CN113878264A - 一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏及其制备方法 - Google Patents

一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于硬质合金‑工具钢刀具的钎剂膏，由以下重量份的原料制成：硼砂粉末3～4.5份，硼酸粉末2.5～4份，四硼酸钾粉末1～2份，氟硼酸钾粉末1～1.5份，丙三醇0.02～0.05份，蒸馏水2.5～3.5份，羟乙基纤维素0.05～0.08份，苯甲酸钠0.01～0.03份。本发明还提供以上钎剂膏的制备方法。本发明提供的钎剂膏提高了钎剂的去膜能力，改善了钎剂的流动性和活性，加速氧化膜的去除以及钎料的铺展，同时保护处在高温下的工件金属和熔化状态下的钎料免受氧化。

Description

一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏及其制备方法
技术领域
本发明属于钎焊材料技术领域，具体涉及种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏及其制备方法。
背景技术
硬质合金-工具钢刀具分为切削刀头与刀托两部分，刀头为耐磨耐热的硬质合金，刀托为工具钢，采用高频钎焊工艺连接刀头与刀托工艺简单，质量可靠。由于刀具工作环境温度较高，需采用铜镍钎料配合钎剂在较高钎焊温度焊接，目前国内使用的钎剂主要有硼砂或在硼砂中加入适量的硼酸，还有些钎剂是在硼砂与硼酸的混合物中加入适量的盐类，常见的钎剂牌号有QJ101、QJ102、QJ103、QJ201以及NO1等。QJ101、QJ102和QJ103在钎焊温度较低时具有良好的去膜能力和流动性，但钎焊温度升高后钎剂损耗严重，活化和保护时间短，钎剂失效快；QJ201和NO1钎焊温度范围较高，但QJ201去膜能力以及活化能力较弱，对焊接接头的保护效果方面仍有不足之处，且焊后残渣为不溶于水的玻璃状物，清理难度大；NO1含有CaCl2、NaCl，焊后残留的Cl-对钎焊接头产生腐蚀。
我国硼砂资源丰富，硼酸与硼砂价格便宜，但作为钎剂硼酸和硼砂活化温度较高，有效活化温度区间较窄，不能去除Cr2O3等结合力强的致密氧化膜，去膜能力不足。为了获得去膜能力强、活性温度范围宽并且保护效果好的膏状硬钎剂，需要进一步探索和优化以硼酸+硼砂为基体的钎剂成分，实现低成本高质量钎焊具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决钎焊硬质合金-工具钢刀具存在的特殊结构下钎剂去膜能力较弱、保护效果较差的问题，提出了一种能够配合铜镍钎料高频钎焊硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏。
本发明的第二个目的是提供上述硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏的制备方法。
为实现上述目的，本发明的一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏，由以下重量份的原料制成：硼砂粉末3～4.5份，硼酸粉末2.5～4份，四硼酸钾粉末1～2份，氟硼酸钾粉末1～1.5份，丙三醇0.02～0.05份，蒸馏水2.5～3.5份，羟乙基纤维素0.05～0.08份，苯甲酸钠0.01～0.03份。
优选地，所述硼砂粉末、硼酸粉末、四硼酸钾粉末、氟硼酸钾粉末的粒度为100～200目。
优选地，所述硼砂粉末的纯度为99％。
本发明提供的一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏的制备方法，包括以下步骤：
1)钎剂的配制：将称量好的硼砂粉末、硼酸粉末、四硼酸钾粉末、氟硼酸钾粉末倒入容器中，充分搅拌，获得混合均匀的粉末；
2)粘稠剂的配制：将称量好的羟乙基纤维素、苯甲酸钠倒入玻璃容器中，缓慢加入称量好的蒸馏水，同时使用玻璃棒一个方向搅拌，使羟乙基纤维素、苯甲酸钠充分溶解后，静置2～4小时；
3)溶剂的加入：往步骤1)中的粉末钎剂中先加入步骤2)中配制的粘稠剂，同时不断搅拌，混合均匀后再添加称量好的丙三醇，搅拌均匀后获得钎剂膏。
本发明的钎剂主要的作用是在焊接时去除工件的氧化膜，同时保护处在高温下的工件金属和熔化状态下的钎料免受氧化。这就要求良好的钎剂应该具有较低的熔点，较大的活性温度范围，较好的流动性，良好的焊后脱渣性。
本发明使用硼砂、硼酸作为钎剂的基体，硼酸与硼砂起到去除氧化膜，使母材露出洁净金属的作用。硼酸H3BO3加热时发生分解，形成硼酐B2O3：
2H3BO3→B2O3+3H2O↑
硼酐的熔点为580℃，它能与铁的氧化物形成易熔的硼酸盐：
MeO+B2O3→MeO·B2O3
MeO·B2O3凝固后以渣的形式浮在钎缝表面上，既能达到去膜的目的，又能起到机械保护作用。硼酸去膜机制中生成的硼酸盐在温度低于900℃时难溶于硼酐，而与硼酐形成不相混的二层液体。此外，在900℃以下硼酐的黏度很大，去膜能力也差，一般在900℃以上使用而且极少单独作为钎剂使用。
硼砂在741℃时熔化，在亚态下被分解成硼酐和偏硼酸钠：
Na2B4O7→B2O3+2NaBO2
分解形成的偏硼酸钠能与硼酸盐形成熔点更低的复合化合物：
MeO+2NaBO2+B2O3→(NaBO2)2·Me(BO2)2
因此作为钎剂，硼砂的去氧化物能力比硼酸强。但硼砂熔点较高，在800℃以下黏度大，流动性不好。因此硼酸+硼砂钎剂中硼砂含量增加，在一定程度上可以增强钎剂的去膜能力，钎料流布面积增加，但由于其熔化后本身流动性不好，限制了熔化后钎剂的铺展。当钎剂熔化后，如果钎料不能及时流布，随着加热时间的延长钎料的流布性即大大下降，甚至完全不能润湿母材，这种现象即常称的钎剂失效。
本发明通过四硼酸钾与氟硼酸钾的添加，增强了硼酸+硼砂基体的膏状硬钎剂的去膜能力，改善了钎剂的流动性和活性，加速氧化膜的去除以及钎料的铺展。
硼酸+硼砂钎剂中添加适量的钾盐可以在一定程度上降低钎剂的熔点，使钎剂融化后的表面张力变小，从而增加钎剂对母材的润湿性。同时，四硼酸钾的化学式为K2B4O7·4H2O，其所含结晶水的蒸发促进钎剂铺展，K2B4O7是优良的去膜剂：
K2B4O7→B2O3+2KBO2
MeO+2KBO2+B2O3→(KBO2)2·Me(BO2)2
因此，添加适量的四硼酸钾可以在不减弱钎剂的去膜能力的前提下，降低钎剂熔点，减小钎剂融化后的表面张力，增强钎剂的流动性，改善钎料与母材之间的润湿性。
添加氟硼酸钾的主要作用是提高钎剂的去膜能力，同时在一定程度上增加钎剂的流动性。硼砂和硼酸及其混合物的黏度大、活性温度相当高，并且不能去除Cr、Si、Al、Ti等的致密氧化物，故只能适用于熔化温度较高的一些钎料，如铜锌钎料来钎焊钢和铜合金、碳钢等，同时钎剂残渣难于清除。
降低硼砂+硼酸钎剂的熔化温度及活性温度，改善其润湿能力，提高去除氧化物的能力，一般是在硼化物中加入一些碱金属和碱土金属的氟化物和氯化物。加入氟硼酸钾能进一步降低其熔化温度，提高钎剂去除氧化物的能力。
钎剂中加入氟硼酸钾，它在540℃熔化，随后分解：
KBF4→KF+BF3
析出的三氟化硼比氟化钾的去氧化物能力更强，例如，在钎焊不锈钢时，它能与氧化铬作用而将其清除：
Cr2O3+2BF3→2CrF3+B2O3
反应形成的硼酐将进一步与氧化物起作用，因此钎剂的活性温度又有所降低。
综上所述，本发明的有益效果在于：
(1)使用硼砂、硼酸作为钎剂的基体，成本低。硼酸、硼砂本身具有优良的去膜能力，硼酸H3BO3加热后发生分解形成硼酐B2O3，硼酐可与铁的氧化物形成易溶的硼酸盐；硼砂加热后分解成硼酐和偏硼酸钠NaBO2，偏硼酸钠可与硼酸盐形成熔点更低的复合化合物，凝固后以渣的形式浮于钎缝表面，既达到去除氧化膜的目的，又能起到隔离空气持续保护高温下金属免于氧化的作用；
(2)四硼酸钾与氟硼酸钾的添加，增强了硼酸+硼砂基体的膏状硬钎剂的去膜能力，改善了钎剂的流动性和活性，加速氧化膜的去除以及钎料的铺展；
(3)粘稠剂使膏状钎剂处于介稳状态，不易分层，增强钎剂的粘附性，其中苯甲酸钠保证了膏状钎剂保存时间更长，不易失效，促进钎剂从狭窄的待焊间隙内迅速向四周蔓延、铺展，有助于钎剂对待焊部位表面的全面清理与活化，丙三醇则使钎剂铺展更加平稳、持久。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明进一步说明。
实施例1：
本实施方式中一种用于钎焊硬质合金-工具钢刀具的膏状硬钎剂的制备方法如下：
1)按照重量分数称取3份硼砂(Na2B4O7·10H2O)粉末，2.5份硼酸(H3BO3)粉末，1份四硼酸钾(K2B4O7·4H2O)粉末，1份氟硼酸钾(KBF4)粉末，0.02份丙三醇，2.5份蒸馏水，0.05份羟乙基纤维素，0.01份苯甲酸钠。其中Na2B4O7·10H2O粉末、H3BO3粉末、K2B4O7·4H2O粉末、KBF4粉末称量前需研磨至100～200目；
2)钎剂的配制：将称量好的Na2B4O7·10H2O粉末、H3BO3粉末、K2B4O7·4H2O粉末、KBF4粉末倒入玻璃容器中，使用玻璃棒充分搅拌15min，获得混合均匀的粉末；
3)粘稠剂的配制：将称量好的羟乙基纤维素、苯甲酸钠倒入玻璃容器中，缓慢加入称量好的蒸馏水，同时使用玻璃棒一个方向搅拌5min，使羟乙基纤维素、苯甲酸钠充分溶解后，静置3小时；
4)往步骤2)中的粉末钎剂中加入步骤3)中配制的粘稠剂，同时不断搅拌，混合均匀后再添加称量好的丙三醇，搅拌均匀后获得钎剂膏。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：4份Na2B4O7·10H2O粉末，4份H3BO3粉末，1份K2B4O7·4H2O粉末，1份KBF4粉末，0.05份丙三醇，3份蒸馏水，0.05份羟乙基纤维素，0.02份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
实施例3：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：4.5份Na2B4O7·10H2O粉末，3份H3BO3粉末，1份K2B4O7·4H2O粉末，1.5份KBF4粉末，0.03份丙三醇，3份蒸馏水，0.06份羟乙基纤维素，0.02份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
实施例4：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：4.5份Na2B4O7·10H2O粉末，4份H3BO3粉末，2份K2B4O7·4H2O粉末，1.5份KBF4粉末，0.05份丙三醇，3.5份蒸馏水，0.07份羟乙基纤维素，0.02份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
实施例5：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：3份Na2B4O7·10H2O粉末，3份H3BO3粉末，2份K2B4O7·4H2O粉末，1份KBF4粉末，0.02份丙三醇，2.5份蒸馏水，0.08份羟乙基纤维素，0.03份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
实施例6：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：3.5份Na2B4O7·10H2O粉末，3份H3BO3粉末，1.5份K2B4O7·4H2O粉末，1.5份KBF4粉末，0.05份丙三醇，2.5份蒸馏水，0.08份羟乙基纤维素，0.02份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
实施例7：
本实施方式与实施例1不同的是钎剂膏由以下重量份的原料制成：4.5份Na2B4O7·10H2O粉末，2.5份H3BO3粉末，2份K2B4O7·4H2O粉末，1份KBF4粉末，0.05份丙三醇，3份蒸馏水，0.06份羟乙基纤维素，0.01份苯甲酸钠，其他与实施例1相同。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所作的均等变化与修饰，均应包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏，其特征在于，由以下重量份的原料制成：硼砂粉末3～4.5份，硼酸粉末2.5～4份，四硼酸钾粉末1～2份，氟硼酸钾粉末1～1.5份，丙三醇0.02～0.05份，蒸馏水2.5～3.5份，羟乙基纤维素0.05～0.08份，苯甲酸钠0.01～0.03份。
2.如权利要求1所述的一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏，其特征在于：所述硼砂粉末、硼酸粉末、四硼酸钾粉末、氟硼酸钾粉末的粒度为100～200目。
3.如权利要求1所述的一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏，其特征在于：所述硼砂粉末的纯度为99%。
4.权利要求1-3任意一项所述的一种用于硬质合金-工具钢刀具的钎剂膏的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）钎剂的配制：将称量好的硼砂粉末、硼酸粉末、四硼酸钾粉末、氟硼酸钾粉末倒入容器中，充分搅拌，获得混合均匀的粉末；
2）粘稠剂的配制：将称量好的羟乙基纤维素、苯甲酸钠倒入玻璃容器中，缓慢加入称量好的蒸馏水，同时使用玻璃棒一个方向搅拌，使羟乙基纤维素、苯甲酸钠充分溶解后，静置2～4小时；
3）溶剂的加入：往步骤1）中的粉末钎剂中先加入步骤2）中配制的粘稠剂，同时不断搅拌，混合均匀后再添加称量好的丙三醇，搅拌均匀后获得钎剂膏。
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