一种用于硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺

摘要

本发明涉及硬质合金的焊接，特指一种硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺。本发明主要通过设计、制备适用于硬质合金的铜基合金钎料，并利用真空或氩气保护钎焊硬质合金。通过向铜基钎料合金中添加Ni，可提高钎料的耐腐蚀性能，通过合理控制钎料合金中Al的含量，可很好的控制钎料的熔点。同时铜基合金钎料对硬质合金具有良好的润湿及界面行为，保证了其对硬质合金良好的钎焊性。为使钎料合金成分均匀，一般要求制备铜基合金时要氩气保护且多次重复熔炼；为保证获得良好的钎焊接头，在钎焊过程，待焊接件需要施加一定的压力，如果压力过大或过小均会导致焊接接头强度降低，同时焊接气氛需要为真空或氩气保护。

说明书

技术领域

本发明涉及硬质合金的焊接，特指一种用于硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺。

背景技术

硬质合金因其具有较高的强度、硬度和弹性模量，耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小且化学性质较为稳定，被广泛应用于切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域。但是，硬质合金韧性差、脆性大，难以进行切削加工，而且价格相对较高，这些因素使其无法形成尺寸较大、形状复杂的制品，使用范围受到极大限制。在实际生产中，许多零部件在使用时并不需要整体都用硬质合金制造，所以将硬质合金与韧性好、强度较高、加工性能优异且廉价的钢连接起来使用，这对于拓宽硬质合金的应用具有重要作用，目前已成为解决硬质合金尺寸有限、形状简单、成本高和韧性差等不足的主要方法。

目前，硬质合金和钢的连接工艺主要有扩散焊、熔焊和钎焊等，而扩散焊接工艺对连接试样表面的加工和连接设备的要求高，需要大的连接压力，而且对焊件的尺寸和形状有限制，无法进行连续批量式的生产。对于熔化焊而言，在由于熔化焊温度较高，金属粘结相的熔化造成WC颗粒进入焊缝，一旦聚集将大大降低焊缝强度。针对上述焊接工艺的突出问题，钎焊因具有热输入量小、变形小等一系列优点，逐渐得到了人们的重视。但是目前硬质合金的钎焊仍然存在一些问题：钎焊接头的使用温度低，高温服役环境下接头力学性能差，难以保证钎焊接头的高温使用可靠性。其次，硬质合金钎焊应用较多的是银基中温钎料，价格昂贵，成本高。因此研发低成本、耐高温、耐腐蚀且力学性能优良的钎料是解决硬质合金广泛应用的主要途径。

为解决上述问题，目前研究的主要是低银或无银的铜基合金钎料。关于低银的铜基合金钎料，如中国专利ZL201310476847.2“用于焊接硬质合金与钢的无镉低银中温钎料及制备方法”是将Ag、Sn、Zn、Ni、Cu及微量合金元素Ce、Ga、Bi金属粉通过电弧熔炼、单辊急冷的方法制备钎料箔材并用于硬质合金的焊接；中国专利ZL201010551063.8“一种用于硬质合金刀具钎焊的高温钎料及其制备方法”将Cu、Ag、TiH₂、Ni、Sn和Cr等粉末利用机械合金化的方法制备合金钎料并钎焊硬质合金；中国专利ZL201210423571.7“一种连接硬质合金与钢的急冷钎料及制备方法和连接方法”将Ag、Cu、Zn、Ni、Mn、Co、Sn等金属粉末利用电弧熔炼、铜辊甩带的方法制备钎料箔带，应用于硬质合金和钢的焊接。上述钎料仍无彻底去除Ag的存在，钎料成本高、制备工艺复杂，元素Zn等在真空焊接过程中容易挥发，从而降低接头强度。

关于无银的铜基合金钎料，中国专利ZL201310124580.0“钎焊硬质合金无银钎料”是通过设计制备含Zn、Mn、Ni、Sn、Al的Cu基钎料并用于硬质合金的钎焊。与本申请相比，该钎料含有易挥发元素Zn，在真空焊接中会导致接头强度下降；文献“徐颖梅.采用CuMnNi钎料真空钎焊40Cr钢与YG8硬质合金的工艺研究.科学技术,2010,2:191”和“陆扬,王海龙,周基江.40Cr钢与YG8硬质合金的真空钎焊工艺研究.江苏科技大学学报,2007,21(4):76-79”均采用CuMnNi钎料钎焊硬质合金和40Cr钢，与本申请相比，上述钎料的CuMnNi钎料在高温焊接下Mn元素流失比较严重，低温下元素扩散不均匀，焊接工艺难以控制。文献“翟秋亚,梁存琨,成军,徐锦锋.Cu基微晶钎料高频钎焊0Cr18Ni9Nb/YG6分析.焊接学报,2008,29(9):23-26”采用Cu-xSn微晶钎料钎焊0Cr18Ni9Nb不锈钢和YG6硬质合金。

总之，上述低银或无银的铜基合金钎料与本申请的铜基钎料不管是在金属元素组成上，还是其各元素的质量百分比含量上均有很大的差异。

此外，对焊接工艺而言，也有相关报道通过对钎料或硬质合金进行预处理来提高其焊接性，如文献“Barrena MI,Gomez de Salazar JM,Matesanz L.Interfacial microstructure and mechanical strength of WC–Co/90MnCrV8cold work tool steel diffusion bonded joint with Cu/Ni electroplated interlayer.Materials and Design,2010,31:3389-3394”采用电镀镍的纯Cu金属对WC-Co和90MnCrV8钢进行焊接；中国专利ZL201210505847.6“一种硬质合金与合金钢的钎焊/扩散焊复合焊接方法”是通过对硬质合金电镀镍层的方法通过纯Cu作为钎料采用钎焊/扩散焊复合焊接工艺对硬质合金和42CrMo合金钢进行焊接；中国专利ZL201410286051.5“一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法”是将硬质合金/金属箔片/钢紧密贴合后得到整体工件，然后先后经过脉冲活化处理和直流烧结处理，得到硬质合金与钢的焊接接头；与本申请相比，其工艺复杂且焊接施加压力较大，对设备要求较高。中国专利ZL200910062659.9“一种用于焊接硬质合金与钢件的焊条及其焊接方法”利用药皮成分为W、CaCo₃、CaF₂、TiO₂、SiO₂、C和Fe的焊条，采用熔化焊工艺焊接硬质合金与钢，与本申请相比，焊接温度高，工艺复杂。

总之，与本申请相比，上述钎焊工艺虽可通过对硬质合金或钎料镀镍工艺可以提高硬质合金的钎焊性能，但Ni层与基体之间热膨胀系数不匹配，界面结合力不牢等缺陷，焊后容易在界面处诱发裂纹，此外扩散焊所需焊接压力大，熔焊的焊接温度高等问题都成为了限制此类方法应用的主要因素。因此如何通过研发合适的钎料合金以及优化钎焊工艺，成为硬质合金广泛应用的技术瓶颈。

发明内容

本发明在于提供一种用于硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺，目的是提高硬质合金的钎焊接头性能，特别是接头的强度、耐高温性、抗腐蚀等特性。

为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的，一种用于硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺，其铜基钎料的制备由如下步骤组成：

(1)将一定质量配比、一定纯度的市售Cu、Ni、Al粉体进行混合，并置于滚筒球磨机上球磨制成金属混合粉末。

(2)将上述金属混合粉末取出，烘干、过筛。

(3)称取一定量上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，利用中频感应熔炼炉进行熔炼，制备合金锭。

(4)利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成一定大小的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。

步骤(1)中，Cu、Ni、Al粉体质量百分比含量如下：65-85％的Cu，12.5-30％的Ni，2.5-10％的Al；Cu、Ni和Al粉的纯度均大于99.7wt％。

步骤(1)中，所述的球磨，其球磨介质为酒精，磨球为玛瑙球，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨时间为12-48h。

步骤(2)中，烘干指置于真空烘箱中80℃烘干，过筛指过100目筛。

步骤(3)中，所述的熔炼，其感应电流200-250A，每次熔炼时间为100-120s，保护气氛为氩气，并经3次快速重熔冷凝直至合金锭成分均匀。

为了实现上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的，一种用于硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺，其钎焊工艺由如下步骤组成：

(1)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清洗。

(2)将清洗干净的硬质合金、铜基合金钎料箔片和钢试样依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置可施加一定压力的钢件。

(3)将装配好的石墨模具置于真空炉中真空下或氩气保护下进行钎焊，以一定加热速度加热至一定温度，待保温一定时间后，以一定冷却速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

步骤(2)中，所述的施加一定压力指施加3-10kPa的压力。

步骤(3)中，所述真空的真空度≤1×10^-2Pa，升温速度为5-10℃/min，钎焊温度为1160-1230℃，保温时间为3-10min，冷却速度为3-5℃/min。

本申请主要通过设计、制备适用于硬质合金的铜基合金钎料，并利用真空或氩气保护钎焊硬质合金。通过向铜基钎料合金中添加Ni，可提高钎料的耐腐蚀性能，通过合理控制钎料合金中Al的含量，可很好的控制钎料的熔点。同时铜基合金钎料对硬质合金具有良好的润湿及界面行为，保证了其对硬质合金良好的钎焊性。为使钎料合金成分均匀，一般要求制备铜基合金时要氩气保护且多次重复熔炼；为保证获得良好的钎焊接头，在钎焊过程，待焊接件需要施加一定的压力，如果压力过大或过小均会导致焊接接头强度降低，同时焊接气氛需要为真空或氩气保护。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)由于铜基合金采用无银化设计，成本低，且与硬质合金基体润湿及界面行为优良，同时由于铜基合金中添加了Ni和Al等合金元素，该钎料具有耐腐蚀、熔点可控等优点。(2)与扩散焊、熔化焊等焊接工艺相比，钎焊温度低、保温时间短、附加压力低、对设备要求低且焊接效率高，适用于硬质合金的焊接。(3)以该铜基合金为钎料，钎焊焊接接头剪切强度较高，耐腐蚀，接头可适用于盾构机等复杂工况。

附图说明

图1为一种用于硬质合金的铜基钎料(Cu-19.5Ni-2.5Al)的金相照片及采用该钎料对硬质合金与/45钢的钎焊接头剖面；(a)Cu-19.5Ni-2.5Al金相照片(b)1220℃时硬质合金和45钢焊接接头剖面。

图2为一种用于硬质合金的铜基钎料(Cu-19Ni-5Al)的金相照片及采用该钎料对硬质合金与/45钢的钎焊接头剖面；(a)Cu-19Ni-5Al金相照片(b)1210℃时硬质合金和45钢焊接接头剖面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明所述的一种用于硬质合金的铜基钎料的制备步骤包括：

(1)将一定质量配比、一定纯度的市售Cu、Ni、Al粉进行混合，并置于滚筒球磨机上球磨制成金属混合粉末。

(2)将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(3)称取一定量上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，利用中频感应熔炼炉进行熔炼，制备合金锭。

(4)利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成一定大小的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。

本发明所述的Cu、Ni、Al粉体质量百分比含量如下：65-85％的Cu，12.5-30％的Ni，2.5-10％的Al；所述的Cu、Ni和Al粉的纯度均大于99.7％。

本发明所述的球磨，其球磨介质为酒精，磨球为玛瑙球，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨时间为12-48h。

本发明所述的熔炼，其感应电流200-250A，每次熔炼时间为100-120s，保护气氛为氩气，并经3次快速重熔和冷凝。

本发明所述的一种用于硬质合金的钎焊工艺的步骤包括：

(1)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清洗10分钟。

(2)将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置可施加一定压力的钢件。

(3)将装配好的石墨模具置于真空炉(真空度≤1×10^-2Pa)或氩气保护下中进行钎焊，以一定加热速度加热至一定温度，待保温一定时间后，以一定冷却速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

本发明所述的施加一定压力为3-10kPa，升温速度为5-10℃/min，钎焊温度为1160-1230℃，保温时间为3-10min，冷却速度为3-5℃/min。

实施案例1

(1)将市售纯度约为99.7％的Cu、Ni、Al粉以78：19.5：2.5的质量百分比进行混合，然后置于滚筒球磨机上，以玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨24h制成金属混合粉末；将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(2)称取30g上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，并置于中频感应熔炼炉，调节电流为250A，时间为100s，重复进行3次熔炼后，制备合金锭；利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成10×10mm的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。为分析该钎料金相组织,取部分钎料，磨平、抛光和腐蚀后，将其置于金相显微镜下观察(图1a)。

(3)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清洗10分钟；将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置施加10kPa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉中，在氩气保护下进行钎焊，以10℃/min加热1000℃，再以5℃/min加热至1220℃，保温10min后，以5℃/min 的冷却速度至1000℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。为分析钎焊接头界面组织与形貌，将钎焊接头沿垂直于焊接界面方向线切割切开，磨平抛光后，在扫描电镜下观察(图1b)。

实施例2

(1)将市售纯度约为99.7％的Cu、Ni、Al粉以76：19：5的质量百分比进行混合，然后置于滚筒球磨机上，以玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨24h制成金属混合粉末；将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(2)称取30g上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，并置于中频感应熔炼炉，调节电流为250A，时间为110s，重复进行3次熔炼后,制备合金锭；利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成10×10mm的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。为分析该钎料金相组织,取部分钎料，磨平、抛光和腐蚀后，将其置于金相显微镜下观察(图2a)。

(3)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将待其置于无水乙醇中超声清洗10分钟；将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置施加10kPa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉中进行钎焊，真空度≤1×10^-2Pa，以10℃/min加热1000℃，再以5℃/min加热至1210℃，保温10min后，以5℃/min的冷却速度至1000℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。为分析钎焊接头界面组织与形貌，将钎焊接头沿垂直于焊接界面方向线切割切开，磨平抛光后，在扫描电镜下观察(图2b)。

实施例3

(1)将市售纯度约为99.7％的Cu、Ni、Al粉以74：16：10的质量百分比进行混合，然后置于滚筒球磨机上，以玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨48h制成金属混合粉末；将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(2)称取30g上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，并置于中频感应熔炼炉，调节电流为250A，时间为120s，重复进行3次熔炼后，制备合金锭；利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成10×10mm的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。

(3)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清 洗10分钟；将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置施加5kPa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉中进行钎焊，真空度≤1×10^-2Pa，以10℃/min加热1000℃，再以5℃/min加热至1160℃，保温5min后，以5℃/min的冷却速度至1000℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施例4

(1)将市售纯度约为99.7％的Cu、Ni、Al粉以82.5：12.5：5的质量百分比进行混合，然后置于滚筒球磨机上，以玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨12h制成金属混合粉末；将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(2)称取30g上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，并置于中频感应熔炼炉，调节电流为200A，时间为120s，重复进行3次熔炼后，制备合金锭；利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成10×10mm的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。

(3)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清洗10分钟；将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置施加3kPa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉中进行钎焊，真空度≤1×10^-2Pa，以10℃/min加热1000℃，再以5℃/min加热至1210℃，保温10min后，以5℃/min的冷却速度至1000℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。

实施例5

(1)将市售纯度约为99.7％的Cu、Ni、Al粉以85：12.5：2.5的质量百分比进行混合，然后置于滚筒球磨机上，以玛瑙球为磨球，酒精为球磨介质，球料比为8：1，球磨转速为100r/min，球磨24h制成金属混合粉末；将上述金属混合粉末取出放在坩埚中，并置于真空烘箱中80℃下烘干，随后过100目筛。

(2)称取30g上述过筛好的金属混合粉末，利用压力成型机压制成块体，然后放入氧化锆坩埚中，并置于中频感应熔炼炉，调节电流为200A，时间为110s，重复进行3次熔炼后，制备合金锭；利用轧机将合金锭轧制为～100μm厚度的箔片，再切成10×10mm的箔片，并用细砂纸打磨去除表面氧化物，即得可用于硬质合金钎焊的铜基合金钎料箔片。

(3)将除油后的硬质合金与钢试样焊接面磨平、抛光，然后将其置于无水乙醇中超声清洗10分钟；将清洗干净的硬质合金、上述铜基合金钎料箔片和钢依次置于石墨模具中，并在钢试样上放置施加10kPa压力的钢件；将装配好的石墨模具置于真空炉中进行钎焊，真空度 ≤1×10^-2Pa，以10℃/min加热1000℃，再以5℃/min加热至1230℃，保温3min后，以5℃/min的冷却速度至1000℃，再以3℃/min的冷却速度至300℃，然后随炉冷却至室温时开炉取样。将上述实施例中的硬质合金的铜基钎料及钎焊工艺汇总于表1。

表1硬质合金/钢钎焊工艺及接头性能

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。