用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钎焊材料及其制备方法。
背景技术
现代工业制造等产业迅猛发展,对机械加工等领域的要求也越来越高。具有切削速度高,加工效率高,耐磨性能好,刀具寿命长的硬质合金刀具是刀具产品中最重要组成部分之一。中国制造业发展迅猛,对硬质合金刀具的需求巨大,随着硬质合金品种和规格尺寸的增加,尤其是在复杂形状、长尺寸的或大规格的硬质合金刀具的制造方面现仍然存在问题,阻碍了大规格硬质合金刀具的应用。为了实现硬质合金与硬质合金之间的可靠连接,开始使用焊接技术,尤其是钎焊技术。
目前的钎焊主要存在两个问题,并成为限制硬质合金连接发展的瓶颈技术。这两个问题分别是:其一钎料合金与硬质合金相比力学性能(尤其是硬度)相差很多,在工作中钎缝处往往首先破坏,随后开始破坏整个硬质合金刀具,最终破损无法再用;其二钎料与硬质合金这两种材料物理性质和化学性能方面存往很大的差异。在钎焊过程中容易产生较大的应力,所以其高质量大规格硬质合金的焊接问题一直难以解决。常用的钎焊方法中是采用银基、铜基和镍基钎料加热钎焊。为了提高焊接强度,人们做了很多工作,如用多金属夹层钎料降低接头的热应力或强化接头连接合金层,但如何达到既焊接牢固又避免在焊接过程中对硬质合金焊接接头损伤仍然没有较多办法。因为这些钎料通常有许多缺点,如在工作环境下力学性能差,难以保证钎焊接头的使用可靠性;常用钎料通常不含活性元素,对硬质合金的润湿性能一般;钎料制备过程复杂,通常需要大型的熔炼和甩带设备,制备工艺和设备复杂,生产周期长。
发明内容
本发明的目的是为了解决硬质合金钎焊接头易磨损、工作强度较低、润湿性能差的技术问题,提供一种用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料及其制备方法。
用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料按重量份数由0.01份~20份的Al、0.01份~l5份的Ti、20份~70份的Ni、1份~20份的W、1份~10份的Co、1份~10份的Cr、0.1份~10份的B、0.1份~10份的Fe、0.1份~10份的Si粉末及WC颗粒制成,WC颗粒的加入量为Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积的35%~55%。
用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料的制备方法按照以下步骤进行:
一、称取原料:按重量份数称取0.01份~20份的Al、0.01份~l5份的Ti、20份~70份的Ni、1份~20份的W、1份~10份的Co、1份~10份的Cr、0.1份~10份的B、0.1份~10份的Fe和0.1份~10份的Si粉末;
二、称取占Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积35%~55%的WC颗粒,WC颗粒的直径为l~15μm;
三、复合钎料机械合金化:将球磨球、步骤一中称取的原料和步骤二称取的WC颗一起放入行星球磨机中,抽真空后充入氩气,然后在球料质量比为10~15﹕1、磨球直径为2~10mm、转速为200~400r/min的条件下球磨8~20h,且每5~10min球磨机转换一次转动方向,每球磨3~4h停歇0.5~1h,得到混合均匀的钎料粉末;
四、熔炼:将步骤三的混合均匀钎料粉末放在高频感应熔炼炉中,同时向炉中充入氩气保护,在熔炼温度为900~1400℃的条件下熔炼5~20min,然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中,在施加频率为20~80kHz、振幅为20~50μm的条件下超声1~10min,空冷后,得到钎料合金块;
五、复合钎料箔制备:采用线切割方法将钎料合金块切成尺寸小于10~20mm的合金块,然后将合金块放入内径为20~30mm、底部缝宽0.4~0.9mm的底部开缝的石英管中,再将石英管放入甩带机的感应线圈中,将甩带机内腔抽真空至气体的绝对压力为1×10-3~4×10-3Pa,再充入高纯的干燥氩气至甩带机内腔相对压力为0.05~0.1MPa,然后将甩带机的感应线圈进行加热,当石英管内的合金块被加热到熔融状态时,打开甩带机的储气罐,以相对压力为0.01~0.03MPa的条件下向石英管内通入干燥氩气,将熔融状态的合金块从石英管底部缝隙吹出,被吹出的熔融状态的合金块溅射到转速为10~30m/s的滚轮上,熔融合金块甩出厚度为0.1~2mm的箔带,冷却后,得到用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料。
本发明具有如下优点:
一、本发明制备的复合钎料在球磨过程中WC增强相与钎料合金粉末可以充分均匀混合;
二、WC增强相与粘合元素、活性元素直接接触并相互作用,使得WC颗粒表面形成一层粘合与活性元素层;
三、WC颗粒表面由于球磨作用出现了比较强烈的晶格畸变,在熔炼过程下WC颗粒能充分地与活性元素发生反应,生成能够容易被钎料基体润湿的反应层,保证钎料基体(Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末)与WC颗粒之间的良好结合,从而保证钎料的力学性能;
四、在高温熔炼过程下施加超声波,可以保证WC颗粒均匀分布于钎料合金中,避免钎料中的成分和WC颗粒的偏聚,增加了颗粒的弥散强化作用,能够提高钎料最终的力学性能,从而可以保证提高硬质合金钎焊接头的性能;
五、WC颗粒经历了球磨过程、高温熔炼过程、超声波振动过程,WC颗粒发生了显著的细化行为,使得WC颗粒增强相在钎料基体中的弥散性更好,使钎料整体的均匀性提高,从而保证了钎料的性能稳定性;
六、在焊接时直接可以得到WC颗粒增强的复合焊缝;形成颗粒增强的复合焊缝后,接头的残余应力可以显著下降。
附图说明
图1是实验一中使用WC颗粒增强的复合钎料钎焊硬质合金的示意图,图中1表示硬质合金,2表示硬质合金,3表示夹具,4表示WC颗粒增强的复合钎料;
图2是WC颗粒增强的复合钎料的微观组织图;
图3是WC颗粒增强的复合钎料的XRD图谱。
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:本实施方式用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料按重量份数由0.01份~20份的Al、0.01份~l5份的Ti、20份~70份的Ni、1份~20份的W、1份~10份的Co、1份~10份的Cr、0.1份~10份的B、0.1份~10份的Fe、0.1份~10份的Si粉末及WC颗粒制成,WC颗粒的加入量为Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积的35%~55%。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料按重量份数由1份的Al、3份的Ti、30份的Ni、5份的W、8份的Co、5份的Cr、3份的B、7份的Fe、6份的Si粉末及WC颗粒制成,WC颗粒的加入量为Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积的45%。。其它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之一不同的是WC颗粒的加入量为Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积的35%~55%。其它与具体实施方式一或二之一相同。
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WC颗粒的加入量为Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积的35%~55%。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料的制备方法按照以下步骤进行:
一、称取原料:按重量份数称取0.01份~20份的Al、0.01份~l5份的Ti、20份~70份的Ni、1份~20份的W、1份~10份的Co、1份~10份的Cr、0.1份~10份的B、0.1份~10份的Fe和0.1份~10份的Si粉末;
二、称取占Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积35%~55%的WC颗粒,WC颗粒的直径为l~15μm;
三、复合钎料机械合金化:将球磨球、步骤一中称取的原料和步骤二称取的WC颗一起放入行星球磨机中,抽真空后充入氩气,然后在球料质量比为10~15﹕1、磨球直径为2~10mm、转速为200~400r/min的条件下球磨8~20h,且每5~10min球磨机转换一次转动方向,每球磨3~4h停歇0.5~1h,得到混合均匀的钎料粉末;
四、熔炼:将步骤三的混合均匀钎料粉末放在高频感应熔炼炉中,同时向炉中充入氩气保护,在熔炼温度为900~1400℃的条件下熔炼5~20min,然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中,在施加频率为20~80kHz、振幅为20~50μm的条件下超声1~10min,空冷后,得到钎料合金块;
五、复合钎料箔制备:采用线切割方法将钎料合金块切成尺寸小于10~20mm的合金块,然后将合金块放入内径为20~30mm、底部缝宽0.4~0.9mm的底部开缝的石英管中,再将石英管放入甩带机的感应线圈中,将甩带机内腔抽真空至气体的绝对压力为1×10-3~4×10-3Pa,再充入高纯的干燥氩气至甩带机内腔相对压力为0.05~0.1MPa,然后将甩带机的感应线圈进行加热,当石英管内的合金块被加热到熔融状态时,打开甩带机的储气罐,以相对压力为0.01~0.03MPa的条件下向石英管内通入干燥氩气,将熔融状态的合金块从石英管底部缝隙吹出,被吹出的熔融状态的合金块溅射到转速为10~30m/s的滚轮上,熔融合金块甩出厚度为0.1~2mm的箔带,冷却后,得到用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料。
将本实验中所得硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料用于钎焊硬质合金与硬质合金,对得到的硬质合金焊接接头在INSTRON-1185万能材料试验机上测试接头弯曲强度,常温静载,试验加载速率为0.1mm/min,测试得到的焊接接头弯曲强度为 3000~3200MPa。在MG-200型摩擦试验机上进行摩擦磨损试验,试验中施加正压力50N,下顶杆转速350r/min,持续1h,耐磨性能可以分析试样上的加载载荷、摩擦路程和试样的失重,测试可以得到3500~3700kg·m/mg,完全达到硬质合金的基体材料性能的98%以上。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中按重量份数称取3份的Al、4份的Ti、30份的Ni、10份的W、5份的Co、2份的Cr、3份的B、8份的Fe和9份的Si粉末。其它与具体实施方式五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤三中在转速为300r/min的条件下球磨10h。其它与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤四中在熔炼温度为1110℃的条件下熔炼18min。其它与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤三中超生施加方式为间歇性和连续性,所述间歇性施加超声波的施加方式为每间隔2min的时间施加1min超声波,超声时间为1~10min;连续性施加超声波的施加方式为连续施加超声波1~10min。其它与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是步骤六中将甩带机内腔抽真空至气体的绝对压力为2×10-3Pa,再充入高纯的干燥氩气至甩带机内腔相对压力为0.08MPa。其它与具体实施方式五至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果:
实验一:
用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料的制备方法按照以下步骤进行:
一、称取原料:按重量份数称取0.01份的Al、5份的Ti、50份的Ni、10份的W、3份的Co、3份的Cr、1份的B、1份的Fe和8份的Si粉末;
二、称取占Al、Ti、Ni、W、Co、Cr、B、Fe、和Si粉末总体积45%的WC颗粒,WC颗粒的直径为l0μm;
三、复合钎料机械合金化:将球磨球、步骤一中称取的原料和步骤二称取的WC颗一起放入行星球磨机中,抽真空后充入氩气,然后在球料质量比为12﹕1、磨球直径为3mm、转速为300r/min的条件下球磨10h,且每8min球磨机转换一次转动方向,每球磨3.5h停歇0.8h,得到混合均匀的钎料粉末;
四、熔炼:将步骤三的混合均匀钎料粉末放在高频感应熔炼炉中,同时向炉中充入氩 气保护,在熔炼温度为1100℃的条件下熔炼15min,然后采用水冷超声波头施加在熔融钎料合金中,在施加频率为30kHz、振幅为30μm的条件下超声5min,空冷后,得到钎料合金块;
五、复合钎料箔制备:采用线切割方法将钎料合金块切成尺寸9mm的合金块,然后将合金块放入内径为25mm、底部缝宽0.8mm的底部开缝的石英管中,再将石英管放入甩带机的感应线圈中,将甩带机内腔抽真空至气体的绝对压力为2×10-3Pa,再充入高纯的干燥氩气至甩带机内腔相对压力为0.07MPa,然后将甩带机的感应线圈进行加热,当石英管内的合金块被加热到熔融状态时,打开甩带机的储气罐,以相对压力为0.02MPa的条件下向石英管内通入干燥氩气,将熔融状态的合金块从石英管底部缝隙吹出,被吹出的熔融状态的合金块溅射到转速为12m/s的滚轮上,熔融合金块甩出厚度为1mm的箔带,冷却后,得到用于硬质合金钎焊的WC颗粒增强的复合钎料。
本实验中制备所得WC颗粒增强复合钎料用于钎焊硬质合金与硬质合金,对得到的硬质合金焊接接头在INSTRON-1185万能材料试验机上测试接头弯曲强度,常温静载,试验加载速率为0.1mm/min,测试得到的焊接接头弯曲强度为3000~3200MPa。在MG-200型摩擦试验机上进行摩擦磨损试验,试验中施加正压力50N,下顶杆转速350r/min,持续1h,耐磨性能可以分析试样上的加载载荷、摩擦路程和试样的失重,测试可以得到3500~3700kg·m/mg,完全达到硬质合金的基体材料性能的98%以上。