CN1184168C - 一种碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
一种碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其Al、Ti在粘结相中按重量百分数计，含量为3～15%；调节硬质相TiC按体积百分数计，含量为50～75%，工艺中烧结阶段：清洁结构钢表面；将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面；对金属陶瓷排粘：在300～600℃情况下去除成型剂；烧结保温：以10℃～15℃/min的速度升到烧结温度，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；以15℃～20℃/min的速度冷却；调质处理。它生产效率高、焊接强度高、不需专门焊接设备。
Description
本发明涉及金属陶瓷焊接工艺，具体地说是一种碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接工艺。
在现有技术中，金属陶瓷在硬质相体积含量为50～75％下除具有金属陶瓷的高耐磨性外，还具有可与钢及硬质合金相比拟的断裂韧性，同时具有优异的耐高温、耐腐蚀性，在塑料、橡胶、食品、木材等加工领域获得成功应用。然而，同其它硬质合金类材料一样，由于金属陶瓷可加工性差(只可磨削和火花加工)，且耐冲击性差，金属陶瓷在用于复杂形状和受冲击载荷下使用的工具时，通常采用钎焊与钢结合使用。但金属陶瓷要在烧结之后，对表面磨加工，然后再实施钎焊，钎焊料通常为镍基、铜基或银基焊料。这样不仅工序多、生产效率低，而且需要额外购置焊接设备。目前，对于金属陶瓷材料，还未发现有人采用过烧结和焊接同时进行工艺。
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种生产效率高、焊接强度高、不需专门焊接设备的碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接工艺。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：为了适应于高温合金，对粘结相铬镍NiCr的合金化设计和硬质相TiC的成分设计；既对NiCr粘结相Al、Ti合金化，其中Al、Ti在粘结相中按重量百分数计，含量为3～15％；调节硬质相TiC的成分，按体积百分数计，含量为50～75％。
具体工艺过程：
前级工序：按传统工艺配料、混料、掺加成型剂、造粒、压型；
在烧结阶段：①清洁结构钢表面，焊接前用丙酮擦洗干净；②将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面上，焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致；③对金属陶瓷排粘：在300～600℃情况下去除成型剂；④烧结保温：排粘后以10℃～15℃/min的速度升到烧结温度，真空烧结温度控制在1340～1360℃范围内，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；⑤冷却：在烧结保温阶段后以15℃～20℃/min的速度冷却，缩短钢在过热温度里的时间；⑥调质处理：淬火后，400～500℃回火；
另外，所述作为焊接基体的结构钢采用低合金结构钢或低碳钢，具体为40Cr、30CrNi、40CrMo、45号钢；所述粘结相中按重量百分数计，可含0.5～5％的钼，以提高粘结相对硬质相的润湿性；所述金属陶瓷可为已烧制成型样品，经表面处理，再与结构钢扩散焊接；所述成型剂为石腊、橡胶。
本发明工艺原理为：金属陶瓷粉末压坯在1340℃之前烧结收缩已基本完成，在金属陶瓷烧结温度下，金属陶瓷与钢接触表面发生Fe-Ni-Cr-Ti-Al共晶相变，界面析出液相，随着成分扩散，共晶相变向深层发展，这使金属陶瓷烧结并与钢同时焊接成为可能；在焊接结束后，金属陶瓷与结构钢界面形成厚度在15μm左右的焊接过度层，过度层为Fe-Ni-Cr-Ti-Al(可含Mo)梯度合金。焊接强度约为650MPa，远高于通常钎焊强度(一般在400MPa左右)。这种焊接为一种特殊扩散焊。普通扩散焊界面不出现液相，通过在真空下对两个焊接体(接触面要求很高光洁度)长时间加压，使界面发生成分扩散。
本发明具有如下优点：
本发明调整了硬质相含量(硬质颗粒TiC体积含量50-75％)和粘结相中Al、Ti合金元素含量(wt.3-15％)，使金属陶瓷具有优异的力学性能，其中Al、Ti不仅可调整烧结温度，而且可使粘结相析出强化，同时使其烧结温度降至1340-1360℃范围，在此温度下可发生Fe-Ni-Cr-Ti-Al共晶相变，这使金属陶瓷烧结并与钢同时焊接成为可能，由于烧结和焊接都在烧结炉中进行，不需专用焊接设备。另外，本发明虽然为真空扩散焊(不需要焊料)，但是真空下不需加压，且焊接强度很高(达650Mpa)。采用该技术不仅提高了生产效率，而且保证了金属陶瓷与钢焊接质量。
图1为本发明同步焊接结构示意图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，为了适应于高温合金，对粘结相铬镍NiCr合金和硬质相TiC成分设计为：其中Al、Ti在粘结相中按重量百分数计，含量为4％，调节硬质相TiC按体积百分数计，含量为50％，具体工艺过程：
前级工序：按传统工艺配料、混料、掺加成型剂、造粒、压型；
在烧结阶段：①清洁结构钢表面，焊接前用丙酮擦洗干净；②将金属陶瓷粉末压坯1直接放在结构钢基体2的清洁表面上，焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致；③对金属陶瓷排粘：在300℃情况下去除成型剂石腊；④烧结保温：排粘后以10℃/min速度升到烧结温度，真空烧结温度控制在1340℃，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；⑤冷却：在烧结保温阶段后以15℃/min速度冷却，缩短钢在过热温度里的时间；⑥调质处理：淬火后，400℃回火。
所述作为焊接基体的结构钢采用低合金结构钢或低碳钢，具体为40Cr、30CrNi、40CrMo、45号钢，本发明采用40Cr低合金结构钢；从钢的热处理角度看，金属陶瓷的烧结温度对钢为过热温度，使钢的晶粒粗大并在淬火时容易开裂。实验表明，40Cr、30CrNi、40CrMo、45号钢等低合金钢或低碳钢材料经这样的过热后仍可以通过调质处理(淬火后，400-500℃回火)使结构钢具有良好的强韧性。
结构钢除按照工具尺寸、形状要求加工外，对焊接表面无高要求，表面光洁度在4级以上即可，焊接前用丙酮擦洗干净，但焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致为宜，这样金属陶瓷烧结收缩阻力小，烧结体致密且不易开裂。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
本发明对粘结相铬镍NiCr合金和硬质相TiC成分设计为：其中Al、Ti在粘结相中按重量百分数计，含量为15％，调节硬质相TiC按体积百分数计，含量为75％，其工艺过程中：
在烧结阶段：①清洁结构钢表面，焊接前用丙酮擦洗干净；②将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面上，焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致；③对金属陶瓷排粘：在600℃情况下去除成型剂橡胶；④烧结保温：排粘后以15℃/min速度升到烧结温度，真空烧结温度控制在1350℃，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；⑤冷却：在烧结保温阶段后以17℃/min速度冷却，缩短钢在过热温度里的时间；⑥调质处理：淬火后，450℃回火。
采用45号低碳钢材料；所述粘结相中按重量百分数计，可含2.5％的钼，以提高粘结相对硬质相的润湿性。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
本发明对粘结相铬镍NiCr合金和硬质相TiC成分设计为：其中Al、Ti在粘结相中按重量百分数计，含量为7％，调节硬质相TiC按体积百分数计，含量为60％，其工艺过程中：
在烧结阶段：①清洁结构钢表面，焊接前用丙酮擦洗干净；②将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面上，焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致；③对金属陶瓷排粘：在450℃情况下去除成型剂橡胶；④烧结保温：排粘后以13℃/min速度升到烧结温度，将真空烧结温度控制在1360℃，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；⑤冷却：在烧结保温阶段后以20℃/min速度冷却，缩短钢在过热温度里的时间；⑥调质处理：淬火后，450℃回火。
采用30CrNi低合金结构钢；所述粘结相中按重量百分数计，可含5％的钼，以提高粘结相对硬质相的润湿性。
另外，本发明所述金属陶瓷可为已烧制成型样品，经表面处理，再与结构钢扩散焊接。
Claims (4)
1.一种碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其特征在于：为了适应于高温合金，对粘结相铬镍NiCr合金和硬质相TiC成分设计为：其中铝钛合金在粘结相NiCr合金中的含量按重量百分数计，含量为3～15％；调节硬质相TiC按体积百分数计，含量为50～75％，具体工艺过程：
前级工序：按传统工艺配料、混料、掺加成型剂、造粒、压型；
在烧结阶段：①清洁结构钢表面，焊接前用丙酮擦洗干净；②将金属陶瓷粉末压坯直接放在结构钢的清洁表面上，焊接表面的加工纹路应与金属陶瓷收缩方向一致；③对金属陶瓷排粘：在300～600℃情况下去除成型剂；④烧结保温：排粘后以10℃～15℃/min的速度升到烧结温度，真空烧结温度控制在1340～1360℃范围内，保温，实现金属陶瓷烧结的同时与结构钢焊接成一体；⑤冷却：在烧结保温阶段后以15℃～20℃/min的速度冷却，缩短钢在过热温度里的时间；⑥调质处理：淬火后，400～500℃回火。
2.按照权利要求1所述碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其特征在于：所述作为焊接基体的结构钢采用低合金结构钢或低碳钢，具体为45号钢或40Cr，按重量百分比计，其中45号钢的化学成分为C：0.40-0.50：Si：0.17-0.37；Mn：0.50-0.80；P≤0.040；S≤0.045；Cr≤0.25；Ni≤0.25；40Cr的化学成分为C：0.37～0.45；Si：0.20～0.40；Mn：0.50～0.80；P≤0.040；S≤0.040；Cr：0.80～1.10。
3.按照权利要求1所述碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其特征在于：所述粘结相中按重量百分数计，含0.5～5％的钼，以提高粘结相对硬质相的润湿性。
4.按照权利要求1所述碳化钛金属陶瓷烧结同时与结构钢焊接方法，其特征在于：所述成型剂为石腊、橡胶。
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Application publication date: 20020731 Assignee: Jinfeng Special Tool Co., Ltd., Shenyang Assignor: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2013210000045 Denomination of invention: Simultaneous process of sintering titanium carbide cermet and welding to steel structure Granted publication date: 20050112 License type: Exclusive License Record date: 20130515 |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
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Granted publication date: 20050112 Termination date: 20131229 |