TWI624319B

TWI624319B - Composite tungsten carbide tool manufacturing method

Info

Publication number: TWI624319B
Application number: TW104110723A
Authority: TW
Inventors: Wen-Kuan Wang; wei-long Lin
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2018-05-21
Also published as: TW201636132A

Abstract

一種複合式碳化鎢刀具製造方法，主要是將一填料合金片置於一碳化鎢材一端與一合金鋼材一端間，利用碳化鎢材另一端與合金鋼材另一端分別連接一正電極與一負電極，使正電極與負電極通電，同時對填料合金片所在處噴射還原性氣體，藉此在還原性氣體的保護下，填料合金片與碳化鎢材及合金鋼材可以在大氣環境下進行銲接作業，完成銲接作業後，對該銲接熔解區噴射惰性氣體以產生清潔淨化作用，進而完成複合式碳化鎢刀具的製造。藉此調節該碳化鎢材與該合金鋼材的銲接界面，改善銲道的韌性與剪切強度，進而能延長複合式碳化鎢刀具的使用壽命長。

Description

複合式碳化鎢刀具製造方法

本發明是有關於一種刀具製造方法，特別是指一種複合式碳化鎢刀具製造方法。

碳化鎢(Tungsten-titanium,WC)具有高硬度及高融電的特性，因此廣泛應用在各種對耐磨性要求嚴格的特殊零件，如閥類、iPhone外殼模具、鑽頭、掃雪機刀片等。

以碳化鎢刀具為例，製作方法之一是利用粉末冶金方式將碳化鎢與鈷以一定的比例混合並加壓成各種形狀，經過真空爐之高溫燒結而完成製造。所製成之碳化鎢合金含有約94%碳化鎢及6%鈷之碳化鎢合金材料，其中碳化鎢顆粒之間以鈷粒為黏合劑。

然而此種碳化鎢刀具之製造方法，在碳化鎢形成同時，粉末常因團聚效應而有顆粒粒徑不均一的現象產生，非均質的碳化鎢顆粒分佈於刀具內部及其表面不同位置上，導致刀具呈現不同的硬度區域，造成整體刀具之硬度下降，進而在使用過程中可能會產生刀具表面凹陷毀損現象，而減少刀具之使用壽命。

另一種碳化鎢刀具之製造方法，是在大氣環境下用高周波硬銲接合碳化鎢材與不繡鋼材，一般使用銀合金(BAg)當填料，並加以助銲劑(flux)抑制氧化。使用銀合金(BAg)當填料，成本相對提高許多，且熔接施作溫度約為800℃，非均溫加熱至全奧斯田鐵相，此時α-肥粒鐵已析出會導致其硬度偏低，而加入助銲劑抑制氧化，容易產生雜質與孔隙，這些因素都會造成最終的接合強度偏低。

由於電阻銲接在大氣環境下運作，高溫銲接過程中熔解的金屬材料容易氧化，因此，如何在大氣環境中且不使用助銲劑的條件下，能夠抑制高溫氧化，以提高銲接的強度和韌性，遂成為本發明所欲解決之問題。

因此，本發明之一目的，即在提供一種異材質間的接合強度強，且所製成之複合式碳化鎢刀具使用壽命長的複合式碳化鎢刀具製造方法。

於是，本發明複合式碳化鎢刀具製造方法，包含下列步驟(a)至(d)。

在步驟(a)中，是將一填料合金片置於一碳化鎢材一端與一合金鋼材一端間，定義該填料合金片與該碳化鎢材接觸界面至該填料合金片與該合金鋼材接觸界面範圍為一銲接熔解區。

在步驟(b)中，使該碳化鎢材另一端與該合金鋼材另一端分別連接一正電極與一負電極。

在步驟(c)中，使該正電極與該負電極通電，同時對該銲接熔解區噴射還原性氣體，藉此該銲接熔解區在還原性氣體的保護下，該填料合金片與該碳化鎢材及該合金鋼材可以在大氣環境下進行銲接作業；在步驟(d)中，完成銲接作業後，對該銲接熔解區噴射惰性氣體以產生清潔淨化作用，藉此製成複合式碳化鎢刀具。

本發明之功效在於利用該填料合金片接合該碳化鎢材與該合金鋼材，調節該碳化鎢材與該合金鋼材的銲接界面，改善銲道的韌性與剪切強度，異材質間的接合強度強，且所製成之複合式碳化鎢刀具使用壽命長。

1‧‧‧碳化鎢材

2‧‧‧合金鋼材

3‧‧‧工作平台

31‧‧‧惰性氣體噴嘴

32‧‧‧還原性氣體噴嘴

4‧‧‧填料合金片

51‧‧‧正電極

52‧‧‧負電極

53‧‧‧變壓器

54‧‧‧電源

541‧‧‧正極

542‧‧‧負極

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，本發明複合式碳化鎢刀具製造方法之一實施例。

參閱圖1，本發明複合式碳化鎢刀具製造方法包含下列步驟(a)至(d)。

在步驟(a)中，是先將一碳化鎢材1與一合金鋼材2分別置於一工作平台3上，再將一填料合金片4置於一碳化鎢材1一端與一合金鋼材2一端間，定義該填料合金片4與該碳化鎢材1接觸界面至該填料合金片4與該合金鋼材2接觸界面範圍為一銲接熔解區。該填料合金片4是由鐵鎳鈷合金(Kovar)所製成。另外，工作平台3上對準於合金鋼材2且鄰近該銲接熔解區處預設有一惰性氣體噴嘴31，而對準於銲接熔解區處則預設有一還原性氣體噴嘴32。

鐵鎳鈷合金(Kovar)的物理和機械性能如下表1所示：

在步驟(b)中，使該碳化鎢材1另一端與該合金鋼材2另一端分別連接一正電極51與一負電極52。

在步驟(c)中，將正電極51與負電極52分別透過一變壓器53而與一電源54的正極541、負極542電連接，當該電源54提供脈衝電流以使正電極51與負電極52通電，而在該銲接熔解區產生電阻銲接作用，同時利用還原性氣體噴嘴32該對該銲接熔解區噴射還原性氣體，藉此該銲接熔解區在還原性氣體的保護下，該填料合金片4與該碳化鎢材1及該合金鋼材2可以在大氣環境下進行銲接作業，藉由還原性氣體濃度和配置方向的適當設計，可以保護被箝壓固定之該碳化鎢材1及該合金鋼材2的銲接界面，並抑制高溫氧化問題。在本實施例中，所述還原性氣體是選用氫氣。特別說明的是，本實施例使用脈衝電流，比一般電流方便於能量控制，可以在短時間內釋放出高能量，且其波形可以選擇，再現性高。

在步驟(d)中，完成銲接作業後，利用惰性氣體噴嘴31噴射出惰性氣體而對該銲接熔解區產生清潔淨化(purge)作用，藉此製成複合式碳化鎢刀具。所述惰性氣體為氮氣。

特別說明的是，電阻銲接是一電能轉換熱能的過程，脈衝電流通過該銲接熔解區時，藉由被箝壓的金屬材料(即該碳化鎢材1、該合金鋼材2與該填料合金片4)的電阻、脈衝電流和通電時間所蓄積的焦耳熱能，會使該填料合金片4與該碳化鎢材1接觸界面、該填料合金片4與該合金鋼材2接觸界面及鄰近區域因電阻熱效應而加熱到熔化或塑性狀態，但不發生熔解液被過度擠出銲接界面，然後降溫凝固。其中所產生熔接的焦耳熱能Q=I²Rt，I是表示從一電極端通入一控制波形的脈衝電流，t是表示通電時間，R是表示電阻，為一對於電極的箝壓力和金屬構件材料的函數。因為金屬材料(即該碳化鎢材1、該合金鋼材2與該填料合金片4)的脈衝電流密度分佈大致上均勻，產生不錯的均溫加熱特性。又因為沒有額外的電阻加熱元件的高蓄熱，而且熔接後的金屬材料(即該碳化鎢材1、該合金鋼材2與該填料合金片4)與正電極51和負電極52緊密接觸，所以電阻銲接的金屬材料(即該碳化鎢材1、該合金鋼材2與該填料合金片4)的降溫速率快速，銲道硬度比高周波硬焊和真空硬焊高。

另外，利用鐵鎳鈷合金作為該填料合金片4，以接合該碳化鎢材1與該合金鋼材2，藉由鐵鎳鈷合金的材料韌性和熱膨脹係數，能調節該碳化鎢材1與該合金鋼材2的銲接界面，改善銲道的韌性與剪切強度。此外，鐵鎳鈷合金的成本相對於前述先前技術中所使用之銀合金的成本低。

綜上所述，本發明複合式碳化鎢刀具製造方法藉由鐵鎳鈷合金作為該填料合金片4，不但成本相對於習知所使用的銀合金來的低，且利用鐵鎳鈷合金的材料韌性和熱膨脹係數，搭配脈衝電流產生的焦耳熱，使其熔解、凝固，從而接合該碳化鎢材1與該合金鋼材2，並能具有韌性的填料凝固層，且可有效調節銲道的熱應力，抑制熱裂和改善銲道的剪切強度。另外，在銲接過程中，利用還原性氣體保護該銲接熔解區，以取代助銲劑，還可抑制高溫氧化。此外，該碳化鎢材1與該合金鋼材2與正電極51、負電極52緊密接觸，降溫速率快，並能加強該銲接熔解區的韌性與強度，使得複合材質間的接合強度增強，且所製成之複合式碳化鎢刀具使用壽命長。故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims

一種複合式碳化鎢刀具製造方法，包含：(a)將一填料合金片置於一碳化鎢材一端與一合金鋼材一端間，定義該填料合金片與該碳化鎢材接觸界面至該填料合金片與該合金鋼材接觸界面範圍為一銲接熔解區，其中，該填料合金片是由鐵鎳鈷合金所製成；(b)使該碳化鎢材另一端與該合金鋼材另一端分別連接一電源的一正電極與一負電極；(c)該電源提供脈衝電流以使該正電極與該負電極通電，同時對該銲接熔解區噴射還原性氣體，藉此該銲接熔解區在還原性氣體的保護下，該填料合金片與該碳化鎢材及該合金鋼材可以在大氣環境下進行銲接作業；(d)完成銲接作業後，對該銲接熔解區噴射惰性氣體以產生清潔淨化作用，藉此製成複合式碳化鎢刀具。
如請求項1所述複合式碳化鎢刀具製造方法，其中，所述還原性氣體為氫氣。
如請求項2所述複合式碳化鎢刀具製造方法，其中，所述惰性氣體為氮氣。