CN113814602A - 一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法及专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钎料的制备领域，具体涉及一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法及专用设备。该方法包括以下步骤：(1)经过表面处理的铜带或铜合金带在牵引下连续行进，经预热后加热到350～550℃，在带材的其中一个侧面上喷铸第一钎料合金，依次经过冷却、轧制，得到第一复合带；(2)第一复合带在牵引下连续行进，加热到350～550℃，在带材的另一侧面上喷铸第二钎料合金，依次经过冷却、轧制，后处理；本发明针对三明治复合钎料提出一种适于工业化的生产方法，利用喷铸实现释层两侧为异种合金的三明治复合钎料的生产，生产流程短、效率高。

Description

一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法及专用设备
技术领域
本发明属于钎料的制备领域，具体涉及一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法及专用设备。
背景技术
硬质合金是是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。硬质合金作为切削刀具在轨道交通﹑石油钻探﹑地质勘探等领域应用广泛，施工中承担着推进“前锋”的角色。地质条件的千变万化是在具体施工中难以预料的，作为关键部件的刀具受到各种复杂土层强力作用，使用工况极为恶劣，极易造成刀具上硬质合金脱落和折断，增加刀具更换次数，极大影响工程进度和加大塌方危险可能性。因此刀具的可靠性已成为主宰装备运行效率和经济性的重要因素。
硬质合金刀具主要由硬质合金与钢基刀体通过钎焊而成，该类刀具为异种材料连接且其钎焊面较大，硬质合金和钢物性匹配度又较差(硬质合金线膨胀系数只有钢的1/3～1/2)，钎缝处极易存在较大残余应力，降低钎焊可靠性。
目前硬质合金刀具常采用三明治钎料钎焊连接，该钎料由中间缓释层铜/铜合金、表层合金(同种或异种钎料)复合而成。公布号为CN109465561A的中国发明专利申请公开了一种采用板材扩散复合、挤压、轧制等工序制备梯度复合钎料的方法；公布号为CN104043915A的中国发明专利申请公开了一种公开了一种采用板材复合、多道次冷轧和退火等工艺制备复合钎料的方法。
以上三明治复合钎料的生产过程均依赖在特定炉体中实现扩散钎焊或活化，这决定了其一般需要针对板材原料进行生产，并且需要经过多道次轧制才能满足复合要求，整体生产流程较长、效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，解决现有三明治复合钎料生产流程长、效率低、成本高的问题。
本发明的第二个目的是提供一种实施上述方法的专用设备。
为实现上述目的，本发明的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法的技术方案是：
一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，所述三明治复合钎料包括中间层和与中间层上、下冶金复合的上表层、下表层，所述中间层为铜或铜合金，上表层为AgCuZnNi合金钎料，下表层为AgCuZnNiMnCo合金钎料；
所述三明治复合钎料的制备包括以下步骤：
(1)经过表面处理的铜带或铜合金带在牵引下连续行进，经预热后加热到350～550℃，在带材的其中一个侧面上喷铸第一钎料合金，依次经过冷却、轧制，得到第一复合带；
(2)第一复合带在牵引下连续行进，加热到350～550℃，在带材的另一侧面上喷铸第二钎料合金，依次经过冷却、轧制，后处理；
所述喷铸时带的温度为350～550℃；所述第一钎料合金为所述AgCuZnNi合金钎料，所述第二钎料合金为所述AgCuZnNiMnCo合金钎料，或者所述第一钎料合金为所述AgCuZnNiMnCo合金钎料，第二钎料合金为所述AgCuZnNi合金钎料。
本发明针对三明治复合钎料提出一种适于工业化的生产方法，利用喷铸实现释层两侧为异种合金的三明治复合钎料的生产，生产流程短、效率高。另外，该方式可实现较大的尺寸规格(连续带材)复合钎料的连续生产，操作简便，性能优良且稳定性好。
优选的，第一钎料合金的组成为Ag40～50Cu15～30Zn21～23Ni4～6Mn4～8Co0.2～1。更优选为Ag40～50Cu15～30Zn21～23Ni4～5Mn4～7Co0.2～1。第二钎料合金的组成为Ag40～50Cu20～30Zn28～29Ni2～3。
优选的，所述铜合金为铜锰合金，其中锰的质量含量不大于8％。
优选的，所述铜带或铜合金带的厚度为0.1～0.15mm。
优选的，第一钎料合金、第二钎料合金的喷铸厚度为所述铜带或铜合金带厚度的1～1.5倍。采用该种方式同样可以解决高Ni、Mn、Co钎料加工性能差，无法轧制成箔带的难题。
优选的，步骤(1)中，所述预热的温度为100～160℃，所述冷却的温度为100～160℃；步骤(2)中，所述冷却的温度为100～160℃。
优选的，所述喷铸为恒压喷铸。采用恒压喷铸有利于获得厚度基本一致的喷铸层。
对铜带或铜合金带进行表面处理可进一步优化两侧合金层在中间层上的附着效果，优选的，所述表面处理包括依次进行毛化处理和超声波清洗处理。
本发明的实施上述方法的专用设备的技术方案是：
实施上述方法的专用设备，包括：
喷铸装置，包括用于熔化钎料金属的熔铸炉，所述熔铸炉包括喷铸喷嘴；
带材牵引装置，用以牵引带材行进；
气保护炉，包括沿带材行进方向依次设置的预热区、加热区、冷却区；所述喷铸装置连接在所述加热区上，熔化后的钎料金属由所述喷铸喷嘴对行进的带材进行喷铸；
轧制装置，设置在气保护炉的下游，用于对喷铸后的带材进行轧制。
利用上述专利设备，可实现恒压喷铸的连续进行，提高三明治复合钎料的生产效率。
优选的，所述喷铸喷嘴为方形喷嘴，方形喷嘴的宽度与带材的宽度相适应。
优选的，所述熔铸炉上连接有抽真空管线和保护气体通入管线，所述抽真空管线在物料熔化前对炉体抽真空，所述保护气体通入管线在物料熔化后对熔体施压实现喷铸。
为提高表面处理效率，优选的，上述专用设备还包括在所述气保护炉上游沿带材行进方向依次设置的毛化处理装置和超声波清洗装置，所述超声波清洗装置对经过毛化处理装置后的带材进行超声波清洗。
附图说明
图1为本发明实施例中恒压喷铸装置的示意图；
图2为本发明实施例2中梯度三明治钎料生产流程示意图；
图3为本发明实施例2中梯度三明治钎料钎焊硬质合金和钢示意图；
图4为本发明实施例2中双层合金带B的微观组织图；
图5为本发明实施例2中中间层CuMn2与Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2合金的结合界面微观组织图；
图中，1-石墨挡板，2-高频感应加热装置，3-熔铸炉，4-通气管，5-真空泵，51-真空密封阀，6-保护气瓶，61-气压阀，7-气压表，8-开卷机，9-机械毛化处理装置，10-超声波清洗装置，11-气保护炉，111-低温干燥区，112-高温预热区，113-低温冷却区，12-恒压喷铸装置，13-轧机，14-收卷机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
一、实施本发明方法的专用设备的具体实施例
实施例1
本实施例的实施本发明方法的专用设备，如图1至图2所示，包括恒压喷铸装置、气保护炉、开卷机、机械毛化处理装置、超声波清洗装置、轧机和收卷机。
恒压喷铸装置包括熔铸炉3，熔铸炉3包括炉膛和炉盖，炉盖盖合炉膛后炉体密封。熔铸炉3下部为方形石英喷嘴，长度为50mm，宽度为0.1mm(带材宽度为50mm)，在石英喷嘴底部设置有石墨挡板1，熔铸炉设置有高频感应加热装置2。熔铸炉3上部连接有抽真空管线和保护气体通入管线，抽真空管线包括连接在炉盖上的通气管4和连接通气管4和真空泵5的抽真空连接管线，抽真空连接管线上设置有真空密封阀51；保护气体通入管线包括通气管4和连接通气管4和保护气瓶6的保护器连接管线，保护器连接管线上设置有气压阀61和气压表7。
恒压喷铸装置工作时，原材料(例如Ag50Cu20Zn28Ni2钎料)加入熔铸炉，之后炉体密封，熔化开始前通过真空密封阀、真空泵抽真空，通过高频感应加热装置加热使钎料熔化。待钎料熔化均匀后，调节与通气管连接的保护气瓶或气压阀，在保护气氛下，对钎料熔液施加0.1MPa的气压，随着炉内熔液液面下降，增加保护气体气压使喷嘴处熔液所受压力恒定，钎料熔液均匀恒定的喷铸在合金带表面。
沿带材行进方向依次设置开卷机8、机械毛化处理装置9、超声波清洗装置10、气保护炉11、轧机13和收卷机14。
气保护炉11沿带材行进方向依次设置有低温干燥区111(预热区)、高温预热区112(加热区)、低温冷却区113(冷却区)，高温预热区112的顶部连接恒压喷铸装置12，由恒压喷铸装置的方形石英喷嘴喷出熔体实现对一侧带材表面的喷铸。
二、硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法的具体实施例
实施例2
本实施例的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，采用以上实施例的专用设备，制备Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2/CuMn2/Ag50Cu20Zn28Ni2梯度三明治钎料，具体包括以下步骤：
(1)中间层CuMn2合金的制备。按设定成分，将铜放入在中频炉中加热，待其熔化后加入锰，用脱水硼砂与硼酐按7:3重量比配置的复合盐覆盖，待充分熔合后，将金属熔液静置10～20min后浇铸成直径为120mm的铸锭。
(2)将所述铸锭去掉表面的氧化夹渣后进行挤压、轧制，获得厚度为0.15mm，宽度为50mm的铜锰合金带A。
(3)将铜锰合金带A送入机械毛化处理装置9进行表面处理。
(4)将所述毛化处理后的铜锰合金带A送入超声波清洗装置10进行表面清洗，去除表面污物。
(5)将清洗后的铜锰合金带A送入气保护炉111低温区域内进行干燥，而后在112高温区域由喷铸装置12进行表面喷铸Ag50Cu20Zn28Ni2合金，获得双层合金带B，随后进入113低温缓冷区域降温。
气保护炉中低温干燥区、低温冷却区温度控制在150℃，高温预热区温度控制在450℃。当铜锰合金带A到达恒压喷铸位置，将在其表层喷铸Ag50Cu20Zn28Ni2合金钎料(喷铸厚度为0.2mm)形成双层合金带B，其微观形貌如图4所示。恒压喷铸时喷嘴处熔液所受压力恒定，均为0.1MPa。
在其他实施情形下，视钎料合金类型，低温干燥区、低温冷却区温度可以为控制为100、110、120、130、140、160℃，高温预热区温度可以控制为350、360、370、380、400、420、440、480、500、550℃，可以达到较佳的喷铸效果。
(6)双层合金带B经过轧机13进行预轧制后由收卷机14卷取成盘，预轧(轧制压下量控制在0.1～0.15mm)后的厚度控制在0.25mm。
(7)重复步骤(5)，在双层合金带B的另一表面喷铸Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2(喷铸厚度为0.2mm)，获得表面喷铸不同钎料合金的三明治复合带C，该层中间铜锰合金层的微观形貌如图5所示。
(8)将三明治复合合金带C进行轧制(轧制压下量控制在0.1～0.15mm)、酸洗、抛光获得0.3mm厚度(最终产品厚度)的薄带。
(9)将轧制后的合金带进行分切获得所需不同规格的三明治复合钎料。
以上实施例是以Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2/CuMn2/Ag50Cu20Zn28Ni2梯度三明治钎料为例进行说明，基于基本相似的性质，中间层可以为铜，Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2合金可以为Ag40Cu30Zn21Ni4Mn4Co1、Ag45Cu20Zn22.2Ni5Mn7Co0.8等。Ag50Cu20Zn28Ni2合金可以为Ag40Cu30Zn28Ni2、Ag45Cu23Zn29Ni3等。具体要求AgCuZnNiMnCo中Ni的含量大于等于4，小于等于6；Mn的含量大于等于4小于等于8。
三、实验例
实验例1微观组织
实施例2所得三明治复合钎料在钎焊硬质合金和钢示意图如图3所示，微观组织形貌如图4和图5所示。
由图4和图5可以看出，中间层两侧表面上的Ag50Cu15Zn22.8Ni5Mn7Co0.2钎料和Ag50Cu20Zn28Ni2钎料和中间层CuMn2合金形成良好冶金结合，界面过渡处，晶粒较细，无明显缺陷产生。
实验例2焊接性能
利用实施例2的方法制备的三明治复合钎料焊接硬质合金和钢，与对比例在同等条件下的钎缝抗剪强度对比结果如表1所示。其中对比例是按照公布号为CN109465561A的中国发明专利申请记载的方法制备同等成份的梯度钎料。
表1不同方法所得三明治复合钎料的性能对比
Figure BDA0003302554210000061
由表1的结果可知，实施例的方法制备的梯度钎料的钎缝强度略高于对比例。其原因可能在于，专利CN109465561A的工艺生产流程长，轧制过程中需要多次退火，钎料中的锰元素在退火过程中易烧损，最终使得钎料表层的锰含量降低，使的最终的钎缝强度低于本发明制备的梯度钎料。

Claims (10)

1.一种硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，所述三明治复合钎料包括中间层和与中间层上、下冶金复合的上表层、下表层，所述中间层为铜或铜合金，上表层为AgCuZnNi合金钎料，下表层为AgCuZnNiMnCo合金钎料；
所述三明治复合钎料的制备包括以下步骤：
(1)经过表面处理的铜带或铜合金带在牵引下连续行进，经预热后加热到350～550℃，在带材的其中一个侧面上喷铸第一钎料合金，依次经过冷却、轧制，得到第一复合带；
(2)第一复合带在牵引下连续行进，加热到350～550℃，在带材的另一侧面上喷铸第二钎料合金，依次经过冷却、轧制，后处理；
所述喷铸时带的温度为350～550℃；所述第一钎料合金为所述AgCuZnNi合金钎料，所述第二钎料合金为所述AgCuZnNiMnCo合金钎料，或者所述第一钎料合金为所述AgCuZnNiMnCo合金钎料，第二钎料合金为所述AgCuZnNi合金钎料。
2.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，所述铜合金为铜锰合金，其中锰的质量含量不大于8％。
3.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，所述铜带或铜合金带的厚度为0.1～0.15mm。
4.如权利要求3所述的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，第一钎料合金、第二钎料合金的喷铸厚度为所述铜带或铜合金带厚度的1～1.5倍。
5.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预热的温度为100～160℃，所述冷却的温度为100～160℃；步骤(2)中，所述冷却的温度为100～160℃。
6.如权利要求1～5中任一项所述的硬质合金钎焊用三明治复合钎料的生产方法，其特征在于，所述表面处理包括依次进行毛化处理和超声波清洗处理。
7.一种实施如权利要求1～6任一项所述方法的专用设备，其特征在于，包括：
喷铸装置，包括用于熔化钎料金属的熔铸炉，所述熔铸炉包括喷铸喷嘴；
带材牵引装置，用以牵引带材行进；
气保护炉，包括沿带材行进方向依次设置的预热区、加热区、冷却区；所述喷铸装置连接在所述加热区上，熔化后的钎料金属由所述喷铸喷嘴对行进的带材进行喷铸；
轧制装置，设置在气保护炉的下游，用于对喷铸后的带材进行轧制。
8.如权利要求7所述的专用设备，其特征在于，所述喷铸喷嘴为方形喷嘴，方形喷嘴的宽度与带材的宽度相适应。
9.如权利要求7所述的专用设备，其特征在于，所述熔铸炉上连接有抽真空管线和保护气体通入管线，所述抽真空管线在物料熔化前对炉体抽真空，所述保护气体通入管线在物料熔化后对熔体施压实现喷铸。
10.如权利要求7～9中任一项所述的专用设备，其特征在于，还包括在所述气保护炉上游沿带材行进方向依次设置的毛化处理装置和超声波清洗装置，所述超声波清洗装置对经过毛化处理装置后的带材进行超声波清洗。
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US20240024989A1 (en) * 2019-12-27 2024-01-25 Amogreentech Co., Ltd. Brazing ribbon and method for manufacturing same

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