CN105328291A - 一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法 - Google Patents

一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法 Download PDF

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罗大林
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Abstract

一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，本发明涉及改善钎焊性能的方法。本发明要解决现有硬质合金由于表面存在大量游离碳而导致钎料在其表面润湿性差，进而使其与钢的钎焊接头出现强度低的问题。本发明的方法：首先对材料进行预处理，然后在等离子体增强化学气相沉积真空装置中进行刻蚀和热处理去除硬质合金表面游离碳，最后将钎料置于材料的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中进行钎焊。本发明用于利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。

Description

一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法
技术领域
本发明涉及改善钎焊性能的方法。
背景技术
硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴(Co)或镍(Ni)、钼(Mo)为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。IVB、VB、VIB族金属的碳化物、氮化物及硼化物等，由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金。硬质合金具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀、强度和韧性较好等一系列优良性能，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。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。其中，钎焊以其连接异种金属的优越性成为连接硬质合金刀片与钢质刀体最广泛的一种连接方法。
但是，由于硬质合金内含有大量的碳化物，在烧结过后表面常常会存在很多游离态的碳，导致钎料在硬质合金表面的润湿性差，在硬质合金的钎焊过程中无法实现高质量的连接。
发明内容
本发明要解决现有硬质合金由于表面存在大量游离碳而导致钎料在其表面润湿性差，进而使其与钢的钎焊接头出现强度低以及缺陷的问题，而提供一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨，然后依次用丙酮超声预处理10min～20min，得到预处理后的硬质合金和预处理后的45#钢；
二、将预处理后的硬质合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为20Pa～100Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为5sccm～20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～200Pa，并在压强为100Pa～200Pa和氩气气氛下，将温度升温至400℃～800℃；
三、通入氢气，调节氢气气体流量为5sccm～20sccm，调节氩气气体流量为40sccm～55sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min；
四、刻蚀结束后，关闭射频电源，停止通入氩气，调节氢气流量为5sccm～40sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下，热处理5min～20min；
五、热处理后，停止通入氢气，以冷却速度为5℃/min～10℃/min将温度由400℃～800℃冷却至室温，得到去除游离碳的硬质合金；
六、将钎料置于去除游离碳的硬质合金与预处理后的45#钢的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa以下，然后在温度为700℃～900℃下保温2min～10min，最后将温度由700℃～900℃冷却至室温，即完成一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，使用氩气与氢气刻蚀以及氢气还原的方法去除硬质合金表面的游离碳，改善钎料在硬质合金上表面的润湿性，从而提高了硬质合金钎焊接头的强度。
2、本发明处理表面游离碳是通过在PECVD设备中进行等离子刻蚀实现去除，生产效率高，过程简单易控，低成本，易于实现大规模工业化生产。
本发明用于一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨，然后依次用丙酮超声预处理10min～20min，得到预处理后的硬质合金和预处理后的45#钢；
二、将预处理后的硬质合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为20Pa～100Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为5sccm～20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～200Pa，并在压强为100Pa～200Pa和氩气气氛下，将温度升温至400℃～800℃；
三、通入氢气，调节氢气气体流量为5sccm～20sccm，调节氩气气体流量为40sccm～55sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min；
四、刻蚀结束后，关闭射频电源，停止通入氩气，调节氢气流量为5sccm～40sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下，热处理5min～20min；
五、热处理后，停止通入氢气，以冷却速度为5℃/min～10℃/min将温度由400℃～800℃冷却至室温，得到去除游离碳的硬质合金；
六、将钎料置于去除游离碳的硬质合金与预处理后的45#钢的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa以下，然后在温度为700℃～900℃下保温2min～10min，最后将温度由700℃～900℃冷却至室温，即完成一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
本实施方式的有益效果是：
1、本实施方式通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，使用氩气与氢气刻蚀以及氢气还原的方法去除硬质合金表面的游离碳，改善钎料在硬质合金上表面的润性，从而提高了硬质合金钎焊接头的强度。
2、本实施方式在硬质合金表层脱碳的同时，通过再结晶可对硬质合金表面起到晶粒细化的作用。
3、本实施方式处理表面游离碳是通过在PECVD设备中进行等离子刻蚀实现去除，生产效率高，过程简单易控，低成本，易于实现大规模工业化生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的硬质合金为YT类硬质合金。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：步骤六中所述的钎料为Ag基钎料或Cu基钎料。其它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：步骤一中将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨是依次按200#、400#、600#、800#及1000#的金刚石磨盘进行打磨。其它与具体实施方式一至三相同。
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：步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa～700Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为500Pa～700Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至四相同。
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：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为500℃～700℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～15min。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中调节氢气气体流量为5sccm，调节氩气气体流量为55sccm。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中调节氢气气体流量为10sccm，调节氩气气体流量为50sccm。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为500Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为600Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为600Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为600℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为700℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。其它与具体实施方式一至十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min。其它与具体实施方式一至十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min。其它与具体实施方式一至十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤六中然后在温度为800℃下保温2min～10min。其它与具体实施方式一至十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤六中然后在温度为850℃下保温2min～10min。其它与具体实施方式一至十六相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨，然后依次用丙酮超声预处理15min，得到预处理后的硬质合金和预处理后的45#钢；
二、将预处理后的硬质合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为20Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa和氩气气氛下，将温度升温至600℃；
三、通入氢气，调节氢气气体流量为10sccm，调节氩气气体流量为50sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为600Pa，然后在射频功率为175W、压强为600Pa和温度为600℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min；
四、刻蚀结束后，关闭射频电源，停止通入氩气，调节氢气流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa，在射频功率为175W、压强为500Pa和温度为600℃的条件下，热处理10min；
五、热处理后，停止通入氢气，以冷却速度为5℃/min将温度由600℃冷却至室温，得到去除游离碳的硬质合金；
六、将钎料置于去除游离碳的硬质合金与预处理后的45#钢的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空至5×10-3Pa以下，然后在温度为800℃下保温5min，最后将温度由800℃冷却至室温，得到硬质合金/钢钎焊连接体，即完成一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
步骤一中所述的硬质合金为硬质合金YT15；
步骤六中所述的钎料为(AgCu)85Zn15；
步骤一中将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨是依次按200#、400#、600#、800#及1000#的金刚石磨盘进行打磨。
本实施例得到的硬质合金/钢钎焊接头结构完整，钎料填充无缝隙，WC相晶粒度为1.5μm，抗剪强度为400MPa，断裂功为131MJ/m3，钎料在硬质合表面润湿角为37°。
实施例二：
本实施例所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨，然后依次用丙酮超声预处理15min，得到预处理后的硬质合金和预处理后的45#钢；
二、将预处理后的硬质合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为20Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa，并在压强为200Pa和氩气气氛下，将温度升温至600℃；
三、通入氢气，调节氢气气体流量为10sccm，调节氩气气体流量为50sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为600Pa，然后在射频功率为175W、压强为600Pa和温度为600℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为15min；
四、刻蚀结束后，关闭射频电源，停止通入氩气，调节氢气流量为20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa，在射频功率为175W、压强为500Pa和温度为600℃的条件下，热处理10min；
五、热处理后，停止通入氢气，以冷却速度为5℃/min将温度由600℃冷却至室温，得到去除游离碳的硬质合金；
六、将钎料置于去除游离碳的硬质合金与预处理后的45#钢的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空至5×10-3Pa以下，然后在温度为800℃下保温5min，最后将温度由800℃冷却至室温，得到硬质合金/钢钎焊连接体，即完成一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
步骤一中所述的硬质合金为硬质合金YT30；
步骤六中所述的钎料为(AgCu)85Zn15；
步骤一中将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨是依次按200#、400#、600#、800#及1000#的金刚石磨盘进行打磨。
本实施例得到的硬质合金/钢钎焊接头结构完整，钎料填充无缝隙，WC相晶粒度为1.3μm，抗剪强度为386MPa，断裂功为155MJ/m3，钎料在硬质合表面润湿角为35°。

Claims (10)

1.一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨，然后依次用丙酮超声预处理10min～20min，得到预处理后的硬质合金和预处理后的45#钢；
二、将预处理后的硬质合金置于等离子体增强化学气相沉积真空装置中，抽真空至压强为20Pa～100Pa以下，通入氩气，调节氩气气体流量为5sccm～20sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为100Pa～200Pa，并在压强为100Pa～200Pa和氩气气氛下，将温度升温至400℃～800℃；
三、通入氢气，调节氢气气体流量为5sccm～20sccm，调节氩气气体流量为40sccm～55sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min；
四、刻蚀结束后，关闭射频电源，停止通入氩气，调节氢气流量为5sccm～40sccm，调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为200Pa～800Pa，在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下，热处理5min～20min；
五、热处理后，停止通入氢气，以冷却速度为5℃/min～10℃/min将温度由400℃～800℃冷却至室温，得到去除游离碳的硬质合金；
六、将钎料置于去除游离碳的硬质合金与预处理后的45#钢的待焊接面之间，并放置于真空钎焊炉中，对真空钎焊炉抽真空至1×10-3Pa～5×10-3Pa以下，然后在温度为700℃～900℃下保温2min～10min，最后将温度由700℃～900℃冷却至室温，即完成一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法。
2.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤一中所述的硬质合金为YT类硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤六中所述的钎料为Ag基钎料或Cu基钎料。
4.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤一中将硬质合金与45#钢分别用金刚石磨盘打磨是依次按200#、400#、600#、800#及1000#的金刚石磨盘进行打磨。
5.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa～700Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为500Pa～700Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。
6.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为500℃～700℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。
7.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中然后在射频功率为100W～200W、压强为200Pa～800Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～15min。
8.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中调节氢气气体流量为5sccm，调节氩气气体流量为55sccm。
9.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中调节氢气气体流量为10sccm，调节氩气气体流量为50sccm。
10.根据权利要求1所述的一种利用表面处理改善硬质合金钎焊性能的方法，其特征在于步骤三中调节等离子体增强化学气相沉积真空装置中压强为500Pa，然后在射频功率为100W～200W、压强为500Pa和温度为400℃～800℃的条件下进行刻蚀处理，刻蚀时间为5min～30min。
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