CN118204588A - 一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用，该钎焊工艺实现了硬质合金和钢间的连接，充分发挥硬质合金和钢的优点，避免了焊缝界面处硬脆相的析出问题，解决了母材过度溶解问题，具有抗剪强度高的特点。本发明本发明提供一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，与其他焊接技术相比，其具有较好的焊接效果，生产成本较低，安全环保。同时焊接位置处的剪切强度较高，耐腐蚀性优良，尤其适用于盾构机刀具中硬质合金和钢的焊接工作。
Description
技术领域
本发明属于焊接工艺技术领域，特别是涉及一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用。
背景技术
盾构机宽刮刀的制造中，硬质合金刀刃是主要的耐磨部件，采用高强韧钢基体与硬质合金组合焊接而成。其中，焊接是刮刀制造的关键技术之一。以常用的6孔刮刀为例，共有4种不同尺寸的16块硬质合金需要同时加热焊接在钢基体上。这些硬质合金块分布在不同位置上，有竖直、水平、内镶嵌等多个空间位置的焊接，导致刀具加热过程中整体温度场和焊后残余应力场的分布非常复杂。这种复杂性容易引发合金虚焊掉块等问题，因此对于长寿命、高可靠性的盾构机刀具来说，整体钎焊技术提出了很高的要求。
由于硬质合金和钢的物理性能参数相差很大，焊接过程中在硬质合金界面处易产生硬脆的Co3W3C(η)相以及较高的焊后残余应力，这些是影响接头质量的主要因素。硬质合金中含有大量的WC陶瓷颗粒，采用激光焊、电子束焊、TIG等熔化焊可以实现硬质合金与钢的连接，但在硬质合金界面处易聚集生成硬脆的η相，这个问题目前无法完全解决。而扩散焊的焊接温度相对较高，这会对硬质合金的性能产生较大的影响。
目前，盾构机刮刀主要通过钎焊制造。钎焊的焊接温度较低，对母材的性能影响较小，且焊后残余应力相对于其他焊接方式较小，因此被广泛应用于硬质合金工具的制造中。然而，硬质合金的可钎焊性能较差，在温度超过900℃时，WC硬质合金的表面极易氧化。感应钎焊加热速度快，但很难精确控制。功率过大容易使工件局部过热和钎料熔化不完全，从而产生裂纹。功率过小则加热时间过长，容易导致刀体氧化，影响生产效率。此外，液态钎料在硬质合金和基体金属之间的界面张力差异较大，钎焊过程中填缝性较差。钎焊工艺还面临着焊接残余应力过大和焊接接头生成硬脆相等问题。
为了解决硬质合金与钢钎焊过程中润湿、填缝性较差和焊缝界面处硬脆相析出等问题，提出一种钎焊硬质合金与钢的钎料及其钎焊工艺来解决上述问题是非常必要的。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，该钎焊工艺实现了硬质合金和钢间的连接，充分发挥硬质合金和钢的优点，避免了焊缝界面处硬脆相的析出问题，解决了母材过度溶解问题，具有抗剪强度高的特点。
本发的第二目的在于提供一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺在盾构机刀具中的应用。
本发明的首要目的采取以下技术方案予以实现：
一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，由如下步骤组成：
步骤1：切割硬质合金和钢板材，对两母材(硬质合金和钢板材)进行焊接面的打磨，去除硬质合金和钢板材表面的氧化膜，对箔带钎料进行表面打磨；
步骤2：将打磨后的硬质合金、钢板材和箔带钎料分别放入无水乙醇中进行超声清洗后置于真空干燥箱烘干处理，得到清洗后的硬质合金、钢板材和箔带钎料；
步骤3：在硬质合金和钢板材的焊接面均匀铺上一层钎剂然后进行焊前装配，将箔带钎料置于硬质合金与钢板材之间，装配后形成硬质合金、钎剂、箔带钎料、钎剂、钢板材的结构，即为装配好的试样；
步骤4：将装配好的试样置于氧化铝烧舟中并放入真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后反充惰性气体至目标气压值；
步骤5：待反充惰性气体气压达到目标气压值后，以10℃/min的升温速率将真空炉升温至650℃，为充分预热硬质合金和钢样品在650℃进行保温10min，再以10℃/min的升温速率从650℃升温至790℃～870℃，并在790℃～870℃进行保温0～15min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊后的硬质合金和钢样品。
优选地，步骤1中箔带钎料为Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)。
优选地，步骤1中目标气压值为0.95atm。
优选地，步骤1中依次使用400#、600#、800#金相砂纸对硬质合金和钢板材进行打磨至外表面光亮，使用800#金相砂纸轻微打磨箔带钎料去除氧化膜即可。
优选地，步骤1中所用的箔带钎料是按以下步骤进行制备：
(1)将高纯金属颗粒(含量为99.99％)进行净化除杂，分别按照质量比为10.08:17.51:15.48:5.24:1.26:0.76配制银颗粒、铜颗粒、锌颗粒、猛片、锡颗粒、镍颗粒；
(2)采用氩气保护下高频感应熔炼得到中间合金银-铜-锰-镍，以中间合金的形式添加锌、锡元素再进行熔融得到目标钎料合金；
(3)采用电火花切割方式将步骤(2)所得的目标钎料合金切割成小块状，之后使用180目砂纸打磨表面以去除氧化膜；将小块状钎料合金放入无水乙醇中超声清洗5min后吹干，取10g放入特制的扁嘴石英管中，石英管底部缝隙为0.5x 10mm；
(4)将装有小块状钎料合金的特制石英管夹持安装在真空甩带机设备的感应线圈中，并调整石英管高度，使石英管管嘴与冷却铜辊的间距为1mm；
(5)关闭炉门开始抽真空处理，待炉腔内的真空度≤1×10-3Pa后充入1atm的高纯氩气，反复三次后调节充气阀使得外加氩气气体压力与炉腔内的气压差为0.08MPa，并设置冷却铜辊转速为30m/s；打开铜辊旋转开关，待铜辊转速达到指定转速并稳定后，打开加热开关，调节感应线圈的电流大小，使得石英管内的钎料合金熔化；
(6)当石英管内的钎料合金熔化至黄白色且金属溶液呈不断起伏状态时，打开喷射开关，利用气压差将熔融金属喷射至高速旋转的冷却铜辊表面；当观察到石英管内无液体流出时，依次关闭喷气开关、加热开关、铜辊旋转开关，打开炉门取出钎料箔带，即箔带钎料。
优选地，步骤2超声清洗的时间为5min，次数为2次，真空干燥箱烘干处理的真空度为-0.085MPa，烘干时间5～10。
优选地，步骤3中所用的钎剂为FB102，样品的装配示意图如图2所示。
其中，在所述低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺中步骤5的制备步骤中，在650℃进行保温处理是确保钎料被均匀地加热和熔化，且根据钎料DSC分析得出的此温度不处于相变区并低于钎料液相温度约40℃；在790℃～870℃进行保温是为确保钎料与两侧母材进行冶金反应形成有效连接。
本发明的第二目的采取以下技术方案予以实现：
一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺在盾构机刀具中的应用。
本发明的发明原理及有益效果如下：
本发明提供一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，与其他焊接技术相比，其具有较好的焊接效果，生产成本较低，安全环保。同时焊接位置处的剪切强度较高，耐腐蚀性优良，尤其适用于盾构机刀具中硬质合金和钢的焊接工作；箔带钎料(Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％))具有高强、韧性等优点，并且湿润性好，熔点适中，焊接位置处剪切强度高，焊缝耐腐蚀性优良。片状的箔带钎料能够使钎料的相对位置准确，简化了焊缝钎料的填放；钎焊时，全程处于气体保护下，且钎焊加热曲线的选取均考虑了硬质合金和钢的特性，在保证成品强度和焊后的母材硬度达到工艺要求的同时，工件可以被整体加热，适用于大批量的成品制备，生产效率更高。
附图说明
图1为钎焊设备及加热工艺示意图；
图2为钎焊装配方式及(b)剪切方式示意图；
图3(a)～图3(e)分别为实施例1-5钎焊方法的钎焊缝横截面微观组织形貌图；
图4(a)～图4(d)分别为实施例6-9钎焊方法的钎焊缝横截面微观组织形貌图；
图5为实施例8钎焊方法的钎焊缝横截面元素分布图；
图6为实施例1至实施例5以及对比例1至对比例4与钎焊温度的剪切强度对比图；
图7为实施例6至实施例9以及对比例5至对比例8与保温时间的剪切强度对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明实例中所采用的材料均可以通过市售方式购买得到。在具体的实施例中硬质合金是指的YG15硬质合金，钢板材是指的42CrMo合金。
实施例1
步骤1：切割硬质合金和钢板材，对两母材进行焊接面的打磨，去除硬质合金和钢表面的氧化膜，对Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)箔带钎料进行表面打磨；
步骤2：将打磨后的硬质合金、钢和Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)箔带钎料分别放入无水乙醇中进行超声清洗5min后置于真空干燥箱烘干处理，得到清洗后的硬质合金、钢和Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)箔带钎料；
步骤3：在硬质合金和钢的焊接面均匀铺上一层钎剂(FB102)然后进行焊前装配，将Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)箔带钎料置于硬质合金与钢之间，装配后形成硬质合金、钎剂、箔带钎料、钎剂、钢的结构；
步骤4：将装配好的试样置于氧化铝烧舟中并放入真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后反充惰性气体至0.95atm；
步骤5：待反充惰性气体气压达到目标气压值后，以10℃/min的升温速率将真空炉升温至650℃，在650℃进行保温10min，再以10℃/min的升温速率从650℃升温至790℃，并在790℃进行保温15min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊后的硬质合金和钢样品。
本实施例的焊缝横截面微观组织形貌的扫描电镜图如图3所示，通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度为251.81MPa。。
实施例2
本实施例与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃升温至810℃，并在810℃进行保温15min，其他和实施例1相同。
本实施例的焊缝横截面微观组织形貌的扫描电镜图如图3所示，通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度为255.25MPa。
实施例3
与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃升温至830℃，并在830℃进行保温15min，其他和实施例1相同。
实施例4
与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃分别升温至850℃，并在850℃进行保温15min，其他和实施例1相同。
实施例5
与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃分别升温至870℃，并在870℃进行保温15min，其他和实施例1相同。
其中，实施例3-5的焊缝横截面微观组织形貌的扫描电镜图如图3所示，通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度分别为312.19MPa、304.48MPa、274.13MPa。
对比例1-4：与实施例1至5不同的是：对比例1至4采用钎料成分为Ag30Cu38Zn，具体焊接温度及对应保温时间如表1所示，其他分别和实施例2-5相同。
通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度分别为201.4MPa、305.57MPa、316.68MPa、289.57MPa。
实施例6
本实施例与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃升温至830℃，并在830℃不进行保温，其他和实施例1相同。
本实施例的焊缝横截面微观组织形貌的扫描电镜图如图4所示，通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度分别为167.39MPa。
实施例7-9：本实施例与实施例1不同的是：在步骤5中，以10℃/min的升温速率从650℃升温至830℃，并在830℃分别进行保温5min、10min、15min，其他和实施例1相同。
本实施例的焊缝横截面微观组织形貌的扫描电镜图如图4所示，通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度分别为263.49MPa、322.91MPa、312.19MPa。
对比例5-8：与实施例7至9不同的是：对比例5至8采用钎料成分为Ag30Cu38Zn，具体焊接温度及对应保温时间如表2所示，其他分别和实施例6-9相同。
通过万能试验机检测得钎焊后的硬质合金和钢之间的接头抗剪强度分别为305.57MPa、307.12MPa、238.51MPa、187.88MPa。
表1
| 焊接温度T/℃ | 保温时间t/min | 抗剪强度Rτ/MPa | |
| 实施例1 | 790 | 15 | 251.81 |
| 实施例2 | 810 | 15 | 255.25 |
| 实施例3 | 830 | 15 | MAX：312.19 |
| 实施例4 | 850 | 15 | 304.48 |
| 实施例5 | 870 | 15 | 274.12 |
| 对比例1 | 790 | 15 | 201.40 |
| 对比例2 | 810 | 15 | 305.57 |
| 对比例3 | 830 | 15 | MAX：316.68 |
| 对比例4 | 850 | 15 | 289.57 |
表2
| 焊接温度T/℃ | 保温时间t/min | 抗剪强度Rτ/MPa | |
| 实施例6 | 830 | 0 | 167.39 |
| 实施例7 | 830 | 5 | 263.49 |
| 实施例8 | 830 | 10 | MAX：322.91 |
| 实施例9 | 830 | 15 | 312.19 |
| 对比例5 | 830 | 0 | 187.88 |
| 对比例6 | 830 | 5 | 238.51 |
| 对比例7 | 830 | 10 | MAX：307.12 |
| 对比例8 | 830 | 15 | 305.57 |
如图6所示，从实施例1至实施例5以及对比例1至对比例4可知，随着钎焊温度增加，接头抗剪切强度呈先上升后下降的趋势，在钎焊温度为830℃时的接头抗剪切强度达到最大值，为312.19MPa。通过与商用Ag30CuZn的对比可以发现Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5与商用Ag30CuZn钎焊接头的抗剪切强度相近。
如图7所示，从实施例1至实施例5以及对比例1至对比例4可知，随着钎焊保温时间的增加，接头抗剪切强度呈先上升后下降的趋势，在保温时间为10min时的接头抗剪切强度达到最大值，为322.91MPa。通过与商用Ag30CuZn的对比可以发现，在相同的工艺条件下，本发明Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5与商用Ag30CuZn钎焊接头的抗剪切强度相近，能在一定程度上是替代其使用，可以大大减少材料的成本，在市场上大力推广。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，其特征在于，由如下步骤组成：
步骤1：切割硬质合金和钢板材，对两母材进行焊接面的打磨，去除硬质合金和钢板材表面的氧化膜，对箔带钎料进行表面打磨；
步骤2：将打磨后的硬质合金、钢板材和箔带钎料分别放入无水乙醇中进行超声清洗后置于真空干燥箱烘干处理，得到清洗后的硬质合金、钢板材和箔带钎料；
步骤3：在硬质合金和钢板材的焊接面均匀铺上一层钎剂然后进行焊前装配，将箔带钎料置于硬质合金与钢板材之间，装配后形成硬质合金、钎剂、箔带钎料、钎剂、钢板材的结构，即为装配好的试样；
步骤4：将装配好的试样置于氧化铝烧舟中并放入真空炉中，对真空炉进行抽真空处理后反充惰性气体至目标气压值；
步骤5：待反充惰性气体气压达到目标气压值后，以10℃/min的升温速率将真空炉升温至650℃，为充分预热硬质合金和钢样品在650℃进行保温10min，再以10℃/min的升温速率从650℃升温至790℃～870℃，并在790℃～870℃进行保温0～15min，保温结束后随炉冷却至室温，得到钎焊后的硬质合金和钢样品。
2.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，其特征在于，步骤1中箔带钎料为Ag20Cu35Zn31Mn10Sn2.5Ni1.5(wt.％)。
3.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，其特征在于，步骤1中目标气压值为0.95atm。
4.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，其特征在于，步骤1中依次使用400#、600#、800#金相砂纸对硬质合金和钢板材进行打磨至外表面光亮，使用800#金相砂纸轻微打磨箔带钎料去除氧化膜即可。
5.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，其特征在于，步骤1中所用的箔带钎料是按以下步骤进行制备：
(1)将高纯金属颗粒进行净化除杂，分别按照质量比为10.08:17.51:15.48:5.24:1.26:0.76配制银颗粒、铜颗粒、锌颗粒、猛片、锡颗粒、镍颗粒；
(2)采用氩气保护下高频感应熔炼得到中间合金银-铜-锰-镍，以中间合金的形式添加锌、锡元素再进行熔融得到目标钎料合金；
(3)采用电火花切割方式将步骤(2)所得的目标钎料合金切割成小块状，之后使用180目砂纸打磨表面以去除氧化膜；将小块状钎料合金放入无水乙醇中超声清洗5min后吹干，取10g放入特制的扁嘴石英管中，石英管底部缝隙为0.5x 10mm；
(4)将装有小块状钎料合金的特制石英管夹持安装在真空甩带机设备的感应线圈中，并调整石英管高度，使石英管管嘴与冷却铜辊的间距为1mm；
(5)关闭炉门开始抽真空处理，待炉腔内的真空度≤1×10-3Pa后充入1atm的高纯氩气，反复三次后调节充气阀使得外加氩气气体压力与炉腔内的气压差为0.08MPa，并设置冷却铜辊转速为30m/s；打开铜辊旋转开关，待铜辊转速达到指定转速并稳定后，打开加热开关，调节感应线圈的电流大小，使得石英管内的钎料合金熔化；
(6)当石英管内的钎料合金熔化至黄白色且金属溶液呈不断起伏状态时，打开喷射开关，利用气压差将熔融金属喷射至高速旋转的冷却铜辊表面；当观察到石英管内无液体流出时，依次关闭喷气开关、加热开关、铜辊旋转开关，打开炉门取出钎料箔带，即箔带钎料。
6.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，步骤2超声清洗的时间为5min，次数为2次，真空干燥箱烘干处理的真空度为-0.085MPa，烘干时间5～10。
7.根据权利要求1所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺，步骤3中所用的钎剂为FB102。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述的低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺在盾构机刀具中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410270498.7A CN118204588A (zh) | 2024-03-11 | 2024-03-11 | 一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410270498.7A CN118204588A (zh) | 2024-03-11 | 2024-03-11 | 一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118204588A true CN118204588A (zh) | 2024-06-18 |
Family
ID=91449768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410270498.7A Pending CN118204588A (zh) | 2024-03-11 | 2024-03-11 | 一种低银箔带钎料实现硬质合金和钢异种材料连接的钎焊工艺及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118204588A (zh) |
-
2024
- 2024-03-11 CN CN202410270498.7A patent/CN118204588A/zh active Pending
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