CN113828957B

CN113828957B - 一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法和在截齿钎焊中的应用

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Publication number: CN113828957B
Application number: CN202110933187.0A
Authority: CN
Inventors: 龙伟民; 秦建; 钟素娟; 黄俊兰; 周许升; 路全彬; 郭艳红; 李永
Original assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2041-08-12
Also published as: CN113828957A; ZA202110701B

Abstract

本发明属于钎焊材料领域，具体涉及一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法和在截齿钎焊中的应用。该复合钎料为夹芯材料，包括位于芯部的铁钴镍合金网，以及分别复合在所述铁钴镍合金网两侧表面上的第一、第二钎料部，所述第一、第二钎料部通过对应填充在铁钴镍合金网网孔中的铜基钎料连接成一体；所述铁钴镍合金网由以下质量百分比的组分组成：Ni 24～34％，Co 12～22％，余量为Fe。本发明的复合钎料，可有效缓释截齿钎焊接头热应力，降低刀体开裂风险。铁镍钴合金中的Fe、Ni、Co会微量溶解扩散进入钎缝，有利于Fe‑Ni‑Co固溶体的形成，减少η脆性相的产生，有效增强接头强度。

Description

一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法和在截齿钎焊中的应用

技术领域

本发明属于钎焊材料领域，具体涉及一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法和在截齿钎焊中的应用。

背景技术

截齿是采煤及掘进机械的主要部件，随着近年来我国在采煤、掘进机械方面的大力发展，截齿用量日益增加。面对日益复杂的恶劣工况，对截齿的质量要求也不断提高。截齿在服役中受力复杂、环境恶劣，是采煤、掘进机械主要的易损部件。截齿质量的好坏将直接影响采煤、掘进机械生产能力的发挥、功率的消耗、工作平稳性和其他零部件的使用寿命。截齿是由硬质合金刀头焊接在截齿钢基体凹槽上所组成的切割刀具。截齿质量的好坏主要取决于钢基体与硬质合金刀头的钎焊质量。

目前，纽扣状钎料是用于截齿的硬质合金刀头与截齿钢基体钎焊的常用钎焊材料。

钎焊单个截齿时，需将多片纽扣料预置在钢基体凹槽底部，钎料量受限于每片纽扣料质量的稳定性。单个截齿钎料量很难一致，导致钎焊质量稳定性差。预置在钢基体凹槽底部的纽扣料，熔融填缝时需爬升的高度大，易造成气孔、未焊透、夹渣等缺陷。更严重的是，截齿硬质合金刀头的热膨胀系数为4.5×10^-6/K，其钢基体的热膨系数为1.1-1.4×10^-5/K，二者差别较大，钎焊时易产生残余热应力。应力值达到一定程度时，会影响钎缝性能，甚至引发钎缝或硬质合金刀头开裂，使截齿的可靠性和使用寿命大幅降低。另外，现有纽扣料中的强化元素含量较少，含量多时纽扣料脆硬性大，较难成形，从而导致截齿的钎缝强度较低。目前，我国截齿在生产中有大约10％-20％的硬质合金刀头先期脱落，脱落的主要因素是钎焊接头抗剪强度不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬质合金钎焊用复合钎料，以进一步增强接头强度，缓释接头的焊接热应力。

本发明的第二个目的在于提供上述硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述复合钎料在截齿钎焊中的应用。

为实现上述目的，本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的技术方案是：

一种硬质合金钎焊用复合钎料，所述复合钎料为夹芯材料，包括位于芯部的铁钴镍合金网，以及分别复合在所述铁钴镍合金网两侧表面上的第一、第二钎料部，所述第一、第二钎料部通过对应填充在铁钴镍合金网网孔中的铜基钎料连接成一体；

所述铜基钎料由以下重量份的组分组成：Cu 45.0～52.0份、Zn 8.0～10.0份、Ni12.0～14.0份、Mn 22～28份；

所述铁钴镍合金网由以下质量百分比的组分组成：Ni 24～34％，Co 12～22％，余量为Fe。

本发明的复合钎料，使用铁钴镍合金网复合铜基钎料，特定成分的铁镍钴合金网形成可伐合金，在20-450℃范围内具有与硬质合金近似的线膨胀系数，可有效缓释截齿钎焊接头热应力，降低刀体开裂风险。另外，铁镍钴合金中的Fe、Ni、Co会微量溶解扩散进入钎缝，从而有利于Fe-Ni-Co固溶体的形成，减少η脆性相的产生，而且Co还能补充硬质合金中粘结相Co的流失，有效增强接头强度，从而提高截齿的可靠性和使用寿命。

优选的，所述铜基钎料由以下重量份的组分组成：Cu 47.0～50.0份、Zn 8.0～10.0份、Ni12.0～14.0份、Mn 25～28份。

就钎料的形式而言，可采用钎料片或者仿形结构。

优选的，所述复合钎料为钎料片。

优选的，所述复合钎料为杯型结构，包括杯底和杯壁，杯底和杯壁围成匹配硬质合金刀头待焊部的杯腔，杯底和杯壁的外表面形成装配到待焊基体上的装配面，装配面与待焊基体的待焊面相匹配。该种该种仿形结构的钎料形式，可实现钎料的定量、定位、自动添加，不浪费材料，适合自动钎焊。更优选的，所述杯底和杯壁一体成型。

装配面与截齿钢基体待焊面的凹槽形状一致，杯腔与截齿硬质合金刀头(安装部位)形状一致。进一步优选的，所述杯壁为直筒形，横截面为圆形或椭圆形。

优选的，所述铁钴镍合金网的厚度为0.05～0.3mm。

本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法的技术方案是：

上述硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)组装模具，形成供复合钎料成型的型腔；

(2)铁镍钴合金网表面涂覆钎剂膏后置于型腔中心，然后将钎料熔液注入型腔，冷却凝固，脱模。

本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，操作简单、生产效率高，成本低，克服了强化元素含量多、钎料难成形的难题。

钎剂膏在钎料熔液复合铁镍钴合金网时起到去除氧化膜的作用，在最终钎料产品中基本无残留，可促进铁镍钴合金网与钎料之间实现良好结合，优选的，所述钎剂膏由硼酸、硼砂、水组成，硼酸、硼砂、水的重量比为(20～25):(5～8):(7～10)。

本发明的复合钎料的应用的技术方案是：

上述复合钎料在截齿钎焊中的应用。

上述具有仿形结构的复合钎料在截齿感应钎焊时，与现有纽扣料相比，钎焊单个截齿，可节省1/3的钎焊材料，节省一半钎焊时间，且钎缝缺陷少、接头强度高。

附图说明

图1为本发明实施例的复合钎料的俯视图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明实施例的截齿钎焊结构装配示意图；

图4为采用现有纽扣料进行截齿钎焊的刨切截面；

图5为采用实施例5的复合钎料进行截齿钎焊的刨切截面；

其中，1-硬质合金刀头，2-钢基体，3-铁钴镍合金网，4-第一钎料部，5-第二钎料部。

具体实施方式

本发明主要采用夹芯结构形式构建复合钎料。

采用本发明改进的铜锌镍锰钎料配合铁镍钴合金网，可有效缓释焊接热应力，降低硬质合金刀头开裂风险，增强接头强度。

应用于常规硬质合金刀具的钎焊时，可采用钎料片形式。特别地，针对截齿钎焊，本发明设计了新型仿形结构，配合上述复合钎料，在钎焊时无需刀头的对中等位置调整操作，可实现截齿的自动化焊接，提高截齿钎焊质量，钎料量可控且钎缝缺欠少。

上述仿形结构的复合钎料，腔体与截齿硬质合金刀头的待焊面相配合，复合钎料的外表面与截齿钢基体待焊面的凹槽形状一致。

一般地，铁镍钴合金网厚度为0.05～0.3mm，网孔为正六边形，边长为0.2～4.5mm。优选地，铁镍钴合金网厚度为0.1～0.2mm，网孔边长为0.5～4mm。铁钴镍合金网由以下质量百分比的组分组成：Ni 24～34％，Co 12～22％，余量为Fe。优选组成为：Ni 28～30％，Co15～18％，余量为Fe。一般而言，铁镍钴合金网中Ni质量分数为29％，Co质量分数为17％，余量为Fe。

综合来看，上述截齿钎焊用仿形夹芯钎料，可实现钎料的定量、定位、自动添加，不浪费材料，适合自动焊，钎缝缺陷少。夹芯为铁镍钴合金丝，塑韧性好，可有效缓释焊接热应力，同时增强接头强度。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

一、本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的具体实施例

实施例1

本实施例的硬质合金钎焊用复合钎料，结构示意图如图1～3所示，用于截齿钎焊，该复合钎料为一端开口的杯型结构，包括杯壁和杯底，杯壁和杯底围成匹配硬质合金刀头1待焊部的杯腔；杯壁和杯底的外表面形成装配到钢基体2上的装配面，装配面与钢基体2的待焊面相匹配。

其中杯壁为直筒形，截面为椭圆形，杯底与杯壁相匹配且一体成型。在其他实施情形下，杯壁也可以为圆筒形等形状。

复合材料为夹芯材料，由位于芯部的铁钴镍合金网3以及包夹铁钴镍合金网3的铜基钎料构成，铜基钎料包括分别复合在所述铁钴镍合金网两侧表面上的第一钎料部4、第二钎料部5，第一、第二钎料部通过对应填充在铁钴镍合金网网孔中的铜基钎料连接成一体。

铜基钎料为铜锌镍锰钎料，由如下质量份数的原料制得：Cu 45.0份、Zn 8.0份、Ni12.0份、Mn 22份。

铁镍钴合金网中Ni质量分数为29％，Co质量分数为17％，余量为Fe；铁镍钴合金网厚度为0.1mm，网孔为正六边形，网孔边长为0.5mm。

实施例2

本实施例的硬质合金钎焊用复合钎料，与实施例1的结构基本相同，区别仅在于：

铜锌镍锰钎料由如下质量份数的原料制得：Cu 46.0份、Zn 9.0份、Ni 13.0份、Mn24份。

铁镍钴合金网厚度为0.15mm，网孔边长为1.5mm。

实施例3

铜锌镍锰钎料由如下质量份数的原料制得：Cu 47.0份、Zn 10.0份、Ni 14.0份、Mn25份。

铁镍钴合金网厚度为0.2mm，网孔边长为2.0mm。

实施例4

铜锌镍锰钎料由如下质量份数的原料制得：Cu 49.0份、Zn 8.0份、Ni 12.0份、Mn26份。

铁镍钴合金网厚度为0.1mm，网孔边长为3.0mm。

实施例5

铜锌镍锰钎料由如下质量份数的原料制得：Cu 50.0份、Zn 9.0份、Ni 13.0份、Mn28份。

铁镍钴合金网厚度为0.15mm，网孔边长为3.5mm。

实施例6

铜锌镍锰钎料由如下质量份数的原料制得：Cu 52.0份、Zn 10.0份、Ni 14.0份、Mn22份。

铁镍钴合金网厚度为0.2mm，网孔边长为4.0mm。

在本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的其他实施例中，产品为常规钎料片形式，同样可以起到提高接头强度，缓释热应力的效果。

铁钴镍合金网可以采用以下质量百分比的组成：Ni 24％，Co 15％，余量为Fe；或者Ni 30％，Co 12％，余量为Fe；或者Ni 34％，Co 20％，余量为Fe；或者Ni 25％，Co 22％，余量为Fe，等等，均可以起到相应的改善效果。

二、本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法的具体实施例

实施例7

本实施例的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，对实施例1的复合钎料的制备过程进行详细说明，具体包括以下步骤：

(1)按质量份数称取Cu、Zn、Ni、Mn原料，按常规方法在中频电炉内加热到950～1050℃(控制在1000℃)，保温10～15min(控制在15min)，熔融成金属液备用；

(2)取一圆柱铸模和与之配套的圆柱型芯，二者固定组合成型腔，型腔外壁与截齿钢基体待焊面的凹槽形状一致，内腔与硬质合金刀头待焊面形状一致；

(3)将铁镍钴合金网表面涂覆硼酸:硼砂:水＝25:7:8的钎剂膏，然后置于型腔中心；

(4)将步骤(1)的金属液注入步骤(3)的型腔中，冷却凝固，取出圆柱型芯并脱模，即得到截齿钎焊用仿形夹芯钎料。

参考以上实施例7的方法，可相应进行实施例2～6的复合钎料的制备。

在其他实施情形下，硼酸、硼砂、水的质量比可以为20:5:7，或者22:8:10，可获得基本相当的实施效果。

三、实施例、常规纽扣料在截齿钎焊中的应用

实验例1

目前，截齿的常用钎焊材料为铜基纽扣料，为考察本发明钎料与铜基纽扣料钎焊截齿的钎焊效果，分别采用实施例5钎料和纽扣料(两种钎料成分相同，均为实施例5的铜锌镍锰钎料)进行截齿的感应钎焊试验(钎焊条件相同，钎焊温度均为1000℃)。

沿着钎焊件硬质合金刀头中心截面刨开，用5倍放大镜观察截面缺陷形貌(图4和图5)，并测试钎缝充满度(表1)。

按公式计算：A＝(L/Li)*100％

式中：A-----充满度；L-----纵横截面实测有效钎缝长度之和，mm；Li----纵横截面钎缝理论计算长度之和，mm。

表1不同钎料的钎缝充满度

经观察计算，实施例5钎料钎缝的缺陷较少，几乎看不到夹渣、气孔，钎缝充满度优于纽扣料钎缝的充满度。

分别采用实施例1-6钎料和纽扣料(成分与实施例5的铜锌镍锰钎料相同)进行截齿样件感应钎焊，也即45#钢(尺寸为20mm厚、20mm宽、50mm长)与YG8硬质合金块(尺寸为20mm厚、20mm宽、20mm长)的感应钎焊(钎焊条件相同，均为1000℃)，然后按照GB/T 11364-2008的规定，在万能试验机上测试两种接头的剪切强度，结果见表2。

表2钎缝的剪切强度(MPa)

可以看出，表2中实施例1-6钎料钎缝的剪切强度平均值均高于纽扣料的剪切强度平均值。同等条件下，采用实施例1-6钎料进行焊接时截齿的寿命提高。

实验例2

为考察本发明实施例5钎料与现有纽扣料钎焊截齿时钎料用量，分别用两种钎料进行截齿的感应钎焊试验，通过试验发现，单个截齿钎焊约需钎料量8.0克。采用本发明实施例5的方法，制备出仿形夹芯钎料，单个重约8克。而现有纽扣料的单片重量约为1.5克，为保证钎焊效果，采用5片纽扣料时钎料量少，采用6片纽扣料时钎料量多，但为保证填充效果，一般采用6片纽扣料。

表3钎料用量对比

由表3的结果可知，用量上，实施例的钎料有利于减少用量；外观上，本发明的钎料具有更加饱满光洁的外观；焊接一致性以及能否自动焊方面，实施例的钎料表现出更突出的优势。

以上实验例是以实施例5的复合钎料为例进行说明，实施例1～4及实施例6的复合钎料同样可以做出8.0克的仿形复合钎料，可起到基本相当的效果。

实验例3

为考察铁钴镍合金网与其它金属网的区别，分别采用纯铁网、纯镍网和铁钴镍合金网按照实施例1的方法制备出三种复合钎料(钎料成分同，网的规格同，网的成分不同)，并用三种复合钎料进行45#钢(尺寸为20mm厚、20mm宽、50mm长)与YG8硬质合金块(尺寸为20mm厚、20mm宽、20mm长)的感应钎焊(钎焊条件相同，均为1000℃)，然后按照GB/T 11364-2008的规定，在万能试验机上测试三种接头强度，结果如下表4所示。

表4钎缝的剪切强度(MPa)

可以看出，表4中铁钴镍网复合钎料钎缝的剪切强度平均值均高于纯铁网和纯镍网钎缝的剪切强度平均值。同等条件下，采用铁钴镍网复合钎料进行焊接时截齿的强度较高。

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，但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

1.一种硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述复合钎料为夹芯材料，包括位于芯部的铁钴镍合金网，以及分别复合在所述铁钴镍合金网两侧表面上的第一、第二钎料部，所述第一、第二钎料部通过对应填充在铁钴镍合金网网孔中的铜基钎料连接成一体；

所述铜基钎料由以下重量份的组分组成：Cu 45.0～52.0份、Zn 8.0～10.0份、Ni 12.0～14.0份、Mn 22～28份；

2.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述铜基钎料由以下重量份的组分组成：Cu 47.0～50.0份、Zn 8.0～10.0份、Ni 12.0～14.0份、Mn 25～28份。

3.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述复合钎料为钎料片。

4.如权利要求1所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述复合钎料为杯型结构，包括杯底和杯壁，杯底和杯壁围成匹配硬质合金刀头待焊部的杯腔，杯底和杯壁的外表面形成装配到待焊基体上的装配面，装配面与待焊基体的待焊面相匹配。

5.如权利要求4所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述杯底和杯壁一体成型。

6.如权利要求4或5所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述杯壁为直筒形，横截面为圆形或椭圆形。

7.如权利要求1～4中任一项所述的硬质合金钎焊用复合钎料，其特征在于，所述铁钴镍合金网的厚度为0.05～0.3mm。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)组装模具，形成供复合钎料成型的型腔；

9.如权利要求8所述的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，其特征在于，所述钎剂膏由硼酸、硼砂、水组成，硼酸、硼砂、水的重量比为(20～25):(5～8):(7～10)。

10.一种如权利要求4～6中任一项所述的复合钎料在截齿钎焊中的应用。