CN105458438B - 用于圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法，所述包覆材料包括硬质合金“金属布”与NiCrBSi钎料“金属布”，硬质合金“金属布”由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉34％～40％、Co包碳化钨粉21％～24％、Ni粉5％～8％、Co粉4％～6％、Ti粉2％～3％、NiCrBSi钎料粉24％～28％。本发明中包覆材料的成分主要为WC硬质合金，通过钎焊的方法将包覆材料焊在零件表面大大提高零件表面的硬度及耐磨性，包覆材料与零件表面结合强度高；由于材料中包含细颗粒的Ni粉、Co粉及Ti粉，能够有效填充钎焊涂层中硬质合金颗粒之间的间隙，同时硬质合金“金属布”中包含钎料NiCrBSi，也能达到同样的目的，以获得致密的钎焊涂层。

Description

用于圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法，属于钎焊领域。
背景技术
金属材料在使用过程中受到环境与载荷的作用下易产生失效，零件的失效往往从表面开始，零件表面强度的高低、耐腐蚀性及耐磨性的好坏，在许多情况下，对于零件的使用寿命具有决定性意义。据统计，机械设备功能失效50％归因于零件表面磨损，每年因磨损失效而引起的损失约占国民经济总产值的1％。因此，对金属材料表面进行表面保护和表面强化处理，不仅可以提高材料的使用寿命，而且可以获得良好的技术经济效益。
目前主要使用的表面改性的方法有热喷涂、堆焊、硬质合金镶块和气相沉积等方法，但由于工件工作环境和要求的提高，这一系列耐磨处理方法由于本身具有的一些不足，使得它们越来越不能满足工业应用的需要。如：热喷涂涂层与基体间的连接强度不高，并且涂层的厚度不能太厚；堆焊由于在焊接过程中受热不均匀，温度梯度大，在焊后容易产生较大的应力和变形，甚至有可能产生裂纹；气相沉积方法所得到的耐磨层太薄。
通过钎焊的方法在零件表面焊上包覆涂层能够有效解决上述所提到方法中存在的一些问题，有效提高零件表面的硬度、耐腐蚀性及耐磨性。所用的包覆材料为柔性的布状材料，能够适应不同位置及不同形状零件的焊接。目前制作这种金属布主要采用的方法是流延法，但通过该方法制作金属布工艺复杂，制作周期长，厚度不方便控制，不适用于工业生产，由于圆形金属零件的形状不同于平板材料，在钎焊过程中存在钎料润湿性差的问题。
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圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法，通过在硬质合金金属布与圆形金属零件表面增加一层纯钎料金属布，钎料润湿性差的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种用于圆形金属零件表面改性的包覆材料，所述包覆材料包括硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布，所述硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布通过钎焊胶粘结成一整体，硬质合金金属布由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉34％～40％、Co包碳化钨粉21％～24％、Ni粉5％～8％、Co粉4％～6％、Ti粉2％～3％、NiCrBSi钎料粉24％～28％，其中Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为25μm～35μm，Co包碳化钨粉颗粒尺寸为25～35μm，Ni粉颗粒尺寸为5μm～15μm，Co粉颗粒尺寸为5μm～15μm，Ti粉颗粒尺寸为5μm～15μm，NiCrBSi钎料粉颗粒尺寸为5μm～15μm。
作为优选，所述硬质合金金属布中加入粘结剂，粘结剂与硬质合金金属布质量之比为1：20。
作为优选，所述粘结剂为有机硅树脂，工作温度为300℃～350℃。
一种上述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取Ni包碳化钨粉、Co包碳化钨粉、Ni粉、Co粉、Ti粉、NiCrBSi钎料粉，并将其混合；
(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入粘结剂，然后将器皿封闭，搅拌15～20min，得均匀的混合体，其中混合物与粘结剂质量比为20：1；
(3)将步骤2得到的混合物放在电热恒温箱中加热到100～150℃，保温1～2h，以提高混合物的粘稠性；
(4)利用金属布轧制装置对步骤3搅拌得到的混合物进行轧制，通过改变轧辊的高度，经过初轧、成型及终轧三个阶段轧制出硬质合金金属布；
(5)按照步骤(4)轧制纯钎料粉NiCrBSi金属布；
(6)按照圆形金属零件的尺寸对硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布进行裁剪。
一种上述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焊前准备：对待焊的圆形金属零件进行表面清理，除去油污、杂质及氧化膜，并置于丙酮中采用超声波方法清洗15-20min，根据零件的尺寸分别裁剪硬质合金金属布及钎料金属布；
(2)试样装配：在零件表面及两种金属布表面刷上一层钎焊胶，将硬质合金金属布贴在钎料金属布上面，再将钎料金属布贴在待焊零件表面；
(3)钎焊连接：将装配好的试样置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，首先以5～10℃/min的速率升温至300℃～350℃，保温15～20min，以5～10℃/min的速率升温至500～550℃，保温20～30min，再以8～12℃/min的速率升温至850℃～950℃，保温10～15min，再以10～20℃/min的速率继续升温至钎焊温度1025～1055℃，保温时间20～30min，再以5～10℃/min的速率冷却至700～800℃，最后以5～10℃/min的速率冷却至300℃～400℃，随炉冷却至室温，取出被焊试样即可。
有益效果：本发明的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料及制备和焊接方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明中包覆材料的成分主要为WC硬质合金，通过钎焊的方法将包覆材料焊在零件表面大大提高零件表面的硬度及耐磨性，包覆材料与零件表面结合强度高；
(2)本发明中包覆材料中包含细颗粒的Ni粉、Co粉及Ti粉，能够有效填充钎焊涂层中硬质合金颗粒之间的间隙，能够加强润湿性，并且能够细化钎焊涂层的晶粒、改善组织，提高性能，同时硬质合金金属布中包含钎料NiCrBSi，也能达到同样的目的，以获得致密的钎焊涂层；
(3)本发明中包覆材料包含硬质合金金属布与钎料金属布，将钎料金属布贴置于圆形金属零件表面与硬质合金金属布中间，熔化的钎料能够更好的填充颗粒之间的间隙，大大提高钎料的润湿性，使WC金属粉末更好地依附在金属零件的表面；
(4)本发明中在混合物中加入的有机硅树脂粘结剂，使金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘结剂中，使分散的金属粉形成一个相互联系的整体，制备的金属布柔韧性好，强度和密度高；
(5)本发明中在轧制混合物前将混合物加热到一定温度能够提高混合物的粘稠性，大大减少了轧制时间，提高了效率；
(6)本发明中所制备的包覆材料为柔性的金属布，既可焊接棒状材料及圆管的外表面，又可焊接圆管的内表面，装配起来方便快捷；
(7)本发明中的包覆材料制备时间短，柔韧性及强度高，大大提高了生产效率，具有较高的推广价值。
具体实施方式
实施例1
成分配方：
硬质合金金属布包含37％Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)、23％Co包碳化钨粉(WC-10Co)、6.5％Ni粉、5％Co粉、2.5％Ti粉、26％NiCrBSi钎料粉(AWS BNi-2)；其中Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)颗粒尺寸为25μm，Co包碳化钨粉(WC-10Co)颗粒尺寸为25，Ni粉颗粒尺寸为5μm，Co粉颗粒尺寸为5μm，Ti粉颗粒尺寸为5μm，NiCrBSi钎料粉颗粒尺寸为5μm。
制备方法：
(1)按质量百分比称取Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)、Co包碳化钨粉(WC-10Co)、Ni粉、Co粉、Ti粉、NiCrBSi钎料粉(AWS BNi-2)，并将其混合；
(2)将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入有机硅树脂粘结剂，然后将器皿封闭，搅拌15～20min，得均匀的混合体，其中混合物与粘结剂质量比为20：1；
(3)将步骤2得到的混合物放在电热恒温箱中加热到100～150℃，保温1～2h，以提高混合物的粘稠性；
(4)初轧：将步骤3搅拌得到的粉末利用金属布轧制装置进行轧制，首先初步控制金属布的厚度在2～3mm左右，进行初轧；
(5)成型：对金属布进行再一次轧制，调节轧辊的高度为1.5～2mm，给金属布一个正压力，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的粘结剂产生挤压作用，粘结剂在挤压作用下形成纤维状；
(6)终轧：将轧辊的高度调到所需金属布的厚度范围(厚度为：1～1.5mm)，进行多次反复碾压，金属纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在粘结剂中，使分散的金属粉形成一个相互联系的整体，纤维状各个区间的金属颗粒均匀分布，轧制出柔性硬质合金金属布。
(7)称取一定量的钎料粉NiCrBSi，按照步骤(4)～(6)轧制出厚度为1～1.5mm的钎料金属布；
(8)按照圆形金属零件的尺寸对硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布进行裁剪。
钎焊工艺：
包覆材料和奥氏体不锈钢钢管外表面真空钎焊：两根奥氏体不锈钢钢管，尺寸为Φ20mm×50mm×3mm，奥氏体不锈钢为304不锈钢，两块钎料金属布，尺寸为64mm×50mm×1mm，两块硬质合金金属布，尺寸为67mm×50mm×1mm。
(1)焊前准备：先对奥氏体不锈钢钢管表面进行清理，除去表面的杂质及油污，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min；
(2)试样装配：在钢管表面及两种金属布表面刷上一层钎焊胶，将硬质合金金属布贴在钎料金属布上面，再将钎料金属布贴在钢管外表面；
(3)钎焊连接：将装配好的两个试样整体分别以水平与竖直的位置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，以10℃/min的速率升温至350℃，保温15min，再以5℃/min的速率升温至500℃，保温30min，再以10℃/min的速率升温至950℃，保温10min，再以20℃/min的速率继续升温至钎焊温度1035℃，保温30min，再以5℃/min的速率冷却至800℃，最后以5℃/min的速率冷却至300℃，随炉冷却至室温，取出试样即可。
结果：钎焊获得奥氏体不锈钢钢管外表面的钎焊包覆涂层表面成型良好，经金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对两块试样涂层与基体的结合强度及其耐磨性能进行检测，水平放置及竖直放置试样涂层与基体的剪切强度分别为461MPa与452MPa，磨损量分别为45mg与49mg。
实施例2
成分配方：
硬质合金金属布包含35％Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)、24％Co包碳化钨粉(WC-10Co)、6％Ni粉、6％Co粉、2％Ti粉、27％NiCrBSi钎料粉(AWS BNi-2)；其中Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)颗粒尺寸为35μm，Co包碳化钨粉(WC-10Co)颗粒尺寸为25μm，Ni粉颗粒尺寸为10μm，Co粉颗粒尺寸为12μm，Ti粉颗粒尺寸为5μm，NiCrBSi钎料粉颗粒尺寸为8μm。
制备方法：与实施例1的制备方法相同。
钎焊工艺：
包覆材料和奥氏体不锈钢钢管内表面真空钎焊：两根奥氏体不锈钢钢管，尺寸为Φ20mm×50mm×3mm，奥氏体不锈钢为304不锈钢，两块钎料金属布，尺寸为54mm×50mm×1mm，两块硬质合金金属布，尺寸为51mm×50mm×1mm。
(1)焊前准备：先对奥氏体不锈钢钢管表面进行清理，除去表面的杂质及油污，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min；
(2)试样装配：在钢管内表面及两种金属布表面刷上一层钎焊胶，先将硬质合金金属布贴在钎料金属布上面，再将钎料金属布贴在钢管内表面；
(3)钎焊连接：将装配好的两个试样整体分别以水平与竖直的位置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，以10℃/min的速率升温至350℃，保温20min，再以5℃/min的速率升温至540℃，保温30min，再以8℃/min的速率升温至950℃，保温10min，再以20℃/min的速率继续升温至钎焊温度1055℃，保温30min，再以10℃/min的速率冷却至700℃，最后以10℃/min的速率冷却至300℃，随炉冷却至室温，取出试样即可。
结果：将焊得的试样切开，奥氏体不锈钢钢管内表面的钎焊包覆涂层表面成型良好，经金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对两块试样涂层与基体的结合强度及其耐磨性能进行检测，水平放置及竖直放置试样涂层与基体的剪切强度分别为438MPa与433MPa，磨损量分别为47mg与51mg。
实施例3
成分配方：
硬质合金金属布包含34％Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)、24％Co包碳化钨粉(WC-10Co)、8％Ni粉、6％Co粉、2％Ti粉、26％NiCrBSi钎料粉(AWS BNi-2)；其中Ni包碳化钨粉(WC-10Ni)颗粒尺寸为25μm～35μm，Co包碳化钨粉(WC-10Co)颗粒尺寸为28μm，Ni粉颗粒尺寸为13μm，Co粉颗粒尺寸为12μm，Ti粉颗粒尺寸为10μm，NiCrBSi钎料粉颗粒尺寸为10μm。
制备方法：与实施例1的制备方法相同。
钎焊工艺：
包覆材料和奥氏体不锈钢钢管内表面真空钎焊：两根奥氏体不锈钢钢管，尺寸为Φ20mm×50mm×3mm，奥氏体不锈钢为304不锈钢，两块钎料金属布，尺寸为54mm×50mm×1mm，两块硬质合金金属布，尺寸为51mm×50mm×1mm。
(1)焊前准备：先对奥氏体不锈钢钢管表面进行清理，除去表面的杂质及油污，并置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min；
(2)试样装配：在钢管内表面及两种金属布表面刷上一层钎焊胶，先将硬质合金金属布贴在钎料金属布上面，再将钎料金属布贴在钢管内表面；
(3)钎焊连接：将装配好的两个试样整体分别以水平与竖直的位置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，以8℃/min的速率升温至350℃，保温15min，再以8℃/min的速率升温至525℃，保温25min，再以10℃/min的速率升温至900℃，保温10min，再以15℃/min的速率继续升温至钎焊温度1040℃，保温25min，再以8℃/min的速率冷却至750℃，最后以8℃/min的速率冷却至350℃，随炉冷却至室温，取出试样即可。
结果：将焊得的试样切开，奥氏体不锈钢钢管内表面的钎焊包覆涂层表面成型良好，经金相观察发现钎焊连接区形成致密的界面结合，对两块试样涂层与基体的结合强度及其耐磨性能进行检测，水平放置及竖直放置试样涂层与基体的剪切强度分别为440MPa与436MPa，磨损量分别为46mg与50mg。
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)

1.一种用于圆形金属零件表面改性的包覆材料，其特征在于：所述包覆材料包括硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布，所述硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布通过钎焊胶粘结成一整体，硬质合金金属布由以下重量百分比的组分组成：Ni包碳化钨粉34%～40%、Co包碳化钨粉21%～24%、Ni粉5%～8%、Co粉4%～6%、Ti粉2%～3%、NiCrBSi钎料粉24%～28%，其中Ni包碳化钨粉颗粒尺寸为25μm～35μm，Co包碳化钨粉颗粒尺寸为25～35μm，Ni粉颗粒尺寸为5μm～15μm，Co粉颗粒尺寸为5μm～15μm，Ti粉颗粒尺寸为5μm～15μm，NiCrBSi钎料粉颗粒尺寸为5μm～15μm。
2.根据权利要求1所述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料，其特征在于：所述硬质合金金属布中加入粘结剂，粘结剂与硬质合金金属布质量之比为1：20。
3.根据权利要求2所述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料，其特征在于：所述粘结剂为有机硅树脂，工作温度为300℃～350℃。
4.一种如权利要求3所述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按质量百分比称取Ni包碳化钨粉、Co包碳化钨粉、Ni粉、Co粉、Ti粉、NiCrBSi钎料粉，并将其混合；
（2）将混合物装入自动搅拌设备器皿中，并加入粘结剂，然后将器皿封闭，搅拌15~20min，得均匀的混合体，其中混合物与粘结剂质量比为20：1；
（3）将步骤2得到的混合物放在电热恒温箱中加热到100~150℃，保温1~2h；
（4）利用金属布轧制装置对步骤3搅拌得到的混合物进行轧制，通过改变轧辊的高度，经过初轧、成型及终轧三个阶段轧制出硬质合金金属布；
（5）按照步骤（4）轧制纯钎料粉NiCrBSi金属布
（6）按照圆形金属零件的尺寸对硬质合金金属布与NiCrBSi钎料金属布进行裁剪，通过钎焊胶连接成一整体。
5.一种利用权利要求3所述的用于圆形金属零件表面改性的包覆材料的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）焊前准备：对待焊的圆形金属零件进行表面清理，除去油污、杂质及氧化膜，并置于丙酮中采用超声波方法清洗15-20min，根据零件的尺寸分别裁剪硬质合金金属布及钎料金属布；
（2）试样装配：在零件表面及两种金属布表面刷上一层钎焊胶，将硬质合金金属布贴在钎料金属布上面，再将钎料金属布贴在待焊零件表面；
（3）钎焊连接：将装配好的试样置于真空度不低于1.5×10-3Pa的真空钎焊设备中，首先以5~10℃/min的速率升温至300℃~350℃，保温15~20min，以5~10℃/min的速率升温至500~550℃，保温20~30min，再以8~12℃/min的速率升温至850℃~950℃，保温10~15min，再以10~20℃/min的速率继续升温至钎焊温度1025~1055℃，保温时间20~30min，再以5~10℃/min的速率冷却至700~800℃，最后以5~10℃/min的速率冷却至300℃~400℃，随炉冷却至室温，取出被焊试样即可。
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