CN106077913B - 一种梯度硬质合金、其制备方法及应用 - Google Patents

一种梯度硬质合金、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度硬质合金，由YG8、YG15、YG20和WC20Co10Ni组成，其中YG8为硬质合金，其余为梯度过渡层。还公开了上述梯度硬质合金的制备方法及应用。本发明是将高Co硬质合金中的一部分Co用Ni替代烧结出粘结相30％的硬质合金，再依次与YG20、YG15和YG8组合，通过真空扩散烧结成梯度硬质合金，在梯度硬质合金的高粘结相侧与钢进行电弧冷焊连接，焊接过程不需预热和缓冷，利用梯度过渡层缓解焊接应力，焊后硬质合金不产生开裂；通过填充材料成分控制，接头界面不产生脆性碳化物，发挥不同粘结相含量硬质合金各自的优点，使电弧冷焊技术应用于硬质合金的生产，节约资源，且应用前景广阔。

Description

一种梯度硬质合金、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种梯度硬质合金、其制备方法及应用。
背景技术
WC-Co类硬质合金是应用最广的一类硬质合金，由于价格昂贵，可加工性差，使其难以生产较大尺寸、形状复杂的制品，而且许多零部件在使用时并不需要整体都用硬质合金制造，所以将硬质合金与韧性较好、强度较高、加工性能优异、廉价的钢连接起来使用，具有重要的实用价值，也是工业上常用的方式。
目前工业上硬质合金与钢的电弧连接仍未大量应用的原因主要有两点：第一是硬质合金与钢的线膨胀系数相差较大，电弧焊时焊接应力使硬质合金母材直接开裂，粘结相含量越低，越难焊接；第二是目前还没有专门用于硬质合金电弧焊的商用焊接材料，用普通的填充材料电弧焊时在硬质合金与焊缝的界面处生成脆性的碳化物，结合强度显著降低。
发明内容
根据上述提出的低粘结相硬质合金难于电弧焊而高粘结相硬质合金可焊接但性能不足的技术问题，而提供一种梯度硬质合金、其制备方法及应用。本发明主要利用真空扩散烧结方法把不同粘结相含量的硬质合金制成梯度硬质合金，然后在高粘结相一侧与钢进行电弧冷焊，发挥不同粘结相含量硬质合金各自的优点，使电弧冷焊技术应用于硬质合金的生产，节约资源，且应用前景广阔。
本发明采用的技术手段如下：
一种梯度硬质合金，其特征在于，由YG8、YG15、YG20和WC20Co10Ni组成，其中YG8为硬质合金，其余为梯度过渡层。
进一步地，所述WC20Co10Ni是按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结出粘结相30％的硬质合金块。
本发明还公开了上述梯度硬质合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤，
S1、烧结WC20Co10Ni，首先按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结硬质合金块；
S2、真空扩散烧结梯度硬质合金，将YG15、YG20和WC20Co10Ni分别切割成1mm～3mm的薄片，按YG8-YG15-YG20-WC20Co10Ni的顺序装配，用夹具夹紧固定，其中YG8为基层，然后进行真空扩散烧结制成梯度硬质合金，其中，扩散烧结采用液相烧结方式。
其中，所述步骤S1采用分段烧结方式，预烧结阶段首先以10℃/min的速度升温到500℃，接着500℃保温30min，然后继续以10℃/min的速度升温，到800℃保温20min；固相烧结阶段以5℃/min的速度升温到1270℃，在1270℃保温30min；液相烧结阶段以2℃/min升温到1400℃，保温90min；最后随炉冷却。
所述步骤S2采用扩散烧结方式，扩散烧结包括升温、保温和冷却三个阶段，第一段升温速度为10℃/min，升到1000℃，第二段升温以5℃/min的速度升温到1400℃，在1400℃进行扩散烧结，保温时间为75min，在冷却阶段采用缓慢冷却方式，耗时30min降温到800℃后再随炉冷却。
本发明还公开了上述梯度硬质合金在电弧冷焊工艺中的应用。
主要包括如下步骤：
S1、焊前不预热，将梯度硬质合金的WC20Co10Ni侧与钢进行焊接：
S2、焊后不缓冷，自然冷却至室温。
进一步地，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用钨极氩弧焊方法，将Ni-Fe-C焊丝作填充材料。
或者，进一步地，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用焊条电弧焊方法，将Z408或Z308焊条作为填充材料。
本发明在梯度硬质合金的高粘结相侧与钢进行电弧冷焊连接，焊接过程不需预热和缓冷，利用梯度过渡层缓解焊接应力，焊后硬质合金不产生开裂；通过填充材料成分控制，接头界面不产生脆性碳化物，发挥不同粘结相含量硬质合金各自的优点，使电弧冷焊技术应用于硬质合金的生产，节约资源，且应用前景广阔。
现有技术中，本发明的发明人所在的课题组经过多年试验研究，用自主研制的Ni-Fe-C合金体系填充材料(杨德新，赵秀娟.WC-Co硬质合金与钢钨极氩弧焊焊接材料及生产工艺.中国，ZL02150098.3，2002-11-26)实现了WC30Co(YG30)硬质合金与45钢的电弧冷焊，通过控制填充材料中的Ni和C含量抑制了界面η相的生成。由于YG30中粘结相Co的含量较高，有一定的韧性储备，焊接应力问题不突出，因此电弧冷焊时硬质合金母材不开裂。但YG30中Co含量高，消耗过多稀缺资源Co，价格昂贵，另外高的粘结相含量必然损失硬度和耐磨性，因此YG30这种硬质合金极少生产和应用，国内商用的YG30硬质合金采购不到。因此，本发明当采用部分Ni替代Co后，按总粘结相含量30％制成WC-Co-Ni系硬质合金后，证实仍可以进行电弧冷焊。
另外，电弧冷焊技术是指电弧焊时工件不需预热和缓冷，工艺灵活，应用广泛，但仅能连接30％粘结相含量的硬质合金仍然限制了硬质合金电弧冷焊技术的工业应用，通过把不同粘结相含量的硬质合金制成梯度硬质合金，在高粘结相侧与钢进行电弧冷焊连接，使工业上广泛应用的粘结相含量低并且硬度和耐磨性都优良的硬质合金与钢实现电弧冷焊具有很好的应用前景。
综上，较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、制造业的迅猛发展，使硬质合金刀具的需求量增大，因此硬质合金与钢的优质连接更显重要。长期以来通常认为硬质合金比较适合于非熔化焊，因此在实际生产中钎焊和扩散焊方法应用最为广泛，但钎焊接头的强度和使用温度都不高，而扩散焊需要专门设备，工件形状和尺寸都受限制。采用本发明所述的方法实现硬质合金与钢的电弧冷焊，对焊接设备要求相对降低，接头强度高，耐热性高，可焊接位置灵活，成本低，工业推广前景广阔，具有经济效益；
2、Co是稀缺资源，把硬质合金与钢连接后使用不仅可以节约硬质合金，并且充分发挥硬质合金与钢的各自优点，提高可靠性。本发明的梯度硬质合金高粘结相侧用Ni替代部分Co，进一步减少Co资源的消耗，因此本发明的推广应用也具有一定的社会效益。
基于上述理由本发明可在焊接领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的WC20Co10Ni硬质合金真空烧结曲线；
图2为本发明的梯度硬质合金扩散烧结装配示意图；
图3为本发明的梯度硬质合金真空扩散烧结曲线；
图4为本发明的梯度硬质合金焊件装配示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，一种梯度硬质合金，由YG8、YG15、YG20和WC20Co10Ni组成，其中YG8为硬质合金，其余为梯度过渡层。所述WC20Co10Ni是按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结出粘结相30％的硬质合金块。
本发明梯度硬质合金的制备方法，包括如下步骤，
S1、烧结WC20Co10Ni，首先按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结硬质合金块；如图1所示，采用分段烧结方式进行，预烧结阶段首先以10℃/min的速度升温到500℃，接着500℃保温30min，保证水分、气体和残留的胶体挥发，然后继续以10℃/min的速度升温，到800℃保温20min；固相烧结阶段以5℃/min的速度升温到1270℃，在1270℃保温30min。液相烧结阶段以2℃/min升温到1400℃，保温90min；最后随炉冷却。
S2、真空扩散烧结梯度硬质合金，将YG15、YG20和WC20Co10Ni分别切割成1mm～3mm的薄片，按YG8-YG15-YG20-WC20Co10Ni的顺序装配，用夹具夹紧固定，其中YG8为基层，然后进行真空扩散烧结制成梯度硬质合金，其中，扩散烧结采用液相烧结方式，如图3所示，扩散烧结包括升温、保温和冷却三个阶段，第一段升温速度为10℃/min，升到1000℃，第二段升温以5℃/min的速度升温到1400℃，在1400℃进行扩散烧结，保温时间为75min，在冷却阶段为防止因热膨胀系数差异导致弯曲变形而采用缓慢冷却方式，耗时30min降温到800℃后再随炉冷却。
本发明梯度硬质合金在电弧冷焊工艺中的应用，包括如下步骤：
S1、焊前不预热，将梯度硬质合金的WC20Co10Ni侧与钢进行焊接：
S2、焊后不缓冷，自然冷却至室温。
其中，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用钨极氩弧焊方法，将Ni-Fe-C焊丝作填充材料。
或者，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用焊条电弧焊方法，将Z408(EZNiFe-1)或Z308(EZNi-1)焊条作为填充材料。
实施例1
如图4所示，以YG8硬质合金板为基体，在一侧开30°坡口，在坡口处依次放置1mm厚的、2mm厚的YG20和3mm厚的WC20Co10Ni薄片，上述合金板片按顺序装配好后用夹具固定，然后进行真空扩散烧结，制成梯度硬质合金，与相同厚度单侧开30°坡口的45钢板材进行TIG焊接，焊丝采用Fe-35Ni-0.6C焊丝，焊丝直径1.2mm，手工送丝，焊接电流100A。
实施例2
如图4所示，以YG8硬质合金板为基体，在一侧开30°坡口，在坡口处依次放置1mm厚的、2mm厚的YG20和3mm厚的WC20Co10Ni薄片，上述合金板片按顺序装配好后用夹具固定，然后进行真空扩散烧结，制成梯度硬质合金，与相同厚度单侧开30°坡口的45钢板材进行焊条电弧焊，焊条采用Z408铸铁焊条，焊条直径3.2mm，焊接电流120A。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种梯度硬质合金在电弧冷焊工艺中的应用，其特征在于，该梯度硬质合金由YG8、YG15、YG20和WC20Co10Ni组成，其中YG8为硬质合金，其余为梯度过渡层，所述WC20Co10Ni是按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结出粘结相30％的硬质合金块；
该梯度硬质合金通过如下步骤制成：
烧结WC20Co10Ni，首先按质量百分比为70％WC、20％Co和10％Ni烧结硬质合金块，采用分段烧结方式，预烧结阶段首先以10℃/min的速度升温到500℃，接着500℃保温30min，然后继续以10℃/min的速度升温，到800℃保温20min；固相烧结阶段以5℃/min的速度升温到1270℃，在1270℃保温30min；液相烧结阶段以2℃/min升温到1400℃，保温90min；最后随炉冷却；
真空扩散烧结梯度硬质合金，将YG15、YG20和WC20Co10Ni分别切割成1mm～3mm的薄片，按YG8-YG15-YG20-WC20Co10Ni的顺序装配，用夹具夹紧固定，其中YG8为基层，然后进行真空扩散烧结制成梯度硬质合金，其中，扩散烧结采用液相烧结方式，扩散烧结包括升温、保温和冷却三个阶段，第一段升温速度为10℃/min，升到1000℃，第二段升温以5℃/min的速度升温到1400℃，在1400℃进行扩散烧结，保温时间为75min，在冷却阶段采用缓慢冷却方式，耗时30min降温到800℃后再随炉冷却；
经上述步骤制成的梯度硬质合金在电弧冷焊工艺的应用包括如下步骤：
S1、焊前不预热，将梯度硬质合金的WC20Co10Ni侧与钢进行焊接：
S2、焊后不缓冷，自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的梯度硬质合金在电弧冷焊工艺中的应用，其特征在于，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用钨极氩弧焊方法，将Ni-Fe-C焊丝作填充材料。
3.根据权利要求1所述的梯度硬质合金在电弧冷焊工艺中的应用，其特征在于，步骤S1中，梯度硬质合金与钢进行焊接时，采用焊条电弧焊方法，将Z408或Z308焊条作为填充材料。
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