CN104128716B - 含纳米塑料颗粒的烧结焊剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，按质量百分比由以下组分组成：纳米塑料颗粒5％～10％；CaF227％～30％；MgO10％～15％；CaO5％～10％；Al2O323％～28％；TiO213％～18％；AlMnFe2％～5％；ZrO23％～5％；余量为SiO2，以上各组分的质量百分比总和为100％；所述粘结剂占干粉的质量百分比的15％～20％。本发明增强了焊缝的冲击韧性和结合力，可以有效改善焊缝的韧性，提高其冲击吸收能，延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，特别是涉及一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
背景技术
纳米塑料的基体为高分子聚合物，通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散，有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。纳米塑料能使普通塑料具有像陶瓷材料一样的刚性和耐热性，同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。
瑞典西部大学的科学家制备出一种飞机引擎表面隔热材料，它可以将引擎的高温持续时间提升到原来的3倍。该涂层由陶瓷纳米颗粒和纳米塑料颗粒组成，加热至7000℃～8000℃使得陶瓷纳米颗粒熔化，之后进行等离子涂抹。其中，陶瓷纳米颗粒可以隔绝掉引擎的热传播，而纳米塑料颗粒则为引擎提供了弹性，这样该涂层就能根据当时的环境条件进行一定的收缩和扩张。科学家表示，这种全新的涂层结构不仅变得更加灵活，进而保护引擎金属层不产生破裂，而且还能提高其在不规整平面的附着力。
目前，缺乏一种增强焊缝的冲击韧性、结合力的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有增强焊缝的冲击韧性、结合力的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，由干粉和粘结剂烘焙而成，所述干粉按质量百分比由以下组分组成：
余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％；
所述粘结剂占干粉的质量百分比的15％～20％。
进一步地，所述SiO2的质量百分比不高于8％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，所述钾钠水玻璃中的钾钠比为3∶1。
进一步地，所述纳米塑料颗粒为超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
更进一步地，所述纳米碳酸钙为球形，所述球形的直径为20～30nm，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂和脂肪酸表面修饰，
所述超高分子量聚乙烯分子量为1000000～2000000，超高分子量聚乙烯与纳米碳酸钙的质量比为16:1～24:1。
本发明所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取5％～10％纳米塑料颗粒，27％～30％的CaF2，10％～15％的MgO，5％～10％的CaO，23％～28％的Al2O3，13％～18％的TiO2，2％～5％的AlMnFe，3％～5％的ZrO2，余量为SiO2；
(2)将称取好的上述组分置于同一容器中进行混合即得干粉；混合均匀后，按照干粉的质量百分比的15％～20％称取粘结剂，将粘结剂加入容器中，进行湿搅拌均匀呈半固态；
(3)在容器中来回搓动成粒，并通过10～15目的筛子，之后在室温通风条件下放置3～4h进行晾干；
(4)晾干后放入烘干装置中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热至温度为650℃～750℃进行烧结，烧结时间为3～5h，冷却至室温；然后通过10～30目的筛子过筛，便制成含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
进一步地，在步骤(4)中，进行烘干的装置为烘干炉；在步骤(1)中，所述称取装置为天平。
进一步地，在步骤(4)中，所述烧结时间为4小时；所述烧结炉中加热至温度为700℃。
本发明所述的纳米塑料颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取14％～17％的纳米碳酸钙，2％～4％的硅烷偶联剂，3％～5％的硬脂酸，0.01％～0.02％的碳酸钠，余量为无水乙醇；
(2)将碳酸钠、纳米碳酸钙加入无水乙醇中，配制成一定浓度的纳米碳酸钙微碱性浆液，超声振荡15min～20min，之后将其加热至80℃～100℃，加入硅烷偶联剂并进行机械搅拌，20min～25min后加入硬脂酸，50min～70min后停止搅拌；
(3)过滤、洗涤3～5次，真空干燥，研磨、过筛制得改性纳米碳酸钙；
(4)将超高分子量聚乙烯、经表面修饰处理的纳米碳酸钙、脂肪酸聚氧乙烯酯增溶剂和液体石蜡分散剂缓慢加入到密炼机中进行熔融混炼，混炼温度150℃～200℃，转速为70r/min～100r/min，时间为20min～40min；混炼完成后，取料、造粒，制备出超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
进一步地，在步骤(2)中，所述搅拌速率为250r/min～350r/min。
进一步地，在步骤(4)中，所述密炼机的转速为90r/min。
有益效果：本发明增强了焊缝的冲击韧性和结合力，可以有效改善焊缝的韧性，提高其冲击吸收能，同时增大了焊缝与母材之间的结合力，提高其断面剪切率，从而提高了焊件抗大变形的能力，延长其使用寿命。与无氧纯铜焊丝匹配使用，进行平板对接双Y型坡口双面多丝埋弧焊接，焊接工艺性能优异，且所得焊缝断面剪切率、低温冲击吸收能相比于未添加纳米塑料颗粒的焊缝有明显提高。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述；
图1为本发明的示意图，其中：1内焊面，2外焊面。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，由干粉和粘结剂烘焙而成，所述干粉按质量百分比由以下组分组成：
余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％；
所述粘结剂占干粉的质量百分比的20％。
所述SiO2的质量百分比不高于8％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，所述钾钠水玻璃中的钾钠比为3∶1。
所述纳米塑料颗粒为超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
所述纳米碳酸钙为球形，所述球形的直径为20nm，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂和脂肪酸表面修饰，
所述超高分子量聚乙烯分子量为1000000～2000000，超高分子量聚乙烯与纳米碳酸钙的质量比为16:1～24:1。
本发明所述的纳米塑料颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取14％的纳米碳酸钙，2％的硅烷偶联剂，3％的硬脂酸，0.01％的碳酸钠，余量为无水乙醇；
(2)将碳酸钠、纳米碳酸钙加入无水乙醇中，配制成一定浓度的纳米碳酸钙微碱性浆液，超声振荡15min，之后将其加热至80℃，加入硅烷偶联剂并进行机械搅拌，搅拌速率为250r/min，20min后加入硬脂酸，50min后停止搅拌；
(3)过滤、洗涤3次，真空干燥，研磨、过筛制得改性纳米碳酸钙；
(4)将超高分子量聚乙烯、经表面修饰处理的纳米碳酸钙、脂肪酸聚氧乙烯酯增溶剂和液体石蜡分散剂缓慢加入到密炼机中进行熔融混炼，混炼温度150℃，转速为70r/min，时间为20min；混炼完成后，取料、造粒，制备出超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
本发明所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别用天平称取5％纳米塑料颗粒，27％的CaF2，10％的MgO，10％的CaO，28％的Al2O3，13％的TiO2，2％的AlMnFe，3％的ZrO2，余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％。
(2)将称取好的上述组分置于同一容器中进行混合即得干粉；混合均匀后，按照干粉的质量百分比的20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，进行湿搅拌均匀成为半固态，
(3)在容器中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4h进行晾干；
(4)晾干后放入烘干炉中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热至温度为650℃进行烧结，烧结时间为3h，冷却至室温；然后通过10目的筛子过筛，便制成含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
实施例1的焊剂材料与无氧纯铜焊丝匹配，焊接高厚径比的X80级管线钢，直径为813mm，厚度为25mm。埋弧焊的坡口形式及坡口尺寸如图1所示。
采用双面多丝埋弧焊机进行焊接，正面焊完后反面清理焊接，具体焊接工艺参数如下表1所示：
表1
焊接接头力学性能如表2所示：
表2
由表2可知，本发明的组合物的断面剪切率平均值和冲击吸收能KV2平均值比明显优于现有技术的烧结焊剂。
实施例2
本发明的一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，由干粉和粘结剂烘焙而成，所述干粉按质量百分比由以下组分组成：
余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％；
所述粘结剂占干粉的质量百分比的20％。
所述SiO2的质量百分比不高于8％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，所述钾钠水玻璃中的钾钠比为3∶1。
所述纳米塑料颗粒为超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
所述纳米碳酸钙为球形，所述球形的直径为25nm，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂和脂肪酸表面修饰，
所述超高分子量聚乙烯分子量为1000000～2000000，超高分子量聚乙烯与纳米碳酸钙的质量比为16:1～24:1。
本发明所述的纳米塑料颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取16％的纳米碳酸钙，3％的硅烷偶联剂，4％的硬脂酸，0.015％的碳酸钠，余量为无水乙醇；
(2)将碳酸钠、纳米碳酸钙加入无水乙醇中，配制成一定浓度的纳米碳酸钙微碱性浆液，超声振荡18min，之后将其加热至90℃，加入硅烷偶联剂并进行机械搅拌，搅拌速率为300r/min，22min后加入硬脂酸，60min后停止搅拌；
(3)过滤、洗涤4次，真空干燥，研磨、过筛制得改性纳米碳酸钙；
(4)将超高分子量聚乙烯、经表面修饰处理的纳米碳酸钙、脂肪酸聚氧乙烯酯增溶剂和液体石蜡分散剂缓慢加入到密炼机中进行熔融混炼，混炼温度180℃，转速为90r/min，时间为30min；混炼完成后，取料、造粒，制备出超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
本发明所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别用天平称取8％纳米塑料颗粒，28％的CaF2，12％的MgO，8％的CaO，26％的Al2O3，16％的TiO2，3％的AlMnFe，4％的ZrO2，余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％。
(2)将称取好的上述组分置于同一容器中进行混合即得干粉；混合均匀后，按照干粉的质量百分比的18％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，进行湿搅拌均匀成为半固态，
(3)在容器中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4h进行晾干；
(4)晾干后放入烘干炉中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热至温度为650℃进行烧结，烧结时间为3h，冷却至室温；然后通过10目的筛子过筛，便制成含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
实施例2焊剂材料与无氧纯铜焊丝匹配，焊接高厚径比的X80级管线钢，直径为813mm，厚度为25mm。埋弧焊的坡口形式及坡口尺寸如图1所示。
采用双面多丝埋弧焊机进行焊接，正面焊完后反面清理焊接，具体焊接工艺参数如下表3所示：
表3
焊接接头力学性能如表4所示：
表4
由表4可知，本发明的组合物的断面剪切率平均值和冲击吸收能KV2平均值比明显优于现有技术的烧结焊剂。
实施例3
如图1所示，一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，由干粉和粘结剂烘焙而成，所述干粉按质量百分比由以下组分组成：
余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％；
所述粘结剂占干粉的质量百分比的20％。
所述SiO2的质量百分比不高于8％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，所述钾钠水玻璃中的钾钠比为3∶1。
所述纳米塑料颗粒为超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
所述纳米碳酸钙为球形，所述球形的直径为25nm，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂和脂肪酸表面修饰，
所述超高分子量聚乙烯分子量为1000000～2000000，超高分子量聚乙烯与纳米碳酸钙的质量比为16:1～24:1。
本发明所述的纳米塑料颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取17％的纳米碳酸钙，4％的硅烷偶联剂，5％的硬脂酸，0.02％的碳酸钠，余量为无水乙醇；
(2)将碳酸钠、纳米碳酸钙加入无水乙醇中，配制成一定浓度的纳米碳酸钙微碱性浆液，超声振荡20min，之后将其加热至100℃，加入硅烷偶联剂并进行机械搅拌，搅拌速率为350r/min，25min后加入硬脂酸，70min后停止搅拌；
(3)过滤、洗涤4次，真空干燥，研磨、过筛制得改性纳米碳酸钙；
(4)将超高分子量聚乙烯、经表面修饰处理的纳米碳酸钙、脂肪酸聚氧乙烯酯增溶剂和液体石蜡分散剂缓慢加入到密炼机中进行熔融混炼，混炼温度200℃，转速为100r/min，时间为40min；混炼完成后，取料、造粒，制备出超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
本发明所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别用天平称取10％纳米塑料颗粒，30％的CaF2，15％的MgO，5％的CaO，23％的Al2O3，18％的TiO2，5％的AlMnFe，5％的ZrO2，余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％。
(2)将称取好的上述组分置于同一容器中进行混合即得干粉；混合均匀后，按照干粉的质量百分比的15％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为3:1，进行湿搅拌均匀成为半固态，
(3)在容器中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4h进行晾干；
(4)晾干后放入烘干炉中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热至温度为750℃进行烧结，烧结时间为5h，冷却至室温；然后通过30目的筛子过筛，便制成含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
实施例3焊剂材料与无氧纯铜焊丝匹配，焊接高厚径比的X80级管线钢，直径为813mm，厚度为25mm。埋弧焊的坡口形式及坡口尺寸如图1所示。
采用双面多丝埋弧焊机进行焊接，正面焊完后反面清理焊接，具体焊接工艺参数如表5所示：
表5
焊接接头力学性能如表6所示：
表6
由表6可知，本发明的组合物的断面剪切率平均值和冲击吸收能KV2平均值比明显优于现有技术的烧结焊剂。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，由干粉和粘结剂烘焙而成，其特征在于：所述干粉按质量百分比由以下组分组成：
余量为SiO2；以上各组分的质量百分比总和为100％；
所述粘结剂占干粉的质量百分比的15％～20％；所述纳米塑料颗粒为超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
2.根据权利要求1所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，其特征在于：所述SiO2的质量百分比不高于8％，所述粘结剂为钾钠水玻璃，所述钾钠水玻璃中的钾钠比为3∶1。
3.根据权利要求1所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂，其特征在于：所述纳米碳酸钙为球形，所述球形的直径为20～30nm，纳米碳酸钙经过硅烷偶联剂和脂肪酸表面修饰，所述超高分子量聚乙烯分子量为1000000～2000000，超高分子量聚乙烯与纳米碳酸钙的质量比为16:1～24:1。
4.制备权利要求1-3任一项所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取5％～10％纳米塑料颗粒，27％～30％的CaF2，10％～15％的MgO，5％～10％的CaO，23％～28％的Al2O3，13％～18％的TiO2，2％～5％的AlMnFe，3％～5％的ZrO2，余量为SiO2；
(2)将称取好的上述组分置于同一容器中进行混合即得干粉；混合均匀后，按照干粉的质量百分比的15％～20％称取粘结剂，将粘结剂加入容器中，进行湿搅拌均匀呈半固态；
(3)在容器中来回搓动成粒，并通过10～15目的筛子，之后在室温通风条件下放置3～4h进行晾干；
(4)晾干后放入烘干装置中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热至温度为650℃～750℃进行烧结，烧结时间为3～5h，冷却至室温；然后通过10～30目的筛子过筛，便制成含纳米塑料颗粒的烧结焊剂。
5.根据权利要求4所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，其特征在于：在步骤(4)中，进行烘干的装置为烘干炉；在步骤(1)中，所述称取装置为天平。
6.根据权利要求5所述的含纳米塑料颗粒的烧结焊剂的方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述烧结时间为4小时；所述烧结炉中加热至温度为700℃。
7.制备权利要求1-6任一项所述的烧结焊剂中的纳米塑料颗粒的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照质量百分比分别称取14％～17％的纳米碳酸钙，2％～4％的硅烷偶联剂，3％～5％的硬脂酸，0.01％～0.02％的碳酸钠，余量为无水乙醇；
(2)将碳酸钠、纳米碳酸钙加入无水乙醇中，配制成一定浓度的纳米碳酸钙微碱性浆液，超声振荡15min～20min，之后将其加热至80℃～100℃，加入硅烷偶联剂并进行机械搅拌，20min～25min后加入硬脂酸，50min～70min后停止搅拌；
(3)过滤、洗涤3～5次，真空干燥，研磨、过筛制得改性纳米碳酸钙；
(4)将超高分子量聚乙烯、经表面修饰处理的纳米碳酸钙、脂肪酸聚氧乙烯酯增溶剂和液体石蜡分散剂缓慢加入到密炼机中进行熔融混炼，混炼温度150℃～200℃，转速为70r/min～100r/min，时间为20min～40min；混炼完成后，取料、造粒，制备出超高分子量聚乙烯/纳米碳酸钙复合材料。
8.根据权利要求7所述的纳米塑料颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述搅拌速率为250r/min～350r/min。
9.根据权利要求8所述的纳米塑料颗粒的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述密炼机的转速为90r/min。
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