CN102935561A

CN102935561A - 一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料

Info

Publication number: CN102935561A
Application number: CN2012104953816A
Authority: CN
Inventors: 陈国庆; 张秉刚; 涂建刚; 冯吉才; 吴振中
Original assignee: Harbin Institute of Technology; Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Current assignee: Harbin Institute of Technology; Zhuzhou Cemented Carbide Group Co Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-02-20

Abstract

一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，本发明涉及异种材料电子束焊接用材料，本发明是要解决现有的硬质合金与钢用钎焊连接的方法工序复杂、熔焊连接方法易产生裂纹缺陷的技术问题。本发明的硬质合金与钢的电子束焊接用中间层材料由铁粉、铌粉、钇粉、碳粉和镍粉制成。将本发明的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料切割成薄片，打磨、清洗后，得到了中间层；将中间层放置在待焊的硬质合金与钢之间，用电子束焊接方法得到了硬质合金与钢的电子束焊接接头。本发是有的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料用于异种材料焊接领域。

Description

一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料

技术领域

本发明涉及异种材料电子束焊接用材料，属于异种材料熔化焊接领域。

背景技术

硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TiC、TaC等)为基体，以过渡族金属为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、化学性质稳定以及良好的红硬性等优异的性能，广泛应用于机械加工、地质勘探、矿山开采等领域。但硬质合金价格昂贵且韧性差，使其难以生产较大尺寸、形状复杂的制品。钢的成本低廉，韧性较好，适于机械加工，因此将硬质合金与钢结合起来使用，具有重要的理论意义和实用价值。

然而，在设计生产工艺时这两种材料的连接，尤其是大厚度(厚度超过30mm)的硬质合金与钢的连接问题愈加突出，如何选取合理的焊接方法，既要保证连接强度，又要使焊接工序对硬质合金的热力损伤降到最低，成为一个亟需解决的问题。目前对于中小尺度硬质合金与钢的连接通常采用钎焊方法，然而对于大厚度硬质合金与钢的连接，采用钎焊方法则需要将硬质合金“分瓣”后再进行连接，这样会增加加工工序和焊接复杂性，降低使用寿命。分析认为，采用具有超大焊缝深宽比、热影响区小、能量及焊缝位置精确可控、且可一次深熔焊接成形的电子束焊接是优选方法之一，但是硬质合金与钢熔焊时由于脆性相和焊接应力的存在，使得到的电子束焊接接头容易产生裂纹缺陷，无法形成有效连接接头，目前国内外解决这一问题的合理方法尚未见报道。

发明内容

本发明是要解决现有的硬质合金与钢用钎焊连接的方法工序复杂、熔焊连接方法易产生裂纹缺陷的技术问题，而提供一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料。

本发明的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料按重量百分比由8.3～8.5％的铁粉、0.45％～0.55％的铌粉、0.75％～0.85％的钇粉、0.45％～0.55％的碳粉和余量的镍粉制成。

上述的镍粉中的镍的质量含量≥99.5％，而且镍粉中的硫的质量含量≤0.003％；镍粉的粒径为2～3μm；

铁粉中的铁的质量含量≥99％，而且铁粉中的S的质量含量≤0.001％，Si的质量含量≤0.02％，Mn的质量含量≤0.03％，P的质量含量≤0.001％；铁粉的粒径为2.5～3.5μm；

碳粉中碳的质量含量＞99.8％，而且碳粉中的水分的质量含量≤0.005％；碳粉的粒度为300～500日；

铌粉中铌的质量含量≥99.9％；铌粉的粒度为300～500目；

钇粉中钇的质量含量≥99.9％；钇粉的粒度为300～500目；

本发明的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料经粉末混合、压坯、烧结后得到。

本发明的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料的制备方法具体是按以下步骤进行的：

一、按重量百分比称取8.3～8.5％的铁粉、0.45％～0.55％的铌粉、0.75％～0.85％的钇粉、0.45％～0.55％的碳粉和余量的镍粉并加入到混粉机混合0.5～1小时，得到混合粉末；

二、将步骤一得到的混合粉末加入到模具中，再将模具放至液压压力机中，在压力为300～1000T的条件下压制120～150秒，得到压坯；

三、将步骤二得到的压坯放入真空炉中，以10～12℃/min的速度升温至1150～1200℃并保持1.5～2小时，然后随炉冷却，得到硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料。

本发明步骤一的各种粉末称取完成后，在不超过30min的时间内进行混粉，以防止所称取的粉末氧化；同理，步骤一得到的混合粉末要用密封袋密封保存，并在不超过24h的时间内将混合粉末进行压坯以防止氧化。

利用本发明的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行焊接的方法按以下步骤进行：将硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行表面清理后切割成厚度为1～2mm的薄片，用砂纸将薄片的表面打磨平整，再用丙酮将薄片的表面清洗干净后，得到了中间层；将中间层放置在待焊的硬质合金与钢之间，用电子束焊接得到了硬质合金与钢的接头。

本发明的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料中镍元素有较为优异的塑性性能，且高温塑性较好，能够在焊后缓冲接头残余应力，因此Ni元素选为该中间层的主体元素；通过加入C元素，可以补偿因C元素扩散而导致的硬质合金侧贫C，避免产生脆性相以及接头性能的下降；Nb元素和Y元素作为稀土元素，能够在焊接过程中起到细化晶粒的作用。用本发明的中间层材料来抑制硬质合金与钢在焊接过程中脆性相的生成，并有效缓解焊接应力。

采用常规的电子束焊接方法对硬质合金与钢进行焊接接头极易产生宏观裂纹缺陷，无法形成有效连接。利用本发明的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料作为过渡成分进行电子束焊接与常规焊接方法不同之处在于，将硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料置于硬质合金与钢待焊件之间，利用电子束热源进行加热，利用电子束精确可控的效应来引导焊接熔池的空间定位，实现硬质合金与钢的有效连接。该硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料一方面可以使硬质合金与钢的焊缝形成良好的冶金结合，减少或避免脆性相的生成，接头没有裂纹缺陷；另一方面能够降低焊缝脆性，增加塑韧性，避免较大的焊接残余应力，能够获得优质的连接接头。

附图说明

图1是试验一得到的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料的扫描电镜照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料按重量百分比由8.3～8.5％的铁粉、0.45％～0.55％的铌粉、0.75％～0.85％的钇粉、0.45％～0.55％的碳粉和余量的镍粉制成。

本实施方式的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料是经粉末混合、压坯、烧结后制成的。

本实施方式的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料中镍元素有较为优异的塑性性能，且高温塑性较好，能够在焊后缓冲接头残余应力，因此Ni元素选为该填充材料的主体元素；通过加入C元素，可以补偿因C元素扩散而导致的硬质合金侧贫C，避免产生脆性相以及接头性能的下降；Nb元素和Y元素作为稀土元素，能够在焊接过程中起到细化晶粒的作用。用本实施方式的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料来抑制硬质合金与钢在焊接过程中脆性相的生成，并有效缓解焊接应力，能够获得优质的连接接头。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是镍粉中的镍的质量含量≥99.5％，而且镍粉中的硫的质量含量≤0.003％；其它与具体实施方式一相同。

本实施方式中对镍粉中的硫的质量含量进行了限定，如果镍粉中含有过量的硫元素，一方面会加大硬质合金与钢焊接过程中的热裂纹倾向；另一方面，即使得到无裂纹的焊接接头，所得接头的塑韧性也会受到较大影响。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是镍粉的粒径为在2～3μm；其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是铁粉中的铁的质量含量≥99％，而且铁粉中的S的质量含量≤0.003％，Si的质量含量≤0.02％，Mn的质量含量≤0.03％，P的质量含量≤0.003％；其它与具体实施方式一至三之一相同。

本实施方式中对铁粉中的杂质进行了限定，是因为铁粉中过多的硫和磷会导致烧结的中间层容易产生裂纹缺陷；如果铁粉中含有过多的锰，会使铁粉的压缩性能变差，从而容易导致在相同压力下所得中间层的致密度不够；铁粉中过多的Si如果以SiO₂形式存在，会使中间层的成形、烧结和其最终性能都会带来很不利的影响。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是铁粉的粒径为2.5～3.5μm；其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是碳粉中碳的质量含量≥99.8％，而且碳粉中的水分的质量含量≤0.005％；其它与具体实施方式一至五之一相同。

本实施方式中对碳粉中的水分进行了限定，如果碳粉中含有较多的水分，一方面在真空烧结过程中，真空炉抽真空过程会受到影响，中间层中也容易出现气孔等缺陷；另一方面，在焊接过程中，中间层中过多的气孔也会导致焊接接头中出现气孔等缺陷。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是碳粉的粒度为300～500目；其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料按重量百分比由8.4％的铁粉、0.5％的铌粉、0.8％的钇粉、0.5％的碳粉和余量的镍粉制成；其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述的硬质合金为YGH-60硬质合金，所述的钢为45#钢，其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：具体实施方式一所述的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料具体是按以下步骤进行：

三、将步骤二得到的压坯放入真空炉中，以10～12℃/min的速度升温至1150～1200℃并保持1.5～2小时，然后随炉冷却，得到一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料。

具体实施方式十一：利用具体实施方式一所述的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行电子束焊接的方法按以下步骤进行：将一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行表面清理后切割成厚度为1～2mm的薄片，用砂纸将薄片的表面打磨平整，再用丙酮将薄片的表面清洗干净后，得到了中间层；将中间层放置在待焊的硬质合金与钢之间，再用电子束焊接得到硬质合金与钢的接头。

本实施方式得到的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，对其表面进行清理后，按待焊试样的尺寸进行切割，再利用机械方法将表面加工平整，再用丙酮将表面清洗干净后，就得到了硬质合金与钢的电子束焊接用的中间层，将该填充材料放置在待焊的硬质合金与钢之间，用电子束焊接就得到效连接的接头。引入中间层填充材料后，采用电子束焊接，由于电子束焊接具有束流密度大、能量高度集中的优点，避免了硬质合金侧由于热输入过大而产生裂纹，对该硬质合金与钢的电子束焊接接头获得了有效结合，焊接接头的抗拉强度超过300MPa。

用以下试验验证本发明的有益效果：

试验一：本试验的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料按重量百分比由8.5％的铁粉、0.5％的铌粉、0.8％的钇粉、0.5％的碳粉和余量的镍粉制成。

硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料具体的制备方法如下：一、按重量百分比称取8.5％的铁粉、0.5％的铌粉、0.8％的钇粉、0.5％的碳粉和余量的镍粉并加入到混粉机混合0.5小时，得到混合粉末；二、将步骤一得到的混合粉末加入到模具中，再将模具放至液压压力机中，在压力为300～1000T的条件下压制120秒，得到压坯；三、将步骤二得到的压坯放入真空炉中，以10℃/min的速度升温至1200℃并保持2小时，然后随炉冷却，得到硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料。

其中镍粉、铁粉、碳粉、铌粉和钇粉均为市售产品，镍粉中的镍的质量含量为99.9％，而且镍粉中的硫的质量含量为0.001％；镍粉的粒径为2.5～3μm；铁粉中的铁的质量含量为99.5％，而且铁粉中的S的质量含量为0.0005％，Si的质量含量为0.005％，Mn的质量含量为0.005％，P的质量含量为0.0006％；铁粉的粒径为2.5～3μm；碳粉中碳的质量含量为99.9％，而且碳粉中的水分的质量含量为0.004％；碳粉的粒度为500目；铌粉中铌的质量含量为99.9％；铌粉的粒度为500目；钇粉中钇的质量含量99.9％；钇粉的粒度为500目。

将得到的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行观察发现，得到的扫描电镜照片如图1所示，

从图1可以看出该中间层材料组织较为均匀、致密，且主要以Ni基固溶体组织为主。从图1中还可以看出，该中间层材料从总体上来说元素分布均匀，仅在个别位置有元素的偏聚现象。图1中A处、B处及C处的元素分析如表1所示，

表1图1中A处、B处及C处的成分(w.t.％)

元素	Ni	Fe	C	Y	Nb
						A	87.95	8.43	3.62	--	--
B	21.76	--	4.79	--	73.45
						C	3.29	--	96.71	--	--

采用本试验制备的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行电子束焊接，电子束焊接作为一种深熔熔焊方法，在硬质合金与钢的焊接过程中，中间层中的各元素在熔池搅拌作用下会均匀分布，使硬质合金与钢的焊缝形成良好的冶金结合。另外，该中间层具有较好的塑韧性，能够降低焊缝脆性，增加焊缝塑韧性，避免较大的焊接残余应力，获得优质的连接接头。

将本试验得到的硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行表面清理后，按待焊试样硬质合金为YGH-60硬质合金与45#钢的尺寸进行切割厚度为1.5mm的薄片，再用80#、240#、400#、600#及800#号的砂纸将薄片的表面加工平整，再用丙酮将表面清洗干净后，就得到了中间层，将该中间层放置在待焊的硬质合金为YGH-60硬质合金与45#钢之间，用电子束焊接得到了YGH-60硬质合金与45#钢的接头。

本试验引入中间层后，采用电子束焊接，由于电子束焊接具有束流密度大、能量高度集中的优点，避免了硬质合金侧由于热输入过大而产生裂纹，对该YGH-60硬质合金与45#钢的的电子束焊接接头进行观察发现，焊接接头获得了有效结合，通过对焊接接头的抗拉强度进行测试发现，焊接接头的抗拉强度为320MPa。

Claims

1.一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料按重量百分比由8.3～8.5％的铁粉、0.45％～0.55％的铌粉、0.75％～0.85％的钇粉、0.45％～0.55％的碳粉和余量的镍粉制成。

2.根据权利要求1所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于镍粉中的镍的质量含量≥99.5％，而且镍粉中的硫的质量含量≤0.003％。

3.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于镍粉的粒径为2～3μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于铁粉中的铁的质量含量≥99％，而且铁粉中的S的质量含量≤0.003％，Si的质量含量≤0.02％，Mn的质量含量≤0.03％，P的质量含量≤0.003％。

5.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于铁粉的粒径为2.5～3.5μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于碳粉中碳的质量含量≥99.8％，而且碳粉中的水分的质量含量≤0.005％。

7.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于碳粉的粒度为300～500目。

8.根据权利要求1或2所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料，其特征在于硬质合金为YGH-60硬质合金，所述的钢为45#钢。

9.利用权利要求1所述的一种硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行电子束焊接的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：将硬质合金与钢的电子束焊接用填充材料进行表面清理后切割成厚度为1～2mm的薄片，用砂纸将薄片的表面打磨平整，再用丙酮将薄片的表面清洗干净后，得到了中间层；将中间层放置在待焊的硬质合金与钢之间，用电子束焊接进行试验，得到硬质合金与钢的接头。