CN106825896A - 一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，本发明涉及改善硬质合金与钢连接接头性能的方法。本发明要解决硬质合金与钢线膨胀系数等物理因素相差过大以及接头连接过程中生成的脆性化合物引起接头性能变差的问题。方法为：对硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片进行预处理，然后装配，再进行扩散焊接。本发明通过引入钛铜镍形成线膨胀系数成梯度变化的复合中间层体系，通过瞬时液相扩散焊在硬质合金与钢的接头中生成近共晶固溶体组织并抑制接头处脆性化合物的生成，有效的减少了残余应力和焊接缺陷，提高了接头强度，改善了接头性能。本发明应用于硬质合金刀具及不锈钢精密模具制造领域。

Description

一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法
技术领域
本发明涉及一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法。
背景技术
硬质合金是一种通过粉末冶金的方法制备得到的金属陶瓷工具材料，具有硬度高、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，被广泛的应用于机械加工、矿山开采、地质勘探等领域。但是由于其韧性较差，脆性较高，难以用于生产尺寸较大，形状复杂的制品，因此将硬质合金与韧性好、强度高、加工性能优异且廉价的钢焊接起来使用，具有重要的生产实用价值。
硬质合金与钢焊接的主要技术难点在于硬质合金与钢的热膨胀系数相差较大，一般为钢的1/2～1/3，因此接头在连接过程中会产生较大的热应力，焊后也会在焊缝区形成很高的残余应力，容易引起硬质合金开裂，导致连接失效。此外，如何防止硬质合金中的高熔点碳化物颗粒在焊缝处聚集以及脱碳脆性相(由于C向接头处扩散而出现的富W,Fe,Co等的M6C或M12C复合型碳化物，常以η相表示)的生成，也是是获得高质量连接接头需要解决的问题。
目前，硬质合金与钢的连接方法主要有钎焊、扩散焊和电子束焊等。钎焊和扩散焊是硬质合金与钢连接的常见办法。在缓解硬质合金和钢接头残余应力、提高接头强度的诸多方法中，添加中间过渡层是最为有效的方法之一。采用单层中间层(多采用弹性模量较低的软质金属)时，由于软金属的熔点都较低，会使接头的工作温度受到很大的限制。此外，针对硬质合金(线膨胀系数为6×10-6mm/℃)与不锈钢(线膨胀系数为16×10-6mm/℃)的焊接，由于线膨胀系数差异过大，使用单一的中间层并不能充分发挥作用。因此需要更合适的中间层和连接方法来提高硬质合金与钢的连接接头性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有焊接过程中残余应力过大，影响接头性能的问题，提供一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法。
本发明一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片分别进行打磨，然后分别放入丙酮溶液中超声清洗15min～20min，冷风吹干，得到预处理后的硬质合金、预处理后的钢和预处理后的金属中间层箔片；
二、按照从上到下的依次为预处理后的硬质合金、预处理后的金属中间层箔片和预处理后的钢的顺序装配，并在装配后的硬质合金表面上施加5MPa～10MPa的压力，得到装配后的待焊工件；
三、将装配后的待焊工件置于真空扩散焊炉中，抽真空，然后以5℃/min～15℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1000℃～1100℃，并在温度为1000℃～1100℃的条件下保温60min～90min，最后冷却至室温，即完成硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接。
本发明的方法在目前工艺相对稳定的真空钎焊和真空扩散焊的基础上进行优化改进，充分结合了二者的优点，采用瞬时液相扩散焊焊接硬质合金与钢并引入钛片、铜片、镍片作为复合中间层，Ni基金属硬度较低，具有较好的缓冲应力作用，对于硬质合金这种难润湿材料，Ti是很好的活性元素，Cu可以与Ti形成共晶而且共晶温度较低，Cu的塑韧性较好而且相对廉价易得。复合中间层能促进接头中近共晶固溶体组织的生成并能够有效防止硬质合金中高熔点碳化物的碳向界面扩散，从而避免了界面脆性相以及硬质合金中脱碳脆性相的生成，改善了接头的连接性能，实现在较低温度下完成高熔点中间层的融化，实现与难润湿被焊母材的反应、润湿而结合。本发明采用钛、铜、镍作为复合中间层形成线膨胀系数成梯度变化的中间层体系，可以有效的解决因线膨胀系数的差异而造成的残余应力过大的问题。这些都有利于释放接头的残余应力并提高接头的强度，进一步消除焊接缺陷，保证焊接质量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在目前相对稳定的真空钎焊和真空扩散焊的基础上进行优化改进，采用瞬时液相扩散焊方法探究硬质合金和钢的焊接工艺参数，进而获得性能优异的焊接接头，可在现有设备基础上迅速推广。
2、本发明在瞬时液相扩散焊过程中引入钛片、铜片、镍片作为复合中间层，近共晶固溶体组织的生成抑制接头处脆性化合物的生成，同时借助复合中间层材料减小因线膨胀系数的差异而造成的残余应力过大问题，提高接头质量。
3、本发明工艺设计合理，工序简单，便于进行批量化生产，可以显著提高经济效益。
附图说明
图1为硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接的示意图；1为预处理后的硬质合金，2为预处理后的钛片，3为预处理后的铜片，4为预处理后的镍片，5为预处理后的钢。
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：本实施方式一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片分别进行打磨，然后分别放入丙酮溶液中超声清洗15min～20min，冷风吹干，得到预处理后的硬质合金、预处理后的钢和预处理后的金属中间层箔片；
二、按照从上到下的依次为预处理后的硬质合金、预处理后的金属中间层箔片和预处理后的钢的顺序装配，并在装配后的硬质合金表面上施加5MPa～10MPa的压力，得到装配后的待焊工件；
三、将装配后的待焊工件置于真空扩散焊炉中，抽真空，然后以5℃/min～15℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1000℃～1100℃，并在温度为1000℃～1100℃的条件下保温60min～90min，最后冷却至室温，即完成硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接。
本实施方式的方法在目前工艺相对稳定的真空钎焊和真空扩散焊的基础上进行优化改进，充分结合了二者的优点，采用瞬时液相扩散焊焊接硬质合金与钢并引入钛片、铜片、镍片作为复合中间层，Ni基金属硬度较低，具有较好的缓冲应力作用，对于硬质合金这种难润湿材料，Ti是很好的活性元素，Cu可以与Ti形成共晶而且共晶温度较低，Cu的塑韧性较好而且相对廉价易得。复合中间层能促进接头中近共晶固溶体组织的生成并能够有效防止硬质合金中高熔点碳化物的碳向界面扩散，从而避免了界面脆性相以及硬质合金中脱碳脆性相的生成，改善了接头的连接性能，实现在较低温度下完成高熔点中间层的融化，实现与难润湿被焊母材的反应、润湿而结合。本实施方式采用钛、铜、镍作为复合中间层形成线膨胀系数成梯度变化的中间层体系，可以有效的解决因线膨胀系数的差异而造成的残余应力过大的问题。这些都有利于释放接头的残余应力并提高接头的强度，进一步消除焊接缺陷，保证焊接质量。
本实施方式与现有技术相比具有以下优点：
1、本实施方式在目前相对稳定的真空钎焊和真空扩散焊的基础上进行优化改进，采用瞬时液相扩散焊方法探究硬质合金和钢的焊接工艺参数，进而获得性能优异的焊接接头，可在现有设备基础上迅速推广。
2、本实施方式在瞬时液相扩散焊过程中引入钛片、铜片、镍片作为复合中间层，近共晶固溶体组织的生成抑制接头处脆性化合物的生成，同时借助复合中间层材料减小因线膨胀系数的差异而造成的残余应力过大问题，提高接头质量。
3、本实施方式工艺设计合理，工序简单，便于进行批量化生产，可以显著提高经济效益。
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YG8硬质合金、YG3硬质合金或YG6X硬质合金。其他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不同的是：步骤一中所述的钢为40Cr、45号钢或16Mn。其他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：步骤一中所述的金属中间层箔片为厚度为50μm～200μm的钛片，50μm～500μm的铜片和50μm～200μm的镍片。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式中所述的金属中间层箔片在扩散焊接过程中钛片在最上方，铜片在中间，镍片在下方，其中钛片靠近硬质合金，镍片靠近钢。
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：步骤一中所述的硬质合金的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂纸进行逐级打磨。其它与具体实施方式一至四之一相同。
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：步骤一中所述的钢的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂纸进行逐级打磨。其它与具体实施方式一至五之一相同。
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：步骤一中所述的金属中间层箔片依次采用320#和400#砂纸进行逐级打磨。其它与具体实施方式一至六之一相同。
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：步骤一所述的超声清洗的频率为0.5～40kHz。其它与具体实施方式一至七之一相同。
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：步骤二中在装配后的硬质合金表面上施加8MPa的压力。其它与具体实施方式一至八之一相同。
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：步骤三所述的保温时间为80min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
通过以下实施例验证本实施方式的有益效果：
实施例1、本实施例一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片分别进行打磨，然后分别放入丙酮溶液中超声清洗20min，冷风吹干，得到预处理后的硬质合金、预处理后的钢和预处理后的金属中间层箔片；
二、按照从上到下的依次为预处理后的硬质合金、预处理后的金属中间层箔片和预处理后的钢的顺序装配，并在装配后的硬质合金表面上施加8MPa的压力，得到装配后的待焊工件；
三、将装配后的待焊工件置于真空扩散焊炉中，抽真空，然后以10℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1030℃，并在温度为1030℃的条件下保温80min，最后冷却至室温，即完成硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接。
本实施例步骤一中所述的硬质合金为YG8，钢为16Mn，金属中间层箔片为厚度为50μm的钛片，100μm的铜片和50μm的镍片；步骤一中所述的硬质合金的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂纸进行逐级打磨；步骤一中所述的钢的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂纸进行逐级打磨；步骤一中所述的金属中间层箔片依次采用320#和400#砂纸进行逐级打磨。
本实施例装配后的待焊件如图1所示，焊接后经测试，本实施例在添加50μm的钛片，100μm的铜片，50μm的镍片作为复合中间层后，瞬时液相扩散焊焊接接头的剪切强度为262MPa，通过复合中间层瞬时液相扩散焊的方法缓解了硬质合金与钢接头的残余应力，提高了接头综合性能。
实施例2、本实施例一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片分别进行打磨，然后分别放入丙酮溶液中超声清洗20min，冷风吹干，得到预处理后的硬质合金、预处理后的钢和预处理后的金属中间层箔片；
二、按照从上到下的依次为预处理后的硬质合金、预处理后的金属中间层箔片和预处理后的钢的顺序装配，并在装配后的硬质合金表面上施加8MPa的压力，得到装配后的待焊工件；
三、将装配后的待焊工件置于真空扩散焊炉中，抽真空，然后以10℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1090℃，并在温度为1090℃的条件下保温80min，最后冷却至室温，即完成硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接。
步骤一中所述的硬质合金为YG6X，钢为45号钢，金属中间层箔片为厚度为50μm的钛片，100μm的铜片和50μm的镍片；步骤一中所述的硬质合金的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂纸进行逐级打磨；步骤一中所述的钢的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂纸进行逐级打磨；步骤一中所述的金属中间层箔片依次采用320#和400#砂纸进行逐级打磨。
经测试，本实施例在添加50μm的钛片，100μm的铜片，50μm的镍片作为复合中间层后，瞬时液相扩散焊焊接接头的剪切强度为320MPa，通过复合中间层瞬时液相扩散焊的方法缓解了硬质合金与钢接头的残余应力，提高了接头综合性能。

Claims (10)

1.一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行的：
一、将硬质合金的待焊接面、钢的待焊接面和金属中间层箔片分别进行打磨，然后分别放入丙酮溶液中超声清洗15min～20min，冷风吹干，得到预处理后的硬质合金、预处理后的钢和预处理后的金属中间层箔片；
二、按照从上到下的依次为预处理后的硬质合金、预处理后的金属中间层箔片和预处理后的钢的顺序装配，并在预处理后的硬质合金表面上施加5MPa～10MPa的压力，得到装配后的待焊工件；
三、将装配后的待焊工件置于真空扩散焊炉中，抽真空，然后以5℃/min～15℃/min的升温速度将真空扩散焊炉的温度升至1000℃～1100℃，并在温度为1000℃～1100℃的条件下保温60min～90min，最后冷却至室温，即完成硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接。
2.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的硬质合金为YG8硬质合金、YG3硬质合金或YG6X硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的钢为40Cr、45号钢或16Mn。
4.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的金属中间层箔片为厚度为50μm～200μm的钛片，50μm～500μm的铜片和50μm～200μm的镍片。
5.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的硬质合金的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用220#、400#、800#、1000#和1500#的砂纸进行逐级打磨。
6.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的钢的打磨处理的具体过程为：先用砂轮进行粗磨，再依次采用240#、400#、800#、1200#和1500#的砂纸进行逐级打磨。
7.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一中所述的金属中间层箔片依次采用320#和400#砂纸进行逐级打磨。
8.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤一所述的超声清洗的频率为0.5～40kHz。
9.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤二中在预处理后的硬质合金表面上施加8MPa的压力。
10.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的复合中间层液相扩散焊接方法，其特征在于步骤三所述的保温时间为80min。
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