CN113245655B - 一种硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法 - Google Patents

一种硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属异种材料连接技术领域，具体涉及一种硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法。所述钎焊接头的连接层“具有椭球孔的补偿网增强三明治结构”。其制备方法包括如下步骤：1）准备不同厚度比例的硬质合金侧带状固体钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料；2）将硬质合金、硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网、钢侧带状固态钎料和钢打磨清洗后，按顺序合拢、装夹并预加压力；3）将装夹好的结构放入真空钎焊炉中钎焊。本发明提供的钎焊接头，利用常规商用材料即可制备具有金属多孔补偿网的连接层，限制高温下钎料流失；更重要的是可在补偿网网孔中心形成被钎料包裹的均匀椭球孔，有效缓解钎焊应力，提升接头的连接强度。

Description

一种硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法
技术领域
本发明涉及异种材料连接技术领域，具体的说是一种硬质合金/钢的多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法。
背景技术
硬质合金因其具有优异的机械性能，而被广泛应用于钻孔、金属切削工具、结构部件、采矿钻头、冲压模具以及用于高度集成的印刷电路板或凿岩机的微型钻头等方面。但由于硬质合金的价格相对昂贵，且硬质合金相对较差、难于制备形状复杂和尺寸大的构件，因此通常情况下硬质合金零件的尺寸较小。而且为保证构件整体具有足够的韧性和抗冲击性，必须将高强度的硬质合金固定或镶嵌在钢铁材料上进行复合使用。
硬质合金和钢两种材料在化学成分、组织类型、热膨胀系数等物理和力学性质上存在较大差异，导致两者在钎焊连接过程中和服役过程中存在焊缝脆化、焊接裂纹、气孔及氧化等缺陷，最终导致失效。尤其作为先进超高强刀具使用的硬质合金/钢复合结构（如大型盾构机刀齿/刀盘结构部件），在苛刻条件服役过程中，高温、淤泥、砂层、软岩及硬岩等各种复杂环境都对刀具提出了十分严格的考验，硬质合金/钢的钎焊接头性能和连接方式直接决定复合刀具的寿命和服役安全性。
目前常用的硬质合金/钢连接方式包括真空钎焊、感应钎焊、瞬态液相扩散焊以及激光焊等。但由于硬质合金、钢两种材料在物理和力学性质上存在的较大差异，使得上述方法均无法兼顾钎焊接头的高强度和高韧性。即使是目前应用广泛的真空钎焊接头或性能较稳定的补偿片真空钎焊，也不能将硬质合金/钢钎焊接头的强度提升与韧性、抗冲击性、安全服役寿命的改善实现理想的配合，在实际使用过程中极易出现硬质合金侧碎块、界面裂纹和脱落现象，直接影响高端硬质合金在诸多重要应用领域的使用性能、服役安全性和寿命，成为高端硬质合金应用和进一步深入发展的严重制约因素。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种硬质合金/钢的多孔补偿网增强钎焊接头及其制备方法。利用金属多孔补偿网限制钎焊过程中的钎料流动，能够在金属多孔补偿网网孔中心形成钎料包裹椭球孔，更有效缓解钎焊应力。该钎焊接头具有高连接强度、低焊接应力。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种具有高连接强度的硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头，其特征在于接头的连接层具有“包含椭球孔的补偿网增强三明治结构”，包括：分别用于与硬质合金、钢连接的带状固态钎料层各一层和位于两层固态钎料层中间的金属多孔补偿网。按上述方案，优选地，所述金属多孔补偿网为热轧后固溶态的商用奥氏体不锈钢平面多孔网。
按上述方案，优选地，硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料的厚度比例为 2:（1~4）：（2~5）。
按上述方案，优选地，所述的硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头，其特征在于，所述金属多孔补偿网具有方形网孔，厚度为0.05 mm~0.50 mm，方形网孔的边长为0.1 mm ~0.3 mm，网孔间距为0.2 mm ~0.5 mm。
按上述方案，优选地，所述带状固态钎料包括铜基钎料、镍基钎料、银基钎料和锰基钎料中的至少一种。
本发明还提供了一种硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）准备硬质合金侧带状固体钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料；
（2）将硬质合金的待连接端面、钢的待连接端面、带状固态钎料以及金属多孔补偿网两侧利用水磨砂纸和金相砂纸依次进行打磨，然后进行碱洗、去离子水超声洗净、酸洗以及酒精超声洗净，所述酒精超声洗净后再置于丙酮中超声清洗，彻底吹干置于恒温干燥箱中待用；
（3）按照硬质合金、硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网、钢侧带状固态钎料和钢的顺序合拢装夹；
（4）将装夹好的硬质合金/硬质合金侧带状固态钎料/金属多孔补偿网/钢侧带状固态钎料/钢复合结构装入真空热处理炉，抽真空至4.0×10-3Pa~8.0×10-3Pa，以5℃/min~6℃/min的升温速度升高到450℃~650℃并保温10min~30min；然后再以3℃/min ~10℃/min的升温速率升高到800℃~1100℃后保温8min~25 min；之后再以5℃/min ~10℃/min的降温速度降温至450℃~650 ℃，随炉冷却至室温后取出，完成整体真空钎焊，得到硬质合金/钢的多孔补偿网增强钎焊接头。
优选地，采用800#水磨砂纸和1000#金相砂纸进行打磨，置于丙酮中超声清洗的时间为10 min~20min。
优选地，碱洗采用质量浓度为8%~40%的氢氧化钠水溶液，碱洗时间8 min~20min，酸洗采用质量浓度为3%~45%的硝酸酒精溶液，酸洗时间8 min~20min。
优选地，碱洗时间10min，酸洗时间10min。
优选地，真空钎焊前施加装夹预压力，垂直钎焊层施加的预压力为50 MPa~150MPa，装夹后硬质合金与钢待连接端面平行度小于0.010mm，以获得良好的装夹效果，提高钎焊接头的连接强度。
优选地，真空钎焊在真空热处理炉中进行，所述真空钎焊的条件为抽真空至绝对压力为5.0×10-3Pa~7.0×10-3Pa，以6℃/min的升温速度升高到550 ℃并保温20 min；然后再以5℃/min的升温速率升高到900 ℃~1100 ℃后保温10 min；之后以6℃/min的将温速度降温至550 ℃。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明所制得的硬质合金/钢钎焊接头，金属多孔补偿网平行于硬质合金、钢连接端面并靠近硬质合金侧铺展，钎料在良好结合两侧基体的前提下，还对金属多孔补偿网实现了均匀渗入和包裹，可有效提高连接强度，获得硬质合金/钢的多孔补偿网增强、增韧钎焊接头。
2、本发明所制得的硬质合金/钢钎焊接头，在金属多孔补偿网的网孔中心形成了均匀分布、包裹钎料的椭球状微孔，这种特殊的内含金属多孔补偿网和椭球状微孔结构的连接层，可以有效降低钎焊升降温、服役过程中的热应力和机械应力集中，使钎焊接头强化、韧化。
3、本发明具有“包含椭球孔的补偿网增强三明治结构”接头采用商用带状固态钎料、采用商用不锈钢作为金属多孔补偿网原料，制备方法简单，易于操作，并显著提升硬质合金/钢钎焊接头的结合强度。
4、本发明中的硬质合金/钢钎焊接头，具有高连接强度，其中Co基WC/钢钎焊接头的剪切强度可达到226.5 MPa ~386.5 MPa，与各自对应的相同钎焊层厚度的不加网钎焊接头相比提升幅度达到37.6 %~96.9 %。
附图说明
图1为本发明设计的“补偿网增强、多孔增韧三明治”接头连接层的硬质合金/钢钎焊接头的结构示意图；
图2为金属多孔补偿网结构示意图；
图3为A处局部放大图；
图4为实施例1所得具有“补偿网增强、多孔增韧三明治”结构的Co基WC/钢钎焊接头界面形貌图；
图5为B处局部放大形貌图；
图6为实施例1~实施例3所得具有“补偿网增强、多孔增韧三明治”结构的Co基WC/钢钎焊接头与不具有“补偿网增强三明治”结构的Co基WC/钢钎焊接头剪切应力-变形曲线。
其中：1为加网钎层料；2为金属多孔补偿网；3为钎料包裹的椭球孔；4为硬质合金；5为带状固态钎料；6为钢；a为网孔横向间距；b为网孔纵向间距；c为网孔纵向边长；d为网孔横向边长。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的方案和效果作如下进一步描述，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明保护的权利范围：
具体实施方式一：
如图1-3所示，一种具有高连接强度的硬质合金/钢钎焊接头，具有“补偿网增强、多孔增韧三明治”结构的加网钎层料1，采用商用Co基WC硬质合金和40Cr钢，金属多孔补偿网2为热轧后固溶态的304奥氏体不锈钢网，金属多孔补偿网厚度为0.10 mm，图3中金属多孔补偿网为方形网孔，方形网孔的边长c、d为0.2 mm、网孔间距a、b为0.4mm，及厚度分别为0.10 mm和0.20 mm的带状固态钎料5，具体为CuMnNi钎料（35.0 wt.% Cu、15.0 wt.% Mn、20.0 wt.% Ni）作为原料，其硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网和钢侧CuMnNi钎料的厚度比例为2：2：4，该厚度比例有助于提高钎焊接头的连接强度。硬质合金3和钢5的待连接样品尺寸为10 mm×10 mm×10 mm。将硬质合金和钢的待连接端面、CuMnNi钎料以及金属多孔补偿网两侧利用800#水磨砂纸和1000#金相砂纸依次进行打磨，之后分别进行15 min的碱洗和酸洗，置于丙酮中超声清洗20min后吹干。
将不锈钢网裁切为15.0 mm×15.0 mm尺寸、两侧CuMnNi钎料裁切为12.0 mm×12.0 mm尺寸的膜片。将金属多孔补偿网置于所述两层CuMnNi钎料的中间形成加网钎层料，按照硬质合金、硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网、钢侧CuMnNi钎料和钢的顺序合拢装夹，合拢后垂直钎焊界面施加110 MPa压力进行夹持。置于真空热处理炉抽真空至6.0×10-3Pa，以5℃/min的升温速度升高到550 ℃并保温10 min；然后再以4℃/min的升温速率升高到1000 ℃后保温10 min；之后以5℃/min的降温速度降温至450℃，随炉冷却至室温后取出。
完成钎焊的硬质合金/钢钎焊接头截面微观形貌如图4-5所示，可以看到金属多孔补偿网平行于硬质合金、钢连接端面并靠近硬质合金侧铺展，钎料在良好结合两侧基体的前提下，还对金属多孔补偿网实现了均匀渗入和包裹，同时，在补偿网的原网孔中心形成了均匀分布的近椭球状微孔。这种特殊的内含金属多孔补偿网和椭球状孔结构的连接层，可以有效降低钎焊升降温、服役过程中的热应力和机械应力集中，实现该钎焊接头的强化、韧化目的。
具体实施方式二：
本实施方式与具体实施方式一不同的是金属多孔补偿网厚度调整为0.05 mm，对应两侧CuMnNi钎料厚度为0.10 mm和0.15 mm，其硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网和钢侧CuMnNi钎料的厚度比例为 2:1:3，CuMnNi钎料成分为35.0 wt.% Cu、13.5 wt.% Mn、51.5 wt.% Ni。其他技术方案与具体实施方式一相同。硬质合金侧带状固态钎料的厚度、金属多孔补偿网的厚度、钢侧带状固态钎料的厚度三者的厚度比与钎焊接头的抗剪强度密切相关。
经剪切强度测试，1050 ℃下保温10 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到386.5 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了96.9 %。
利用常规的商用材料即可制备具有金属多孔补偿网的连接层，限制高温钎焊过程中的钎料流失；更重要的是能够在补偿网网孔中心形成被钎料包裹的均匀椭球孔，更有效缓解钎焊应力，显著提升钎焊接头的连接强度。
具体实施方式三：
本实施方式与具体实施方式一不同的是金属多孔补偿网厚度调整为0.30 mm，对应两侧CuMnNi钎料厚度为0.20 mm和0.20 mm，其硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网和钢侧CuMnNi钎料的厚度比例为2:3:2。方形网孔的边长c、d为0.1 mm、网孔间距a、b为0.2mm。其他技术方案与具体实施方式一相同。
经剪切强度测试，1075 ℃下保温10 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到248.6 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了45.7 %。
图6为实施例1~实施例3所得具有“补偿网增强、多孔增韧三明治”结构的Co基WC/钢钎焊接头与不具有“补偿网增强、多孔增韧三明治”结构的Co基WC/钢钎焊接头剪切应力-变形曲线，金属多孔补偿网增强复合真空钎焊接头试样在MTS 810型材料力学试验平台进行剪切强度测试，钎焊接头剪切强度可达到226.5 MPa ~386.5 MPa，与各自对应的相同钎焊层厚度的不加网钎焊接头相比提升幅度达到，提升幅度达到37.6 %~96.9 %。
具体实施方式四：
本实施方式与具体实施方式一不同的是金属多孔补偿网厚度调整为0.50 mm，对应两侧CuMnNi钎料厚度为0.25 mm和0.30 mm，其硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网和钢侧CuMnNi钎料的厚度比例为2:4:2.5。方形网孔的边长c、d为0.3 mm、网孔间距a、b为0.5 mm。其他技术方案与具体实施方式一相同。
经剪切强度测试，1000 ℃下保温10 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到226.5 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了37.6 %。
具体实施方式五：
本实施方式与具体实施方式一不同的是针对Co基TiC、WC（YT15）硬质合金和钢进行补偿网真空钎焊，同时金属多孔补偿网厚度调整为0.30 mm，对应两侧CuMnNi钎料厚度为0.20 mm和0.20 mm，其硬质合金侧CuMnNi钎料、金属多孔补偿网和钢侧CuMnNi钎料的厚度比例为2:3:2。其他技术方案与具体实施方式一相同。经剪切强度测试，1025 ℃下保温15min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到295.8 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了51.5 %。
具体实施方式六：
本实施方式与具体实施方式一不同的是对应两侧带状固态钎料为BNi82CrSiB镍基钎料，厚度为0.20 mm和0.30 mm，其硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料的厚度比例为2:1.5:3。方形网孔的边长c、d为0.15 mm、网孔间距a、b为0.3mm。其他技术方案与具体实施方式一相同。
经剪切强度测试，1050 ℃下保温10 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到276.5 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了42.5 %。
具体实施方式七：
本实施方式与具体实施方式一不同的是对应两侧带状固态钎料为BAg10CuZn银基钎料，厚度为0.20 mm和0.20 mm，其硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料的厚度比例为2:2:2。方形网孔的边长c、d为0.20 mm、网孔间距a、b为0.25mm。其他技术方案与具体实施方式一相同。
经剪切强度测试，850 ℃下保温15 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到236.5 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了38.6 %。
具体实施方式八：
本实施方式与具体实施方式一不同的是对应两侧带状固态钎料为QMn4锰基钎料，厚度为0.25 mm和0.25 mm，其硬质合金侧带状固态钎料、金属多孔补偿网和钢侧带状固态钎料的厚度比例为2:1.5:2。方形网孔的边长c、d为0.25 mm、网孔间距a、b为0.20mm。其他技术方案与具体实施方式一相同。
经剪切强度测试，1065℃下保温15 min的补偿网增强真空钎焊接头抗剪强度达到273.8 MPa，相比于未加网相同厚度钎料层钎焊接头剪切强度提升了46.7 %。
本发明制备所得的包含椭球孔的补偿网增强结构的钎焊层用于Co基WC硬质合金和钢的真空钎焊连接。对得到的不同厚度配比复合钎焊接头连接界面进行常温剪切强度测试，钎焊接头剪切强度可达到226.5MPa~386.5 MPa，与各自对应的相同钎焊层厚度的不加网钎焊接头相比提升幅度达到，提升幅度达到37.6 %~96.9 %。这说明补偿网增强复合钎焊方法显著提升了硬质合金/钢钎焊接头的结合强度。
应该予以说明的是，在不脱离本发明核心方案、技术的情况下，任何本领域其他人员不投入创造性劳动地简单替换带状固态钎料层、金属多孔补偿网成分、厚度及网孔尺寸的行为均落入本发明的权利保护范围。

Claims (8)

1.一种硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述的硬质合金/钢多孔补偿网增强钎焊接头的连接层具有包含椭球孔的补偿网增强三明治结构，所述三明治结构包括：分别与硬质合金、钢连接的带状固态钎料层和位于两层带状固态钎料层中间的金属平面多孔补偿网；所述金属平面多孔补偿网为热轧后固溶态的商用奥氏体不锈钢平面多孔网；
所述硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法包括如下述步骤：
(1)准备不同厚度比例的硬质合金侧带状固体钎料、金属平面多孔补偿网和钢侧带状固态钎料；
(2)将硬质合金的待连接端面、钢的待连接端面、带状固态钎料以及金属平面多孔补偿网两侧利用水磨砂纸和金相砂纸依次进行打磨，然后进行碱洗、去离子水超声洗净、酸洗以及酒精超声洗净，所述酒精超声洗净后再置于丙酮中超声清洗，彻底吹干置于恒温干燥箱中待用；
(3)按照硬质合金、硬质合金侧带状固态钎料、金属平面多孔补偿网、钢侧带状固态钎料和钢的顺序合拢装夹；
(4)将装夹好的硬质合金/硬质合金侧带状固态钎料/金属平面多孔补偿网/钢侧带状固态钎料/钢复合结构装入真空热处理炉，抽真空至4.0×10-3Pa~8.0×10-3Pa，以5℃/min~6℃/min的升温速度升高到450℃-650℃并保温10min~30min；然后再以3℃/min~10℃/min的升温速率升高到800℃-1100℃后保温8min~25min，金属多孔补偿网中的均匀网孔限制液态钎料流动；之后再以5℃/min~10℃/min的降温速度降温至450℃~650℃，在金属平面多孔补偿网网孔中心形成不同尺寸的钎料包裹椭球孔，降低钎焊应力；之后随炉冷却至室温后取出，完成整体真空钎焊，得到硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头。
2.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，硬质合金侧带状固态钎料、金属平面多孔补偿网和钢侧带状固态钎料的厚度比例为2：（1~4）：（2~5）。
3.根据权利要求2所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述金属平面多孔补偿网具有方形网孔，厚度为0.05mm~0.50mm，方形网孔的边长为0.1mm~0.3mm，网孔间距为0.2mm~0.5mm。
4.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述带状固态钎料包括铜基钎料、镍基钎料、银基钎料和锰基钎料中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用800#水磨砂纸和1000#金相砂纸进行打磨，置于丙酮中超声清洗的时间为10min~20min。
6.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，碱洗采用质量浓度为8%~40%的氢氧化钠水溶液，碱洗时间8min~20min，酸洗采用质量浓度为3%~45%的硝酸酒精溶液，酸洗时间8min~20min。
7.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，真空钎焊前施加装夹预压力，垂直钎焊层施加的预压力为50MPa~150MPa，装夹后硬质合金与钢待连接端面平行度小于0.010mm。
8.根据权利要求1所述的硬质合金/钢平面多孔补偿网增强钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述真空钎焊在真空热处理炉中进行，所述真空钎焊的条件为抽真空至绝对压力为5.0×10-3Pa~7.0×10-3Pa，以6℃/min的升温速度升高到550℃并保温20min；然后再以5℃/min的升温速率升高到900℃~1100℃后保温10min；之后以6℃/min的降温速度降温至550℃。
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