CN105127534A - 一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法 - Google Patents

一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法 Download PDF

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Abstract

一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法，包括如下步骤：a.将钨基粉末合金模具和银基钎料进行表面处理和预涂钎剂后进行装配；b.将步骤a中装配完成的钨基粉末合金模具整体放入真空炉预热，真空度为2×10-1Pa，预热温度400-500℃；c.将预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰钎焊快速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，直至钎料熔化后形成圆滑钎角，所述的银基钎料由以下质量百分比的组分构成：铜为52-59％，镍为5-8％，锂为1-3％，余量为银。本发明提供的钨基粉末合金模具钎焊连接方法避免钎缝过热区晶粒剧烈长大，提高钎焊接头的力学性能，钎料在接头中均匀分布，达到最佳的钎焊效果。

Description

一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法。
背景技术
钨基粉末合金是一种以钨为硬质相，以镍、铜或镍、铁等为粘结相构成的复合材料，具有高导热，高强度，高密度，低热膨胀系数与优异抗蚀性、抗氧化性和抗冲击韧性等性能，已逐渐用于制造结构复杂的压力铸造模具。压力铸造模具是压力铸造生产铸件的核心部件，决定着压铸件的质量和精度，其工作条件在各种模具中较为苛刻。压力铸造过程中熔融合金填充成型的两大特点就是高温和高压，压力铸造模具的型腔部分必须能承受高达1500-1600℃高温和液体金属的冲刷，要求制造压力铸造模具的材料必须具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀和耐热冲击性等特点。钨基粉末合金压力铸造模具大多采用粉末冶金精密成型工艺制造，大型结构复杂的钨基粉末合金压力铸造模具采用粉末冶金精密成型工艺难以一次成型，需要后序加工，分多次工艺完成，模具中有些难以加工的部位往往通过后期焊接而成，尤其是钨基粉末合金与其他金属相互连接，更能充分发挥高密度、高导热性、低膨胀系数钨基粉末合金的优异性能。但钨基粉末合金线膨胀系数小，接头会产生残余应力，接头的力学性能和抗热震性能较差，钨基粉末合金高温下化学活性强，焊接过程中接头极易氧化、氮化、吸氢，焊缝金属晶粒粗大，焊接时要求采取保护措施，钨基粉末合金导热性极强，熔化焊接时容易造成不熔合现象，焊接要求采用能量密度高、焊接热输入量大、焊接速度快的高效焊接技术与工艺。
钨基粉末合金与钨基粉末合金、钨基粉末合金与钢采用现有钎料和焊接工艺的连接存在如下技术难点，具体表现在：
1.采用直接火焰钎焊，由于钨基粉末合金导热性极强，热量传导快，热量迅速从加热区传导出去，钎焊接头局部需要长时间加热，表面极易氧化、氮化、吸氢，影响钎料对钨基粉末合金的润湿性能，同时，钨基粉末合金线膨胀系数小，接头局部加热会产生较大的残余应力。
2.钨基粉末合金模具整体放入真空炉直接钎焊，对钎焊面要求较高，接头形式受限，施加钎料不方便，受到炉中加热方式影响，钎缝受热不均，表面温度高，内部温度低，导致钎缝表面钎料流散；同时，加热时间长和加热温度超过600℃，金属晶粒易粗大，钎缝过热区晶粒剧烈长大成为溶解能力强的单相固溶体，降低钎焊接头力学性能。
3.采用钨极惰性气体保护焊(TIG)和熔化极惰性气体保护焊(MIG)的功率密度较低，焊接过程中热输入量较大，焊接后热影响区宽，焊缝晶粒粗大，导致接头性能变差。激光焊接或钎焊局部热量高度集中只适于小型部件。摩擦焊和扩散焊受到设备、工艺和接头形式的限制只能焊接小型部件和结构简单部件。扩散焊对钎焊面要求较高，接头形式受限，施加钎料不方便，加热时间长，效率低。
钨基粉末合金焊接性差很大程度上制约了其在压力铸造成型模具尤其是大型结构复杂的压力铸造成型模具的开发应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法，应用于钨基粉末合金制造结构复杂的压力铸造模具或通过后期焊接而成的钨基粉末合金压力铸造模具中难以加工的部位，实现了钨基粉末合金与钨基粉末合金、钨基粉末合金与钢的可靠连接。
本发明的技术方案是：
一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法，包括如下步骤：
a.将钨基粉末合金模具和银基钎料进行表面处理和预涂钎剂后进行装配；
b.将步骤a中装配完成的钨基粉末合金模具整体放入真空炉预热，真空度为2×10-1Pa，预热温度400-500℃；
c.将预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰钎焊快速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，直至钎料熔化后形成圆滑钎角，
其中，所述的银基钎料成分为：所述的银基钎料由以下质量百分比的组分构成：铜为52-59％，镍为5-8％，锂为1-3％，余量为银。所述的钎料厚度为0.10-0.12mm。
所述的钎剂由以下质量百分比的组分构成：氟硼酸钾为50-52％，硼酸为30-35％，氯化锂为13-20％，或市售适于银基钎料钎焊所用的硬钎剂。
本发明所述的钎焊的钨基粉末合金模具体积较大，结构复杂，技术方案中先期预热，通过预热，增加钨基粉末合金的热容量，然后再利用火焰钎焊的局部高温，迅速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，钎料熔化填满钎缝间隙形成圆滑钎角，避免表面氧化和钎缝过热区晶粒剧烈长大。预热温度低，钨基粉末合金的热容量小，钎焊加热时间较长，钨基合金表面极易氧化，结果降低钎焊工艺性能。预热温度高，将在真空炉中整体预热的钨基粉末合金模具取出后表面瞬间形成难以去除的氧化物，结果也是降低钎焊工艺性能。在500℃以下，钨基粉末合金表面形成的氧化物容易去除，钨基粉末合金导热性极强和热量传导快，热量迅速从加热区传导出去，很难加热到钎焊温度范围800-900℃，即使达到钎焊温度，但钎焊时间较长，表面氧化非常严重，晶粒长大，工艺性能和力学性能显著降低。
本发明的有益效果是：
1.将钨基粉末合金模具在真空炉预热400-500℃，可以避免钨基粉末合金表面氧化，钎缝受热均匀，降低接头中产生的残余应力，再利用火焰钎焊的局部高温，迅速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，钎料熔化填满钎缝间隙形成圆滑钎角，避免钎缝过热区晶粒剧烈长大，提高钎焊接头的力学性能。
2.银基钎料中添加锂，锂比基体金属钨的活性更强，可以减轻钨基粉末合金钎焊表面和钎缝的氧化，提高银基钎料对钨基粉末合金的润湿性能，润湿面积120mm2-151mm2，接头抗拉强度180MPa-227MPa。本发明提供的钎料配方弥补了现有技术钎料强度的不足对接头强度的影响，提高接头的承载能力。钎料在接头中均匀分布，达到最佳的钎焊效果。钎焊接头的间隙范围一般是0.05～0.2mm，特别适合与钨基粉末合金。
附图说明
图1是本发明的对钨基粉末合金焊接表面的润湿形貌的金相组织照片；
图2是经过700℃高温作用后钨基粉末合金的金相组织照片；
图3是经过300℃高温作用后钨基粉末合金样品的表面XRD图谱；
图4是经过800℃高温作用后钨基粉末合金样品的表面XRD图谱。
具体实施方式
通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。
本发明提供一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法，包括如下步骤：
d.将钨基粉末合金模具和银基钎料进行表面处理和预涂钎剂后进行装配；
e.将步骤a中装配完成的钨基粉末合金模具整体放入真空炉预热，真空度为2×10- 1Pa，预热温度400-500℃；
f.将预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰钎焊快速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，直至钎料熔化后形成圆滑钎角，
其中，所述的银基钎料成分为：所述的银基钎料由以下质量百分比的组分构成：铜为52-59％，镍为5-8％，锂为1-3％，余量为银。所述的钎料厚度为0.10-0.12mm。
所述的钎剂由以下质量百分比的组分构成：氟硼酸钾为50-52％，硼酸为30-35％，氯化锂为13-20％，或市售适于银基钎料钎焊所用的硬钎剂。
表1给出的本发明对钨基粉末合金与钨基粉末合金直接焊接的实施例，所有实施例均采用上述的钨基粉末合金、银基钎料和钎剂成分以及工艺步骤和参数得到的。钨基粉末合金尺寸为直径＝75mm，长度(L)＝60mm，对接钎焊。采用国家标准GB/T11364-2008润湿性试验方法和GB/T11363-2008钎焊接头强度试验方法测试润湿面积和钎焊接头强度。
具体工艺步骤如下：
第一步，确定制造压力铸造模具的钨基粉末合金材料、钎料和钎剂：
钨基粉末合金成分及质量百分比为：钨97％，铁2.1％，镍0.9％，采用粉末烧结工艺制成。
钎料成分及质量百分比为：铜52-59％，镍5-8％，锂1-3％，余量为银。按照上述组分及其质量白分别将纯度为99.99％的Ag、Cu、Ni、Li金属按设计成分置于Al2O3坩埚内，在真空炉中熔炼而成，熔炼温度900℃，熔炼时间10min，随炉冷却至室温，取出熔炼钎料，通过机械方法加工成薄状。
钎剂成分及质量百分比为：氟硼酸钾50-52％，硼酸30-35％，氯化锂13-20％。
第二步，钨基粉末合金模具钎焊表面预处理：
钨基粉末合金模具钎焊表面采用机械方法进行表面处理，之后放入丙酮溶液中进行超声波清洗，目的是去除表面的油污和氧化物。
第三步，清洗薄状银基钎料和预涂钎剂：
薄状银基钎料表面采用机械方法进行表面处理，厚度为0.10-0.12毫米(mm)，按第一步所述钎剂成分采用酒精溶液调制成糊状均匀涂覆钨基粉末合金模具钎焊表面，预涂钎剂的钎焊表面吹干待焊。
第四步，装配：
将厚度为0.10-0.12mm薄状银基钎料放置于预处理过的钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝内，然后利用夹具进行装配。
第五步，钎焊预热：
将钨基粉末合金模具整体放入真空炉预热，真空度为2×10-1Pa，预热温度400-500℃。
第六步，钎焊：
将在真空炉整体预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰钎焊快速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，直至钎料熔化形成圆滑钎角，实现钨基粉末合金模具钎焊可靠连接。
表1钨基粉末合金与钨基粉末合金直接焊接的实施例
实施例1-8应用本发明提供的钎料和工艺，如图1所示，提高银基钎料对钨基粉末合金的润湿性能和钎焊接头的力学性能，避免了钎缝过热区晶粒剧烈长大：(1)钨基粉末合金表面光洁，钎缝成型较好；(2)润湿面积120mm2－151mm2；接头强度180MPa－227MPa。实施例9中预热温度为700℃，如图2所示钨基粉末合金晶粒粗大，进一步说明钨基粉末合金不能加热时间长，加热温度超过700℃，金属晶粒易粗大，钎缝过热区晶粒剧烈长大成为溶解能力强的单相固溶体，降低钎焊接头力学性能。实施例10采用常规钎料，如图3所示X射线衍射仪对钨基合金表面氧化物分析结果表明，在300℃以下，XRD图谱中各衍射峰与钨元素的谱线完全重合，可以认为无氧化物生成。实施例11采用本发明的银基钎料，如图4所示X射线衍射仪对钨基合金表面氧化物分析结果表明在800℃时，钨基合金表面形成致密氧化物WO2.9和WO3，WO2.9为钨的四方晶系氧化物，WO3为钨的正交晶系氧化物钎料，表面氧化严重。
由此可见，采用本发明工艺和钎料较常规工艺和钎料焊接钨基粉末合金的润湿性好，表面光洁。

Claims (3)

1.一种钨基粉末合金模具钎焊连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.将钨基粉末合金模具和银基钎料进行表面处理和预涂钎剂后进行装配；
b.将步骤a中装配完成的钨基粉末合金模具整体放入真空炉预热，真空度为2×10-1Pa，预热温度400-500℃；
c.将步骤b中预热的钨基粉末合金模具取出，采用火焰钎焊快速加热钨基粉末合金模具待钎焊的钎缝，直至钎料熔化后形成圆滑钎角，
其中，所述的银基钎料由以下质量百分比的组分构成：铜为52-59％，镍为5-8％，锂为1-3％，余量为银。
2.如权利要求1所述的钨基粉末合金模具钎焊连接方法，其特征在于：所述的钎料厚度为0.10-0.12mm。
3.如权利要求1所述的钨基粉末合金模具钎焊连接方法，其特征在于：所述的钎剂由以下质量百分比的组分构成：氟硼酸钾为50-52％，硼酸为30-35％，氯化锂为13-20％。
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