CN113399858A - 一种钎焊用复合钎料及其制备方法和硬质合金刀具 - Google Patents

Abstract

本发明属于钎料领域，具体涉及一种钎焊用复合钎料及其制备方法和硬质合金刀具。该复合钎料包括：应力缓冲层，对钎焊应力进行缓冲；钎料合金层，设置在应力缓冲层的两侧表面上，用作钎焊连接物质；所述钎料合金层在应力缓冲层上被隔离层分隔为两个以上不同区域；在钎焊时，隔离层能够阻止相邻两个区域的钎料合金在熔化后汇流在一起。本发明提供的钎焊用复合钎料，钎焊时，隔离层阻断不同区域的钎料合金汇流在一起，在钎缝处形成间断性缝隙，切断应力线，进一步缓解钎焊应力，可有效解决硬质合金和金属基体钎焊存在接头残余应力大、易于开裂、工作时钎缝强度低的问题。

Description

一种钎焊用复合钎料及其制备方法和硬质合金刀具

技术领域

本发明属于钎料技术领域，具体涉及一种钎焊用复合钎料及其制备方法和硬质合金刀具。

背景技术

硬质合金刀具在轨道交通﹑石油钻探﹑地质勘探等领域应用广泛，其在施工中承担着推进“前锋”的角色。地质条件的***是在具体施工中难以预料的，作为关键部件的刀具受到各种复杂土层强力作用，使用工况极为恶劣，极易造成刀具上硬质合金脱落和折断，增加刀具更换次数，极大影响工程进度和加大塌方危险可能性。因此刀具的可靠性已成为主宰装备运行效率和经济性的重要因素。

大块硬质合金刀具主要由硬质合金与钢基刀体钎焊而成，该类刀具为异种材料连接且其钎焊面较大，硬质合金和钢基体的热膨胀系数相差很大，例如，WC-Co类合金线膨胀系数为(4～6)×10^-6/℃，而普通钢材的线膨胀系数约为12×10^-6/℃，在焊后的冷却过程中，钢基体的收缩量大于硬质合金的收缩量，钎缝中的钎料与两侧的硬质合金和基体材料之间产生很大的应力。钎缝中的形成的内应力会影响硬质合金与基体材料的性能，降低钎缝强度，严重时导致钎缝开裂，缩短硬质合金的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钎焊用复合钎料，解决采用现有钎料进行硬质合金和钢钎焊存在接头残余应力大、易于开裂、工作时钎缝强度低的问题，提高钎焊可靠性高。

本发明的第二个目的在于提供上述钎焊用复合钎料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种硬质合金刀具。

为实现上述目的，本发明的钎焊用复合钎料的技术方案是：

一种钎焊用复合钎料，包括：

应力缓冲层，对钎焊应力进行缓冲；

钎料合金层，设置在应力缓冲层的两侧表面上，用作钎焊连接物质；所述钎料合金层在应力缓冲层上被隔离层分隔为两个以上不同区域；在钎焊时，隔离层能够阻止相邻两个区域的钎料合金在熔化后汇流在一起。

本发明提供的钎焊用复合钎料，钎焊时，隔离层阻断不同区域的钎料合金汇流在一起，在钎缝处形成间断性缝隙，切断应力线，进一步缓解钎焊应力，可有效解决硬质合金和金属基体(如钢)钎焊存在接头残余应力大、易于开裂、工作时钎缝强度低的问题，同时为热膨胀系数相差较大的金属之间钎焊所致应力过大问题提供了一种新的解决方法。

本发明中，应力缓冲层的热膨胀系数介于硬质合金与金属基体之间(或介于两个待焊件之间)，在钎焊接头冷却过程中，应力缓冲层可以补偿硬质合金与金属基体因线膨胀系数差异造成的收缩差，起到缓释应力的作用，减小钎缝处的残余应力。隔离层可以切断应力线，进一步缓解钎焊应力。

隔离层能够将钎料合金层分隔成离散小块即可，这样以离散小块形式存在的钎料合金层不会产生较大的残余应力。为了方便复合钎料的工业化生产，提高生产效率，优选的，所述隔离层为条状结构，条状结构的两端延伸到应力缓冲层相对两侧的边缘。

更优选的，所述应力缓冲层为带状结构，条状隔离层沿应力缓冲层的长度方向间隔布置。进一步优选的，所述隔离层在应力缓冲层厚度方向两侧相互对应。

优选的，所述隔离层的宽度B为0.05-1mm。进一步地，所述隔离层的宽度B为0.1-0.5mm。

不同区域的钎料合金层的宽度为10-50mm。隔离层宽度以能够切断应力线为前提，可尽量减小宽度，以避免对焊接强度造成不利影响。钎料合金层的宽度大于50mm，会导致较大残余应力的产生，所以需要用隔离层及时切断应力线，以避免产生较大的残余应力，而钎料合金层的宽度过小将导致同等长度的应力缓冲层下增加隔离层的数量，而单位长度内隔离层的数量过多可能会影响焊接强度。

优选的，所述应力缓冲层为片状金属层，利用片状金属层对钎焊过程中的产生的应力进行缓冲。更优选的，所述片状金属层的厚度为0.2～0.5mm。片状金属层在钎焊时不熔化，通过自身的塑性变形来缓解钎焊过程中产生的热应力。优选的，所述片状金属层为铜及铜合金、碳钢、不锈钢或镍合金。

优选地，钎料合金层一侧表面上的厚度为t₁，另一侧表面上的厚度为t_1’，应力缓冲层的厚度为t₂，t₁、t_1’之和大于或等于t₂的2倍，以使应力缓冲层的两侧具有足够的钎料合金，保证焊接强度。

隔离层的材质能够满足在钎焊时不熔化，不润湿钎料即可。从成本方面考虑，优选的，所述隔离层为阻流剂层。进一步地，阻流剂为金属氧化物型阻流剂，主要成分为金属氧化物和粘结剂。金属氧化物可以包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铬、氧化钛中的一种或多种。这些氧化物均有高熔点特性。阻流剂为市售产品。

优选的，所述钎料合金层为铜基钎料和/或银基钎料。更优选的，所述钎料合金层选自BCu93P、BCu91PAg、BCu89PAg、BCu58ZnMn、BAg49ZnCuMnNi、BAg49ZnCuNi、BAg45CuZnSn中的一种或两种以上。

本发明的钎焊用复合钎料的制备方法的技术方案是：

一种钎焊用复合钎料的制备方法，包括以下步骤：在应力缓冲层上成形隔离层，隔离层将应力缓冲层侧面分隔成两个以上不同区域，在不同区域内将钎料合金层复合到应力缓冲层上。

本发明的钎焊用复合钎料的制备方法，是一种工业化连续生产方案，通过热浸镀，可使钎料合金层与片状金属层形成冶金结合。整个方法操作简便、稳定性好且成本较低。

优选的，所述成形隔离层包括将膏状或糊状阻流剂涂覆在应力缓冲层上。采用该种形式，可利用常规涂覆设备来实现工业化连续生产。

优选的，所述将钎料合金层复合到应力缓冲层上包括将成形有隔离层的应力缓冲层在液态钎料合金层熔液中进行热浸镀。更优选的，所述热浸镀的温度高于钎料合金层液相线温度30～50℃，所述热浸镀的时间为10～60s。

本发明的硬质合金刀具的技术方案是：

一种硬质合金刀具，包括金属基体和硬质合金刀头，硬质合金刀头使用上述复合钎料钎焊在金属基体上，所述钎焊形成的钎缝包括：

应力缓冲层，对钎焊应力进行缓冲；

钎料连接层，复合在应力缓冲层的两侧表面上，所述钎料连接层在应力缓冲层上被隔离层分隔为两个以上不同区域。

本发明的硬质合金刀具，使用上述复合钎料，可有效缓解钎焊应力，利于提高整体硬质合金工具的抗冲击与抗剪强度，解决了传统钎料钎料大块硬质合金可靠性差的难题，延长使用寿命。

隔离层、应力缓冲层的优选实施方案与上述复合钎料技术方案中优选实施方案相同，在此不再详述。

附图说明

图1为本发明实施例1的钎焊用复合钎料的俯视图；

图2为图1沿长度方向的剖面图；

图3为生产本发明的复合钎料的连续化生产设备；

图4为实验例中钎焊用复合钎料片的分切示意图；

图中，1-应力缓冲层，2-钎料合金层，3-隔离层，4-放带装置，5-阻流剂涂覆装置，6-在线预热装置，7-热浸镀装置，8-收带装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。

一、本发明的钎焊用复合钎料的具体实施例

实施例1

本实施例的钎焊用复合钎料，结构示意图如图1和图2所示，包括薄带状应力缓冲层1和设置在应力缓冲层1两侧表面上的隔离层、钎料合金层。

应力缓冲层1可选铜及铜合金、碳钢、不锈钢、镍合金，本实施例中为铜带，厚度t₂＝0.2mm，在其他实施情形下厚度也可以为0.3、0.4、0.5、0.6、0.8或1mm。

钎料合金层2在薄带状金属层两侧设置，用来分别对钎料两侧的焊件，如硬质合金、钢进行钎焊连接。钎料合金层被隔离层分隔成离散小块，形成不同区域。钎料合金层一侧表面上的厚度为t₁，另一侧表面上的厚度为t_1’，应力缓冲层的厚度为t₂，t₁、t_1’之和大于或等于t₂的2倍，以使应力缓冲层的两侧具有足够的钎料合金，保证焊接强度。t₁、t_1’可相等或不等，在通常状态下，两者大致相等，本实例中，可设置t₁、t_1’之和为t₂的2倍。在其他情况下，可根据焊接对象的需求，灵活设置t₁、t_1’的最佳厚度。

隔离层沿薄带状应力缓冲层的长度方向平行间隔设置，隔离层3的两端延伸到薄带状应力缓冲层宽度方向的两侧边位置，将设置在薄带状应力缓冲层两侧上的钎料合金层，切割成相应的沿薄带状应力缓冲层长度方向间隔排布的钎料合金区域。

本实施例中，隔离层为氧化物型阻流剂，氧化物成分为氧化铬，在其他实施情形下，也可选择氧化铝、氧化钛等。钎料合金层为BAg49ZnCuMnNi。薄带状应力缓冲层两侧的钎料合金区域对称设置，薄带状应力缓冲层两侧的隔离层对称设置。隔离层的宽度B为0.2mm。钎料合金区域的宽度A为50mm。

在本发明的钎焊用复合钎料的其他实施例中，隔离层可以为曲线，如S形、Z形等，隔离层的宽度B可以为0.05、0.08、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1mm不等，钎料合金区域的宽度A可以为10、20、30、40mm不等，隔离层也可以在应力缓冲层两侧呈交错排布，这些情形下，众多隔离层在应力缓冲层表面上呈现出规律性重复图案；在应力缓冲层表面上的隔离层也可以呈现无规律不规则图案，形状也可以为圆形、矩形等非条形结构，能够将钎料合金层划分成一个个离散小块，能够切断应力线且保证钎焊强度即可。具体的薄带状应力缓冲层材质也可选择铜合金、碳钢、不锈钢或镍合金；钎料合金层的类型也可选择BCu58ZnMn、BAg49ZnCuNi等。

除了硬质合金与钢之间的钎焊连接，也可以用上述实施例的方式实现陶瓷和金属之间的钎焊连接。

二、本发明的钎焊用复合钎料的制备方法的具体实施例

在制备上述复合钎料时，本发明主要提供以下适于工业化连续生产的工艺。

在对应力缓冲层设置隔离层、热浸镀之前，需要对应力缓冲层进行常规预处理，热浸镀后需要进行常规后处理。

预处理包括对铜带等金属带进行碱洗和酸洗等，去除表面油污和氧化皮。碱洗溶液示例组成：氢氧化钠25～30g/L、碳酸钠40～50g/L、磷酸溶液55～60g/L。酸洗溶液示例组成：20％盐酸溶液。

碱洗和酸洗后对应力缓冲层进行水洗、酒精清洗和烘干，获的干燥洁净表面。

进一步的，可以在碱洗和酸洗之前对应力缓冲层进行表面粗化，以提高钎料合金层和隔离层与应力缓冲层之间的结合强度；表面粗化方法可以为压花、打磨或毛化等。

获得干燥洁净表面的应力缓冲层后，将膏状或糊状阻流剂涂覆在应力缓冲层上，以将应力缓冲层的表面分隔成多个不同区域。

热浸镀前对金属带进行预热，以获得较佳的施镀质量。

根据本发明的熔液类型，优选的，预热的温度为400～600℃。

预热后，对涂覆有阻流剂的应力缓冲层在液态钎料合金层熔液中进行热浸镀，以使钎料合金层复合到应力缓冲层上。需要说明的是，由于钎料合金与阻流剂不润湿，所以热浸镀时钎料合金不会包覆在阻流剂层上。

热浸镀时，液态钎料合金层熔液表面覆盖有覆盖剂。覆盖剂能够阻止外界空气与钎料合金层熔液发生反应。覆盖剂可选择钎剂。其一般包括无水氟化钾、硼砂、硼酐、氟硼酸钾和/或硼酸。

一般情况下，热浸镀的温度高于钎料合金层液相线温度30～50℃，热浸镀的时间为10～60s。

热浸镀后的后处理包括水洗和干燥。水洗是在50～100℃的水中进行清洗。

与以上工艺相适应的复合钎料的生产设备如图3所示，包括放带装置4、阻流剂涂覆装置5、在线预热装置6、热浸镀装置7和收带装置8。

以下结合以上生产设备，以生产实施例1结构的复合钎料为例，详细说明复合钎料的制备方法的实施过程。

实施例2

本实施例的钎焊用复合钎料的制备方法，制备BAg49ZnCuMnNi复合钎料，包括以下步骤：

1)将纯铜带状应力缓冲材料进行碱洗和酸洗，去除表面油污和氧化皮；所用的碱洗溶液为：氢氧化钠25g/L、碳酸钠40g/L、磷酸溶液55g/L，溶剂为水；酸洗时所用的酸洗液为质量分数20％的盐酸溶液。

2)将碱洗和酸洗后的纯铜缓冲应力材料进行水洗、酒精清洗和烘干，获的干燥洁净表面。

3)将步骤2)获得的纯铜带通过阻流剂涂覆装置，获得具有间断阻流剂层的铜带；

4)将涂覆后的纯铜带送入在线加热装置进行预热，预热温度为400℃；

5)将预热后纯铜带送入表面覆盖有钎剂的BAg49ZnCuMnNi钎料溶液中进行热浸镀，钎料合金层液相线温度为750℃，热浸镀的温度为790℃，热浸镀的时间为20s；钎剂为无水氟化钾42％、硼酐35％、氟硼酸钾23％；

将热浸镀后的铜带从所述液态钎料中取出，依次对其进行清洗(使用80℃热水)和干燥，得到所述复合钎料。

实施例3

本实施例的钎焊用复合钎料的制备方法，制备BCu58ZnMn复合钎料，包括以下步骤：

1)将304不锈钢带状应力缓冲材料进行碱洗和酸洗，去除表面油污和氧化皮；所用的碱洗溶液为：氢氧化钠25g/L、碳酸钠40g/L、磷酸溶液55g/L，溶剂为水；酸洗时所用的酸洗液为质量分数20％的盐酸溶液。

2)将碱洗和酸洗后的不锈钢缓冲应力材料进行水洗、酒精清洗和烘干，获的干燥洁净表面。

3)将步骤2)获得的不锈钢带通过阻流剂涂覆装置，获得具有间断阻流剂层的不锈钢带；

4)将涂覆后的不锈钢带送入在线加热装置进行预热，预热温度为600℃；

5)将预热后不锈钢带送入表面覆盖有钎剂的BCu58ZnMn钎料溶液中进行热浸镀，钎料合金层液相线温度为930℃，热浸镀的温度为960℃，热浸镀的时间为30s；钎剂为硼砂95％、硼酐5％。

将热浸镀后的不锈钢从所述液态钎料中取出，依次对其进行清洗(使用80℃热水)和干燥，得到所述复合钎料。

在本发明的钎焊用复合钎料的制备方法的其他实施例中，使需要的钎料合金层厚度，热浸镀的时间可以为10s、40s、50s、60s不等，预热的温度可以调整为500℃，可获得不同规格的复合钎料制品。

三、本发明的硬质合金刀具的具体实施例，是利用实施例2或实施例3的复合钎料，将硬质合金钎焊到钢基体上。

四、实验例

实验例1

采用实施例2的方法制备BAg49ZnCuMnNi复合钎料带，其中，带宽为20mm，应力缓冲层1的厚度为0.2mm，钎料合金层2的厚度为0.2mm(两侧厚度相等，均为0.2mm)，隔离层的宽度B为0.5mm，不同区域的钎料合金层的宽度A为20mm。同时制备传统的BAg49ZnCuMnNi三明治复合钎料，其中，带宽为20mm，应力缓冲层1的厚度为0.2mm，钎料合金层2的厚度为0.2mm。对两种方法制得的复合钎料带进行分切成长度为41mm的复合钎料片，其中实施例2制备的BAg49ZnCuMnNi复合钎料按照图4的方式进行分切，左右两个钎料片边缘距相邻的隔离层边缘的距离C相同。

利用两种复合钎料片对相同的硬质合金(牌号YG8)与钢基体(45号钢)进行钎焊。钎焊前采用同种方法对硬质合金与钢基体进行表面清洁处理，并在待焊面上涂覆同种钎剂，然后分别将两种复合钎料放置在硬质合金与钢基体之间，钎焊时利用同一台高频感应加热设备以及相同的参数设置下进行加热使钎料熔化形成钎缝。

钎焊完成后分别做五组剪切试样，使用实施例2的BAg49ZnCuMnNi复合钎料的试样平均剪切强度为265.6MPa，使用传统的BAg49ZnCuMnNi三明治复合钎料的试样平均剪切强度为241MPa。结果表明，实施例2提供的复合钎料钎焊接头的剪切强度高于传统三明治复合钎料钎焊接头，说明将钎缝处的应力线切断后，可以进一步缓解钎焊应力，进而提高接头强度。

实验例2

采用实施例3获得的BCu58ZnMn复合钎料带，其中，带宽为40mm，应力缓冲层1的厚度为0.2mm，钎料合金层2的厚度为0.2mm(两侧厚度相等，均为0.2mm)，隔离层的宽度B为1mm，不同区域的钎料合金层的宽度A为40mm。同时制备传统的BCu58ZnMn三明治复合钎料，其中，带宽为40mm，应力缓冲层1的厚度为0.2mm，钎料合金层2的厚度为0.2mm。对两种方法制得的复合钎料带进行分切成长度为82mm的复合钎料片，其中实施例3制备的BCu58ZnMn复合钎料也按照图4的方式进行分切，使左右两个钎料片边缘距相邻的隔离层边缘的距离C相同。

利用两种复合钎料片对相同的硬质合金(牌号YG8)与钢基体(45号钢)进行钎焊。钎焊前采用同种方法对硬质合金与钢基体进行表面清洁处理，并在待焊面上涂覆同种钎剂，然后分别将两种复合钎料放置在硬质合金与钢基体之间，钎焊时利用同一台高频感应加热设备以及相同的参数设置下进行加热使钎料熔化形成钎缝。

钎焊完成后分别做五组剪切试样，使用实施例3的BCu58ZnMn复合钎料的试样平均剪切强度为281.4MPa，使用传统的BCu58ZnMn三明治复合钎料的试样平均剪切强度为267.2MPa。结果表明，实施例3提供的复合钎料钎焊接头的剪切强度高于传统三明治复合钎料钎焊接头，说明将钎缝处的应力线切断后，可以进一步缓解钎焊应力，进而提高接头强度。

Claims (10)

1.一种钎焊用复合钎料，其特征在于，包括：

应力缓冲层，对钎焊应力进行缓冲；

钎料合金层，设置在应力缓冲层的两侧表面上，用作钎焊连接物质；所述钎料合金层在应力缓冲层上被隔离层分隔为两个以上不同区域；在钎焊时，隔离层能够阻止相邻两个区域的钎料合金在熔化后汇流在一起。

2.如权利要求1所述的钎焊用复合钎料，其特征在于，所述隔离层为阻流剂层。

3.如权利要求1所述的钎焊用复合钎料，其特征在于，所述隔离层为条状结构，条状结构的两端延伸到应力缓冲层相对两侧的边缘。

4.如权利要求3所述的钎焊用复合钎料，其特征在于，所述应力缓冲层为带状结构，条状隔离层沿应力缓冲层的长度方向间隔布置。

5.如权利要求3或4所述的钎焊用复合钎料，其特征在于，所述隔离层的宽度B为0.05-1mm。

6.如权利要求3或4所述的钎焊用复合钎料，其特征在于，不同区域的钎料合金层的宽度A为10-50mm。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的钎焊用复合钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在应力缓冲层上成形隔离层，隔离层将应力缓冲层两侧表面分隔成两个以上不同区域，在不同区域内将钎料合金层复合到应力缓冲层上。

8.如权利要求7所述的钎焊用复合钎料的制备方法，其特征在于，所述成形隔离层包括将膏状或糊状阻流剂涂覆在应力缓冲层上。

9.如权利要求7或8所述的钎焊用复合钎料的制备方法，其特征在于，所述将钎料合金层复合到应力缓冲层上包括将成形有隔离层的应力缓冲层在液态钎料合金层熔液中进行热浸镀。

10.一种硬质合金刀具，包括金属基体和硬质合金刀头，其特征在于，硬质合金刀头使用如权利要求1-6中任一项所述的钎焊用复合钎料钎焊在金属基体上，所述钎焊形成的钎缝包括：

应力缓冲层，对钎焊应力进行缓冲；

钎料连接层，复合在应力缓冲层的两侧表面上，所述钎料连接层在应力缓冲层上被隔离层分隔为两个以上不同区域。

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