CN115055862A - 一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法及其应用 - Google Patents
一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种低温连接WC‑Co硬质合金与钢的钎料的制备方法及其应用。该方法包括以下步骤：将松节油透醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和聚异丁烯混合，得到第一混合溶液；再滴入添加剂，得到焊膏用粘接剂；将Ag‑Cu‑In‑Ti复合钎料粉末与粘接剂混合，得到低温连接WC‑Co硬质合金与钢的钎料；应用中，通过程序控温，使WC‑Co硬质合金和钢实现了良好结合。本发明应用到WC‑Co硬质合金与钢的连接领域中具有钎焊温度低、对基体材料损伤小、生产效率高和剪切强度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于异种金属连接工艺技术领域，具体是一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法及其应用。
背景技术
WC-Co硬质合金以其良好的耐磨性和强度作为切削冲击工具、高温高压下成型模具、耐磨耐蚀部件等材料，而广泛应用于航空航天、机械工程、石油工业、地质勘探等领域。但其局限性是制备工艺复杂，加工冲击韧性低，塑性差，材料成本高。为了避免这些问题，可以将其与钢结合使用。硬质合金与钢的连接，可以实现高硬度高强韧的理想结合，从而极大地拓展了硬质合金的应用领域和应用范围。因此，研究硬质合金与钢的连接工艺具有重要意义。
目前，硬质合金与钢的连接工艺当中大多选用Cu基、Ni基钎料和Ag基钎料进行真空钎焊，选用Cu基和Ni基钎料时虽然可以获得剪切强度较高的钎焊接头，但钎焊温度高(950-1200℃)，一方面加大了能源的消耗，另一方面在较高的钎焊温度下进行加工后会对基体组织性能产生一定影响。对于WC-Co硬质合金来说，它是以较高熔点的金属化合物WC为基体，以过渡族金属Co为黏结相，通过粉末冶金制备而成的金属陶瓷材料。从较高钎焊温度烧结温度冷却后，粘结剂与基体相之间会形成热残余应力。这是由于金属粘结剂和难熔碳化物之间的热膨胀差异而产生的；对于钢来说，在较高钎焊温度烧结后，钢基体的组织将会粗化。以上两种影响会导致硬质合金与钢的性能下降，最终降低材料的使用寿命。Ag基钎料相比与Cu基和Ni基钎料具有较低的熔化温度，但在目前的研究当中，采用Ag基钎料钎焊硬质合金与钢的钎焊接头剪切强度低(60-180MPa)，缩小了其应用领域。
针对上述存在的诸多问题，本发明配制了一种低熔点的近共晶Ag-Cu-In钎料，成功实现低温钎焊WC-Co硬质合金与钢并得到了性能良好的钎焊接头。此种工艺降低了钎焊温度(700-780℃)并保护了基体材料不受影响，可显著提高Ag基钎料制备硬质合金与钢钎焊接头结合强度，剪切强度可以达到250-260MPa。
发明内容
本发明主要目的是针对WC-Co硬质合金与钢的连接，现有的Ag基钎料和工艺存在钎焊温度高、接头剪切强度低等缺点，提供一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法及其应用。该方法摒弃了原有的Ag-Cu共晶比例钎料，将Ag-Cu钎料中加入了In，配置出了近共晶Ag-Cu-In比例钎料，并加入活性元素Ti，使既降低了钎料熔点，又增加了钎料活性。应用中，通过程序控温，使WC-Co硬质合金和钢实现了良好结合；本发明应用到WC-Co硬质合金与钢的连接领域中具有钎焊温度低、对基体材料损伤小、生产效率高和剪切强度高等优点。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将松节油透醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和聚异丁烯混合，得到第一混合溶液；
步骤二、密闭、磁力搅拌下，将第一混合溶液加热至85-95℃，恒温1-1.5h，得到第二混合溶液；
步骤三、向第二混合溶液内加入添加剂，然后密闭、磁力搅拌、85-95℃下保温1-1.5h，随后冷却至室温，即可得到焊膏用粘接剂；
其中，所述的添加剂为氢化蓖麻油、乙二酸、三乙醇胺和植物油酸；以上各物料质量占焊膏粘结剂的质量百分比为：松节油透醇42-48％、二乙二醇丁醚醋酸酯13-17％、聚异丁烯13-17％、氢化蓖麻油8-12％、乙二酸3-7％、三乙醇胺3-7％、植物油酸3-7％；
步骤四、将Ag-Cu-In-Ti复合钎料粉末与粘接剂混合，密闭、25-30℃下磁力搅拌0.5-1h，得到低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料；
其中，复合钎料粉末与粘接剂质量比为8.5-9.5:1，Ag-Cu-In-Ti复合钎料粉末各成分质量百分比为Ag(40-50％)、Cu(25-35％)、In(20-30％)和Ti(2-5％)。
所述方法制备的低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的应用，将该钎料膏应用于WC-Co硬质合金与钢的连接，具体包括如下步骤：
步骤一、钢板和WC-Co硬质合金基体预处理：采用电火花线切割机分别将钢板和硬质合金切割成块体，然后使用1500-3000#SiC砂纸进行打磨，再使用乙醇进行10-30min超声波清洗；
其中，钢板采用牌号40Cr、42CrMo4或45#钢，WC-Co硬质合金采用牌号为YG18、YG15或YG8硬质合金。
步骤二、将步骤一处理后的钢和硬质合金基体放置到丝网印刷的平台上，将丝网紧密覆盖到工件的表面，然后将配置好的钎料膏涂在丝网表面并用刮板刮平，得到表面覆有均匀厚度钎膏的试件，最后将YG18硬质合金放于钢之上得到钎焊工件。
其中，丝网的厚度为50-70μm，整个接头的钎料层厚度为100-140μm。
步骤三、将步骤二得到钎焊工件放入真空钎焊炉中，抽真空，设定温度程序；
其中，设定温度的程序为：以10-20℃/min的速率从室温加热至180-280℃并保温5-15min，使钎膏中的粘结剂充分挥发；以5-15℃/min的速率加热至590-610℃并保温5-15min，目的是让钎料受热均匀并开始熔化；以4-10℃/min的速率加热至钎焊温度(700-780℃)并保温5-15min；以4-10℃/min的速率冷却到400-500℃，最后随炉冷却。
与现有钎料及钎焊工艺相比，本发明有益效果在于：
1.将当先研究中占多数的粉末型和箔型钎料替换成膏状钎料，有效地改善了钎料填充不充分问题。
2.将当先研究中占多数的Ag-Cu共晶型钎料替换成Ag-Cu-In近共晶型钎料，并加入了活性元素Ti。降低了钎料合金熔点(590-612℃)和钎焊温度(700-780℃)，并且可以增加钎料活性，从而更容易润湿基体材料(WC-Co硬质合金和钢)表面。
3.使用Ag-Cu-In-Ti钎料可以在700-780℃下成功钎焊WC-Co硬质合金与钢，并且钎焊接头组织致密无明显缺陷，剪切强度提高近45％，最高可达260MPa。
4.接头界面在WC-Co硬质合金和钢的钎焊过程中，形成连续的碳化钛反应层。碳化钛的形成提高了填充金属对WC-Co硬质合金和钢的保持力，增强了接头的结合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中的钎焊流程示意图；
图2为本发明实施例1中YG18硬质合金/Ag-Cu-In-Ti钎料/40Cr钢钎焊接头的SEM图；
图3为本发明实施例1中钎焊界面的TEM图。其中，图3(a)YG18/Ag-Cu-In-Ti钎料界面，图3(b)40Cr钢/Ag-Cu-In-Ti钎料界面；
图4为实施例1中剪切强度测试图，其中，图4(a)为本发明实例1中接头剪切强度测试示意图，图4(b)为钎焊温度与接头剪切强度的关系图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
1.一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用电子分析天平按比例称取有机溶剂(松节油透醇和二乙二醇丁醚醋酸酯)、增稠剂(聚异丁烯)，得到混合溶液1；
其中，物料所占焊膏用粘接剂的质量百分比为：松节油透醇45％、二乙二醇丁醚醋酸酯15％、聚异丁烯15％。
步骤二、将盛有混合溶液1的密封烧杯放入集热式恒温加热磁力搅拌器中进行90℃恒温加热1h，直至增稠剂完全溶解，得到混合溶液2；
步骤三、按比按序向混合溶液2中加入其他添加剂(物料及所占焊膏用粘接剂的质量百分比为：氢化蓖麻油10％、乙二酸5％、三乙醇胺5％和植物油酸5％)，再将密封烧杯放入集热式恒温加热磁力搅拌器中继续水浴90℃搅拌混合1h，随后冷却至室温，即可得到焊膏用粘接剂；
步骤四、将Ag-Cu-In-Ti复合钎料粉末与步骤三所得到的粘接剂并放入烧杯中，用保鲜膜将烧杯密封后放入集热式恒温加热磁力搅拌器中，25℃搅拌0.5h，即得到本发明所用近共晶Ag-Cu-In-Ti活性钎料膏；
其中复合钎料粉末与粘接剂质量比为9:1，复合钎料粉末中各成分质量百分比为Ag(42％)、Cu(30％)、In(25％)和Ti(3％)，复合钎料粉末的粒径为20μm左右。
2.一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的应用，具体包括如下步骤：
步骤一、钢板和WC-Co硬质合金基体预处理：采用电火花线切割机分别将钢板和硬质合金切割成10×10×5mm和8×8×5mm块体，然后使用2000#SiC砂纸进行打磨并使用乙醇进行20min超声波清洗。
其中钢板采用牌号40Cr钢，WC-Co硬质合金采用牌号为YG18硬质合金。
步骤二、如图1所示，将步骤一处理后的钢和硬质合金基体放置到丝网印刷的平台上，将丝网紧密覆盖到工件的表面，然后将配置好的钎料膏涂在丝网表面并用刮板刮平，得到表面覆有均匀厚度钎膏的试件，最后将YG18硬质合金放于钢之上得到钎焊工件。
其中丝网的厚度约为60μm，整个接头的钎料层厚度约为120μm。
步骤三、将步骤二得到钎焊工件放入真空钎焊炉中，抽真空，设定温度程序；
其中设定温度的程序为：以15℃/min的速率从室温加热至200℃并保温10min，使钎膏中的粘结剂充分挥发；以10℃/min的速率加热至600℃并保温10min，目的是让钎料受热均匀并开始熔化；以5℃/min的速率加热至钎焊温度740℃并保温10min；以5℃/min的速率冷却到450℃，最后随炉冷却。
3.样品检测
通过聚焦离子束扫描电子显微镜观察接头的微观组织(如图2所示)，整个接头组织致密，结合良好；通过透射电子显微镜观察观察界面微观组织(如图3所示)，接头界面在WC-Co硬质合金和钢的钎焊过程中，形成50nm的连续碳化钛反应层，保证了接头的良好结合。
采用剪切强度来表征YG18和40Cr钢的连接质量，将钎焊试件安装到设计好的剪切模具中，剪切示意图如图4(a)所示。使用AGS-XD50kN万能试验机以0.5mm/min的速度进行剪切试验，每个参数均取5次测试的平均值,平均剪切强度258MPa(如图4(b)所示)。
实施例2
其他步骤同实施例1，不同之处为将钢板换成42CrMo4，将硬质合金换成YG15；
得到的钎焊接头组织致密、良好，平均剪切强度255MPa。
实施例3
其他步骤同实施例1，不同之处为将钢板换成45#钢，将硬质合金换成YG8；
得到的钎焊接头组织致密、良好，平均剪切强度260MPa。
实施例4
其他步骤同实施例1，不同之处为将复合钎料粉末中各成分质量百分比改为为Ag(43％)、Cu(31％)、In(23％)和Ti(3％)；
得到的钎焊接头组织致密、良好，平均剪切强度257MPa。
实施例5
其他步骤同实施例1，不同之处为将复合钎料粉末中各成分质量百分比改为为Ag(41％)、Cu(29％)、In(27％)和Ti(3％)；
得到的钎焊接头组织致密、良好，平均剪切强度261MPa。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (4)
1.一种低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
步骤一、将松节油透醇、二乙二醇丁醚醋酸酯和聚异丁烯混合，得到第一混合溶液；
步骤二、密闭、磁力搅拌下，将第一混合溶液加热至85-95℃，恒温1-1.5h，得到第二混合溶液；
步骤三、向第二混合溶液内加入添加剂，然后密闭、磁力搅拌、85-95℃下保温1-1.5h，随后冷却至室温，即可得到焊膏用粘接剂；
其中，所述的添加剂为氢化蓖麻油、乙二酸、三乙醇胺和植物油酸；以上各物料质量占焊膏粘结剂的质量百分比为：松节油透醇42-48％、二乙二醇丁醚醋酸酯13-17％、聚异丁烯13-17％、氢化蓖麻油8-12％、乙二酸3-7％、三乙醇胺3-7％、植物油酸3-7％；
步骤四、将Ag-Cu-In-Ti复合钎料粉末与粘接剂混合，密闭、25-30℃下磁力搅拌0.5-1h，得到低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料；
其中，复合钎料粉末与粘接剂质量比为8.5-9.5:1，Ag-Cu-In-Ti复合钎料粉末各成分质量百分比为40-50％的Ag、25-35％的Cu、20-30％的In和2-5％的Ti。
2.如权利要求1所述方法制备的低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的应用，其特征为将该钎料膏应用于WC-Co硬质合金与钢的连接，包括如下步骤：
步骤一、钢板和WC-Co硬质合金基体预处理：采用电火花线切割机分别将钢板和硬质合金切割成块体，然后使用1500-3000#SiC砂纸进行打磨，再使用乙醇进行10-30min超声波清洗；
步骤二、将步骤一处理后的钢和硬质合金基体放置到丝网印刷的平台上，将丝网紧密覆盖到工件的表面，然后将配置好的钎料膏涂在丝网表面并用刮板刮平，得到表面覆有均匀厚度钎膏的试件，最后将YG18硬质合金放于钢之上得到钎焊工件；
其中，丝网的厚度为50-70μm，整个接头的钎料层厚度为100-140μm；
步骤三、将步骤二得到钎焊工件放入真空钎焊炉中，抽真空，经程序升温钎焊，得到WC-Co硬质合金与钢的钎焊接头。
3.如权利要求2所述方法制备的低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的应用，其特征为所述的钢板采用牌号40Cr、42CrMo4或45#钢，WC-Co硬质合金采用牌号为YG18、YG15或YG8硬质合金。
4.如权利要求2所述方法制备的低温连接WC-Co硬质合金与钢的钎料的应用，其特征为所述的程序钎焊为：以10-20℃/min的速率从室温加热至180-280℃并保温5-15min；以5-15℃/min的速率加热至590-610℃并保温5-15min；以4-10℃/min的速率加热至钎焊温度700-780℃并保温5-15min；以4-10℃/min的速率冷却到400-500℃，最后随炉冷却。
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