这对于象我国这样镍资源并不丰富的国家，开发铁基金属陶瓷的意义就更大。用铁基粘合相代替镍基粘合相， 大大降低了铁基金属陶瓷的制备成本。其制备成本只有镍基金属陶瓷的一半。为金属陶瓷的大规模商业推广奠定了坚实的基础。由于TiC陶瓷与金属之间的润湿性较差。TiC与铁在1550℃时的润湿角是40度，TiC与镍在1450℃时的润湿角是23度。致使铁基金属的焊接性能很差， 难以通过常规电焊工艺连接。用于焊接硬质合金的铜焊工艺也不能焊接铁基金属陶瓷。铁基金属陶瓷相对于钢来说要昂贵很多。很多应用领域很适合铁基金属陶瓷的应用，但是整体的的铁基金属陶瓷过于昂贵，制约了铁基金属陶瓷的推广和应用。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种钢与铁基金属陶瓷复合体以及其烧结、焊接一体化工艺， 该技术方案中首次提出在钢的外表面敷设，并压制铁基陶瓷陶瓷成份梯度混合粉，然后通过真空烧结，铁基陶瓷混合粉和钢烧结成金属陶瓷与钢的复合体。由于这一复合体中有一层钢， 就可以通过常规焊接技术再与钢连接，从而解决了铁基金属陶瓷的焊接难题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种钢与铁基金属陶瓷复合体，所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为60wt％—75wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—9wt％。
作为本发明的一种改进，所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为16wt％—23wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％—72wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。
作为本发明的一种改进，所述金属层为钢，所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190—210目,优选为200目，所述金属层为钢，所述高金属层设置为一层或者多层。根据需要来设置，为了满足工业化有效的生产，一般设置为一层。
一种钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下，1）将配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以8—12℃/min的速率升温至290℃—310℃，保温1小时；4）然后接着以8—12℃/min的速率升温至590℃—610℃， 在保温1小时；5）继续以8—12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8—12min，直至烧结温度1330℃—1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
作为本发明的一种改进，所述具体步骤如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）然后接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1330℃—1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
作为本发明的一种改进，所述步骤1的具体步骤如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，在金属层上开设微槽，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯。通过这种微槽， 变形，可以最大限度的降低热应力，使得复合体的结合强度高。
作为本发明的一种改进，所述步骤1中在金属层上开设的微槽，具体为，通过线切割方式进行切割，微槽宽度在0.15—0.3毫米，深度为0.5—2毫米。优选为微槽宽度在0.2毫米，深度为1.5毫米。
相对于现有技术，本发明的优点如下，1）该技术方案中为了缓和铁基金属陶瓷与钢之间因热膨胀系数的不同，金属陶瓷层采用热应力缓和设计，分外两层，外层的高陶瓷层中高陶瓷含量高，用于耐热耐磨；中间层的高金属层中金属含量高，通过合理的成分配比，使得该层的热膨胀系数与钢接近，降低热应力；2）该技术方案中在金属层上开设置微槽，微槽的开口要尽量的窄，以混合粉压制时，粉末不进入为宜；通常采用线切割方式，通过这种微槽， 变形，可以最大限度的降低热应力，使得复合体的结合强度高；3）整个工艺简单，容易操作，该技术方案解决了铁基金属陶瓷焊接难题，便于大规模的推广使用。
附图说明
图1为本发明压制毛坯剖视图；
图2为本发明另一种压制毛坯剖视图；
图中：1为高陶瓷层、2为高金属层、3为金属层、4为微槽。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语，包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1：
参见图1：一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为3wt％，Cr粉为7wt％；过渡层为高金属层，具体配方为25wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目；所述复合体烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在钢3的上表面先敷设高金属层2，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层1，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）然后接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
实施例2：参见图1，一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合体从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、金属层3，所述高陶瓷层的具体配方为：40wt％的400目TiC粉，Fe粉为47wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；内层的配方20wt％的400目TiC粉，Fe粉为67wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目。复合体烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在钢3的上表面先敷设高金属层2，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层1，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）然后接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1350℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
实施例3：参见图1，一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合体从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、金属层3，所述高陶瓷层的具体配方为：30wt％的400目TiC粉，Fe粉为57wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；内层的配方15wt％的400目TiC粉，Fe粉为72wt％，Mo粉为2wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为7wt％；以上金属粉的粒度均为200目。复合体烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在钢3的上表面先敷设高金属层2，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层1，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）然后接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1340℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
实施例4：参见图1，一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为3wt％，Cr粉为7wt％；过渡层为高金属层，具体配方为25wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目；所述复合体烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）将配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以8℃/min的速率升温至290℃，保温1小时；4）然后接着以8℃/min的速率升温至590℃， 在保温1小时；5）继续以8℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8min，直至烧结温度1330℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
实施例5：参见图1，一种钢与铁基金属陶瓷复合体及其烧结、焊接一体化工艺，其中复合体从外到内依次是高陶瓷层1、高金属层2、金属层3，所述高陶瓷层的具体配方为：40wt％的400目TiC粉，Fe粉为47wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；内层的配方20wt％的400目TiC粉，Fe粉为67wt％，Mo粉为1wt％，Ni粉为4wt％，Cr粉为8wt％；以上金属粉的粒度均为200目。复合体烧结、焊接一体化工艺具体如下，1）将配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，也叫高金属过渡层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以12℃/min的速率升温至310℃，保温1小时；4）然后接着以12℃/min的速率升温至610℃， 在保温1小时；5）继续以12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温12min，直至烧结温度1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
实施例6：参见图2，作为本发明的一种改进，复合体烧结、焊接一体化工艺中，步骤1的具体步骤如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在钢上表面先敷设高金属层2，在金属层3上开设微槽4，然后再敷设高陶瓷层1，压制成外侧高陶瓷层1，中间高金属过渡层2，底部为金属层3的复合毛坯。步骤1中在金属层上开设的微槽4，具体为，通过线切割方式进行切割，微槽宽度在0.15—0.3毫米，深度为0.5—2毫米。优选为微槽宽度在0.2毫米，深度为1.5毫米。通过这种微槽， 变形，可以最大限度的降低热应力，使得复合体的结合强度高。其余步骤以及复合体成分和实施例1、2、3、4、5完全相同。
实施例7：参见图2，作为本发明的一种改进，所述高金属层2设置为一层或者多层。根据需要来设置，为了满足工业化有效的生产，一般设置为一层。其余步骤以及复合体成分和实施例1、2、3、4、5完全相同。
本发明还可以将实施例6、7与所述的技术特征的至少一个与实施例1、2、3、4、5组合成新的实施方式。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上作出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种钢与铁基金属陶瓷复合体，所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—70wt％的400目TiC粉，Fe粉为35wt％—60wt％，Mo粉为1wt％—3wt％，Ni粉为2wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为15wt％—25wt％的400目TiC粉，Fe粉为60wt％—75wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—5wt％，Cr粉为6wt％—9wt％。
2.根据权利要求1所述的钢与铁基金属陶瓷复合体，其特征在于；所述复合体从外到内依次是高陶瓷层、高金属层、金属层，所述高陶瓷层的具体配方为，30wt％—50wt％的400目TiC粉，Fe粉为39wt％—57wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％；过渡层为高金属层，具体配方为16wt％—23wt％的400目TiC粉，Fe粉为62wt％—72wt％，Mo粉为1wt％—2wt％，Ni粉为3wt％—4wt％，Cr粉为7wt％—8wt％。
3.根据权利要求1或2所述的钢与铁基金属陶瓷复合体，其特征在于：所述金属层为钢，所述Fe粉、Mo粉、Ni粉、Cr粉粒度均为190—210目，所述高金属层设置为一层或者多层。
4.采用权利要求1—3任一项权利要求所述的钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下，1）将配好的粉末各自混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以8—12℃/min的速率升温至290℃—310℃，保温1小时；4）然后接着以8—12℃/min的速率升温至590℃—610℃， 在保温1小时；5）继续以8—12℃/min的速率升温，每隔300℃，保温8—12min，直至烧结温度1330℃—1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
5.根据权利要求4所述的钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述具体步骤如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯；2）将步骤1得到的复合毛坯放入真空炉中，抽真空，3）接着以10℃/min的速率升温至300℃，保温1小时；4）然后接着以10℃/min的速率升温至600℃， 在保温1小时；5）继续以10℃/min的速率升温，每隔300℃，保温10min，直至烧结温度1330℃—1360℃；6）烧结1小时后，随炉冷却至室温，就可获得上表面为金属陶瓷，下部为钢的铁基碳化钛金属陶瓷复合体。
6.根据权利要求4或5所述的钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述步骤1的具体步骤如下，1）将配好的粉末各自在混合均匀后，通过模具，在金属层的上表面先敷设高金属层，在金属层上开设微槽，然后再敷设高陶瓷层，压制成外侧高陶瓷层，中间高金属过渡层，底部为金属层的复合毛坯。
7.根据权利要求6所述的钢与铁基金属陶瓷复合体的烧结、焊接一体化工艺，其特征在于：所述步骤1中在金属层上开设的微槽，具体为，通过线切割方式进行切割，微槽宽度在0.15—0.3毫米，深度为0.5—2毫米。
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