CN104907725B - 一种用于金属表面的钎焊包覆材料 - Google Patents

一种用于金属表面的钎焊包覆材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于金属表面的钎焊包覆材料，所述包覆材料为粉末颗粒，由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉(WC‑10Ni)48％～62％，Ni粉7％～11％，NiCrBSi合金粉(AWS BNi‑2)27％～45％，余量为粘结剂；Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为：5μm～15μm，Ni粉颗粒尺寸为：30μm～45μm，NiCrBSi合金粉颗粒尺寸为：25μm～35μm，其中Ni包碳化钨粉晶粒之间金属粘接相的自由度d≤0.3μm。本发明的一种用于金属表面的钎焊包覆材料，通过有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂的作用，钎料成分均匀并具有特定的粘接性能，钎焊包覆材料不会脱落，有利于高温连接过程中的原子扩散和界面反应，提高包覆材料的润湿能力以及金属表面的性能。

Description

一种用于金属表面的钎焊包覆材料
技术领域
本发明涉及一种焊接材料，具体涉及一种用于金属表面的钎焊包覆材料。
背景技术
在工业生产中，机械部件往往在机械传动、接触时发生磨损和腐蚀，其常常成为各种机械设备工件失效的主要形式，由此导致机械装置工作效率降低，机械部件的使用寿命大大缩短，工件维护更换频繁，产品质量降低，材料消耗增加，投资成本大大增加等一系列的问题，造成严重的经济损失和降低工作效率，因此对改善和提高金属材料的耐磨耐蚀性能的研究一直受到国内外的广泛重视。
随着我国高新技术产业的快速发展，在地质勘探、航空航天、国防军事、核工业、石油、电力、生物工程开发等领域，工作在高温、高压、高速、核辐射等极其苛刻的环境下，许多机械装备的部件都有防磨、抗蚀和耐高温的要求，从某种意义上讲，机械装备安全、可靠和寿命的高低长短取决于其关键部件的抗腐蚀和抗磨损的程度，耐磨、抗腐蚀等问题解决的程度，对机械装备的安全性、可靠性、低碳环保性及经济效益都具有举足轻重的作用。对解决各种金属部件的耐腐蚀和耐磨损问题成为各行各业关注的焦点，因此，研究开发一种具有较好的耐磨蚀、耐高温腐蚀等优异性能的涂层材料的是保证机械装备正常运行的当务之急，也是符合国家自主研发战略和绿色环保的领先技术。
纵观金属材料表面耐磨、耐蚀的研究现状，目前主要使用的表面耐磨处理方法有热喷涂、堆焊、硬质合金镶块、气相沉淀、激光熔覆、喷射成形以及纳米热喷涂等，其制备工艺已有很大的发展，力学和耐磨耐蚀性能也拥有一些改善，但由于空间位置以及硬质合金覆层加工处理困难，使得覆层组织和覆层表面厚度难以精确控制，覆层金属不易润湿等问题，因而该覆层金属在实际使用过程中拥有一系列的问题需要解决。钎焊是一种可用于硬质覆层金属与基体母材连接的一种方法，可以获得牢固的钎缝以及大尺寸、高表面精度、高含量硬质颗粒覆层制件，而钎焊工艺用于其覆层成形所表现出的优异特点与钎料的特性息息相关，因而钎焊材料是影响钎焊覆层质量的关键因素，同时解决部件空间位置的钎焊难题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于金属表面的钎焊包覆材料，通过有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂的作用，钎料成分均匀并具有特定的粘接性能，钎焊包覆材料可以裁剪为各种形状，有利于部件在各种复杂部位的钎焊，并保证在钎焊条件下，钎焊包覆材料不会脱落，有利于高温连接过程中的原子扩散和界面反应，提高包覆材料的润湿能力以及金属表面的性能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于金属表面的钎焊包覆材料，所述包覆材料为粉末颗粒，由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)48％～62％，Ni粉7％～11％，NiCrBSi合金粉(AWS BNi-2)27％～45％，余量为粘结剂；Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为：5μm～15μm，Ni粉颗粒尺寸为：30μm～45μm，NiCrBSi合金粉颗粒尺寸为：25μm～35μm，其中Ni包碳化钨粉晶粒之间金属粘接相的自由度d≤0.3μm。
作为优选，所述粘结剂包含有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：5。
作为优选，所述有机硅树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为7：1，有机硅树脂工作温度为250℃～300℃。
作为优选，所述有机硅树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：38.1％正硅酸四乙酯、23.2％甲基三乙氧基硅烷、8.5％二甲基二乙氧硅烷、3.3％顺丁烯二酸酐、5.2％丁苯橡胶、0.8％二甲苯、8.8％滑石粉、6.7％丙烯酸酯橡胶、4.2％甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、1.2％羟基封端聚二甲基硅氧烷；固化剂由以下重量百分比的组分组成：15％二乙烯三胺、21％邻羟基苯甲醛、16％二乙氨基丙胺、17％间苯二胺、18％双氰胺、13％丁烷四甲酸酐。
作为优选，所述环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：1，环氧树脂粘接剂的工作温度为750℃～850℃。
作为优选，所述环氧树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：48.8％双酚A型环氧树脂、7.2％异氰酸酯、3.5％乙烯基三甲氧基硅烷、3.4％聚酯树脂、3.3％聚硫橡胶、2.7％环氧丙烷丁基醚、3.5％二甲苯、2.8％钛酸酯、5.8％芳香胺、1.6％甲苯、2.4％异构十三醇聚氧乙烯醚、5.1％脂肪胺、3.4％聚酰胺树脂、6.4％丁腈橡胶；固化剂由以下重量百分比的组分组成：16％对羟基苯乙酮、18％二聚环戊二烯、22％羧酸树脂、19％三亚乙基四胺、25％聚酰胺树脂。
有益效果：本发明的一种用于金属表面的钎焊包覆材料，通过有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂的作用，钎料成分均匀并具有特定的粘接性能，钎焊包覆材料可以裁剪为各种形状，有利于部件在各种复杂部位的钎焊，并保证在钎焊条件下，钎焊包覆材料不会脱落，有利于高温连接过程中的原子扩散和界面反应，提高包覆材料的润湿能力以及金属表面的性能；本发明的钎焊包覆材料在钎焊的作用下，可以同时包覆在所需覆层材料的表面，覆层材料同时均匀致密的与部件连接，极大的降低了部件整体因焊接产生的应力问题，提高工作效率、降低投资成本和提高经济效益，提高金属表面覆层材料耐高温、耐磨和耐蚀的性能，提高了结合强度。
具体实施方式
实施例1
钎料包覆材料和奥氏体不锈钢表面真空钎焊：两块奥氏体不锈钢试样尺寸为40mm×40mm×3mm，奥氏体不锈钢为1Cr18Ni9Ti不锈钢，钎料包覆材料“金属布”裁剪为两块20mm×20mm截面。
钎料包覆材料的成分及质量百分比配比为：WC-10Ni：48％、Ni：7％、NiCrBSi：41％，粘结剂：4％。有机硅树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：38.1％正硅酸四乙酯、23.2％甲基三乙氧基硅烷、8.5％二甲基二乙氧硅烷、3.3％顺丁烯二酸酐、5.2％丁苯橡胶、0.8％二甲苯、8.8％滑石粉、6.7％丙烯酸酯橡胶、4.2％甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、1.2％羟基封端聚二甲基硅氧烷；固化剂由以下重量百分比的组分组成：15％二乙烯三胺、21％邻羟基苯甲醛、16％二乙氨基丙胺、17％间苯二胺、18％双氰胺、13％丁烷四甲酸酐，环氧树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：48.8％双酚A型环氧树脂、7.2％异氰酸酯、3.5％乙烯基三甲氧基硅烷、3.4％聚酯树脂、3.3％聚硫橡胶、2.7％环氧丙烷丁基醚、3.5％二甲苯、2.8％钛酸酯、5.8％芳香胺、1.6％甲苯、2.4％异构十三醇聚氧乙烯醚、5.1％脂肪胺、3.4％聚酰胺树脂、6.4％丁腈橡胶；固化剂由以下重量百分比的组分组成：16％对羟基苯乙酮、18％二聚环戊二烯、22％羧酸树脂、19％三亚乙基四胺、25％聚酰胺树脂；钎焊包覆材料的成分及颗粒尺寸为：WC-10Ni：10μm、Ni：30μm、NiCrBSi：25μm；钎料包覆材料厚度为0.5mm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：先对待钎焊的奥氏体不锈钢金属表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，不锈钢用金相砂纸研磨，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10min，根据不锈钢金属表面形状，裁剪柔性“金属布”材料；
(2)装配步骤：将裁剪柔性“金属布”材料贴置于清洗后的待焊表面上，必须保证“金属布”紧贴与不锈钢金属材料表面；
(3)钎焊连接：将装配好的两个试样整体分别平放和立放置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，首先以5℃/min的速率升温至250℃，保温15min，以5℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再以8℃/min的速率升温至750℃，保温25min，再以5℃/min的速率继续升温至钎焊温度1020，保温时间15min，再以5℃/min的速率冷却至700℃，最后以5℃/min的速率冷却至300℃，随炉冷却至室温，取出被焊覆层件即可。
结果：钎焊获得奥氏体不锈钢金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC55，结合强度为177MPa，磨损量为59mg。
实施例2：
钎料包覆材料和45#钢表面真空钎焊：两块45#钢试样尺寸为40mm×40mm×3mm，钎料包覆材料“金属布”裁剪为两块20mm×20mm截面。钎料包覆材料形状为矩形状，厚度为0.5～1.5mm，钎料包覆材料形容为“金属布”。
钎料包覆材料的成分及质量百分比配比为：WC-10Ni：51％、Ni：11％、NiCrBSi：34％，粘结剂：4％。有机硅树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：35％正硅酸四乙酯、24％甲基三乙氧基硅烷、9％二甲基二乙氧硅烷、3.0％顺丁烯二酸酐、6.0％丁苯橡胶、1.0％二甲苯、9.0％滑石粉、7.0％丙烯酸酯橡胶、5.0％甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、1.0％羟基封端聚二甲基硅氧烷；固化剂由以下重量百分比的组分组成：11％二乙烯三胺、23％邻羟基苯甲醛、18％二乙氨基丙胺、15％间苯二胺、19％双氰胺、14％丁烷四甲酸酐，环氧树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：44.0％双酚A型环氧树脂、8％异氰酸酯、4.0％乙烯基三甲氧基硅烷、3.0％聚酯树脂、3.8％聚硫橡胶、2.5％环氧丙烷丁基醚、4.0％二甲苯、3.5％钛酸酯、7.0％芳香胺、2.0％甲苯、3.0％异构十三醇聚氧乙烯醚、6.0％脂肪胺、3.7％聚酰胺树脂、5.5％丁腈橡胶；固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％对羟基苯乙酮、20％二聚环戊二烯、25％羧酸树脂、17％三亚乙基四胺、25％聚酰胺树脂；钎焊包覆材料的成分及颗粒尺寸为：WC-10Ni：10μm、Ni：35μm、NiCrBSi：30μm；钎料包覆材料厚度为1mm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：先对待钎焊的45#钢金属表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，45#钢金属表面用金相砂纸研磨，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min，根据45#钢金属表面形状，裁剪柔性“金属布”材料；
(2)装配步骤：将裁剪柔性“金属布”材料贴置于清洗后的待焊表面上，必须保证“金属布”紧贴与45#钢金属材料表面；
(3)钎焊连接：将装配好的试样整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，首先以7℃/min的速率升温至300℃，保温15min，以8℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温至800℃，保温25min，再以7℃/min的速率继续升温至钎焊温度1060℃，保温时间30min，再以5℃/min的速率冷却至700℃，最后以6℃/min的速率冷却至350℃，随炉冷却至室温，取出被焊覆层件即可。
结果：钎焊获得45#钢金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC64，结合强度为203MPa，磨损量为52mg。
实施例3：
钎料包覆材料和42CrMo钢表面真空钎焊：两块42CrMo钢试样尺寸为40mm×40mm×3mm，钎料包覆材料“金属布”裁剪为两块20mm×20mm截面。
钎料包覆材料的成分及质量百分比配比为：WC-10Ni：62％、Ni：9％、NiCrBSi：27％，粘结剂：2％。有机硅树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：40％正硅酸四乙酯、22％甲基三乙氧基硅烷、9％二甲基二乙氧硅烷、1.0％顺丁烯二酸酐、7.0％丁苯橡胶、0.6％二甲苯、10.0％滑石粉、6.0％丙烯酸酯橡胶、4.0％甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、0.4％羟基封端聚二甲基硅氧烷；固化剂由以下重量百分比的组分组成：17％二乙烯三胺、24％邻羟基苯甲醛、14％二乙氨基丙胺、18％间苯二胺、17％双氰胺、10％丁烷四甲酸酐，环氧树脂粘接剂的主剂由以下重量百分比的组分组成：53.0％双酚A型环氧树脂、6％异氰酸酯、3.0％乙烯基三甲氧基硅烷、5.0％聚酯树脂、2.5％聚硫橡胶、3.5％环氧丙烷丁基醚、3.0％二甲苯、2.0％钛酸酯、5.0％芳香胺、1.0％甲苯、1.5％异构十三醇聚氧乙烯醚、4.0％脂肪胺、4.5％聚酰胺树脂、6.0％丁腈橡胶；固化剂由以下重量百分比的组分组成：19％对羟基苯乙酮、15％二聚环戊二烯、18％羧酸树脂、20％三亚乙基四胺、28％聚酰胺树脂；钎焊包覆材料的成分及颗粒尺寸为：WC-10Ni：15μm、Ni：45μm、NiCrBSi：35μm；钎料包覆材料厚度为1.5mm。
钎焊工艺步骤为：
(1)准备阶段：先对待钎焊的42CrMo钢属表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，42CrMo钢金属表面用金相砂纸研磨，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10min，根据42CrMo钢金属表面形状，裁剪柔性“金属布”材料；
(2)装配步骤：将裁剪柔性“金属布”材料贴置于清洗后的待焊表面上，必须保证“金属布”紧贴与42CrMo钢金属材料表面；
(3)钎焊连接：将装配好的试样整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，首先以8℃/min的速率升温至300℃，保温15min，以10℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再以12℃/min的速率升温至850℃，保温25min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1100℃，保温时间45min，再以8℃/min的速率冷却至700℃，最后以6℃/min的速率冷却至400℃，随炉冷却至室温，取出被焊覆层件即可。
结果：钎焊获得42CrMo钢金属的表面覆层形成良好，金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对钎焊覆层材料表面进行多点测试并计算平均值，其硬度为HRC71，结合强度为187MPa，磨损量为46mg。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于金属表面的钎焊包覆材料，其特征在于：所述包覆材料由粉末颗粒制作成金属布状，由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉48％～62％，Ni粉7％～11％，NiCrBSi合金粉27％～45％，余量为粘结剂；Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为：5μm～15μm，Ni粉颗粒尺寸为：30μm～45μm，NiCrBSi合金粉颗粒尺寸为：25μm～35μm，其中Ni包碳化钨粉晶粒之间金属粘接相的自由度d≤0.3μm；
所述粘结剂包含有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂，有机硅树脂粘接剂和环氧树脂粘接剂重量之比为2：5。
2.根据权利要求1所述的用于金属表面的钎焊包覆材料，其特征在于：所述有机硅树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为7：1，有机硅树脂工作温度为250℃～300℃。
3.根据权利要求2所述的用于金属表面的钎焊包覆材料，其特征在于：所述主剂由以下重量百分比的组分组成：35％～40％正硅酸四乙酯、22％～24％甲基三乙氧基硅烷、6％～10％二甲基二乙氧硅烷、1.0％～4.0％顺丁烯二酸酐、4.0％～7.0％丁苯橡胶、0.6％～1.2％二甲苯、7.0％～10％滑石粉、6.0％～7.0％丙烯酸酯橡胶、4.0％～5.0％甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、0.4％～1.5％羟基封端聚二甲基硅氧烷；固化剂由以下重量百分比的组分组成：11％～17％二乙烯三胺、18％～24％邻羟基苯甲醛、12％～19％二乙氨基丙胺、15％～18％间苯二胺、17％～19％双氰胺、10％～15％丁烷四甲酸酐。
4.根据权利要求1所述的用于金属表面的钎焊包覆材料，其特征在于：所述环氧树脂粘接剂包含主剂和固化剂，主剂与固化剂重量之比为5：1，环氧树脂粘接剂的工作温度为750℃～850℃。
5.根据权利要求4所述的用于金属表面的钎焊包覆材料，其特征在于：所述主剂由以下重量百分比的组分组成：44％～53％双酚A型环氧树脂、6.0％～8.0％异氰酸酯、3.0％～4.0％乙烯基三甲氧基硅烷、3.0％～5.0％聚酯树脂、2.5％～3.8％聚硫橡胶、2.5％～3.5％环氧丙烷丁基醚、3.0％～4.0％二甲苯、2.0％～3.5％钛酸酯、5.0％～7.0％芳香胺、1.0％～2.0％甲苯、1.5％～3.0％异构十三醇聚氧乙烯醚、4.0％～6.0％脂肪胺、3.0％～4.5％聚酰胺树脂、5.5％～7.0％丁腈橡胶；固化剂由以下重量百分比的组分组成：13％～19％对羟基苯乙酮、15％～20％二聚环戊二烯、18％～25％羧酸树脂、17％～21％三亚乙基四胺、22％～28％聚酰胺树脂。
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