一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法与流程

1.本发明涉及钎料技术领域，具体涉及一种硬质合金钎焊用复合钎料及其制备方法。


背景技术：

2.硬质合金刀具主要是由硬质合金与钢基刀体钎焊而成，具有硬度高、耐磨性好的特点，在轨道交通、石油钻探、地质勘探等领域应用广泛。
3.由于硬质合金和钢基体的热膨胀系数相差很大，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，导致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。
4.现有技术常用的是竖向上具有三层结构的三明治复合钎料，利用中间层补偿垫片的塑性变形缓释接头中的热应力。公开号为cn1136488a的中国发明专利申请公开了一种由三层结构组成的复合材料，两外侧为银钎料合金，芯层为铜基合金，三层叠轧复合，并进行复合界面间的扩散焊接热处理，最后精轧到0.3mm厚度的成品。现有的三明治复合钎料中，由于钎缝处钎料合金强度和硬度均较高，而芯层材料通常塑性较好，但是强度较低，因而硬质合金钎焊接头容易在整片钎缝芯层处发生撕裂。
5.因此，亟需一种新型的钎焊用复合钎料，解决现有技术存在的上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的在于提供一种硬质合金钎焊用复合钎料，解决现有钎料应用在硬质合金和钢钎焊时存在接头残余应力大、易于开裂、工作时钎缝强度低的问题。
7.本发明的第二个目的在于提供一种上述硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，该方法工艺过程简单，能实现钎料条与应力缓冲条的有效复合。
8.为了实现上述目的，本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的技术方案为：
9.一种硬质合金钎焊用复合钎料，包括沿侧向交替复合的钎料条、应力缓冲条，所述应力缓冲条有至少一个，所述钎料条有至少两个，所述钎料条为钎焊连接硬质合金与基体的合金钎料，所述应力缓冲条为熔点高于钎焊温度的金属，钎料条的宽度大于应力缓冲条的宽度。
10.该硬质合金钎焊用复合钎料在钎焊时，钎料条熔化，实现硬质合金与钢基体之间的钎焊连接，由于应力缓冲条的熔点高于钎焊的温度，在钎焊时应力缓冲条不熔化，起到切断应力线的作用，有效解决了硬质合金与钢钎焊时接头存在的残余应力大、易开裂、钎缝强度低的问题。另外，与传统三层结构的三明治复合钎料相比，此种结构的复合钎料为单层结构，可以有效减小钎缝厚度，节省钎料用量，同时可以避免钎焊接头的整片钎缝芯层处发生撕裂的问题。
11.优选地，在所述侧向方向上，沿所述复合钎料的两侧到中间，钎料条的熔化温度梯
度递减。进一步优选地，所述梯度递减的幅度为5-100℃。钎焊时，位于中心的钎料条加热较慢，按照由边两侧到中间熔化温度梯度递减设置后，可以使整个复合钎料同时熔化，不仅可以缩短加热时间，提高钎焊效率，同时可以防止两侧加热温度过高而导致钎料氧化。
12.可采用以下形式来实现钎料条的熔化温度梯度递减。可选地，所述钎料条选自bag40cuznni、bag40cuznnimn、bag28cuznnimn中的两种或三种。可选地，所述钎料条选自cu58znmn、cu54znmnnisi、cu57znmnco、cu56znmnco、cu56znmnco中的至少两种。可选地，所述钎料条选自ct616、ct716、ct737中的两种或三种。
13.优选地，相邻的应力缓冲条与钎料条之间的复合界面为波纹面。波纹面可以增加两者之间的复合面积，提高两者的复合强度，避免在加工过程中出现开裂、翘曲等现象。
14.优选地，在所述侧向方向上，所述复合钎料的两个端部均为钎料条，位于所述端部的钎料条形成外侧钎料条，所述外侧钎料条宽度大于或等于内侧的钎料条的宽度。有利于保证钎缝边缘的焊接强度，防止钎缝边缘开裂。
15.优选地，所述钎料条的宽度为2-50mm，所述应力缓冲条的宽度为1-5mm。钎料条的宽度大于应力缓冲条的宽度，使钎料条焊接的面积大于应力缓冲条切断的非焊合面积，保证钎缝的焊合强度，提高使用寿命。
16.为进一步提高钎缝的焊接强度，优选地，所述钎料条的应力缓冲条的宽度比为(1～50):1，更优选为(5～20):1。
17.优选地，所述复合钎料表面还涂覆有钎剂。钎剂涂覆在复合钎料的表面上，在钎焊过程中去除母材表面的氧化膜，保护母材和钎料，提高钎料的润湿性能，同时还可以实现钎剂的定量添加，防止钎剂的浪费。
18.优选地，所述应力缓冲条为铜、铜合金、碳钢、不锈钢或镍合金；所述合金钎料选自铜基钎料和/或银基钎料。可选地，银基钎料为agcuznnimn系、agcuznni系、agcuznsn和/或agcuzn系钎料。可选地，铜基钎料为cuznmn系、cuznmnco系、cuznmnni、cuznmnnisn系和/或cuznmnnisi系。
19.为减小钎缝厚度，节省钎料用量。优选地，所述复合钎料的厚度为0.1～2mm。
20.本发明的硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法的技术方案是：
21.一种上述硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，包括以下步骤：
22.(1)制备应力缓冲条材料和钎料条材料；
23.(2)将钎料条材料与应力缓冲条材料间隔排列并夹紧固定形成坯料；
24.(3)对坯料进行扩散复合，以使应力缓冲条材料与钎料条材料之间实现侧向冶金复合；
25.(4)将扩散复合后的坯料轧制至预设厚度，得到复合钎料。
26.该制备方法工艺简单，能够实现钎料条与应力缓冲条之间的有效复合，便于在工业上的运用。
27.优选地，所述扩散复合采用真空扩散复合或热等静压扩散复合。采用热等静压扩散复合时，坯料各向均衡受压，界面结合强度高，均匀性好，后续加工过程中不易从界面结合处开裂，同时能耗低、生产效率高。
28.优选地，步骤(4)中所述轧制为差温轧制，所述差温轧制时，应力缓冲条区域的轧制温度高于钎料条区域的轧制温度。采用差温轧制，使应力缓冲条区域的轧制温度高于钎
料条区域的轧制温度，可以防止轧制过程中出现变形不同步的问题。如果钎料条之间温度差较大，也可以在钎料条之间采用差温轧制，使内侧钎料条的轧制温度低于外侧钎料条。
29.进一步优选地，实现差温轧制的方式为对应力缓冲条的区域施加脉动电流或进行间歇式激光扫描。通过施加脉冲电流或间歇式激光扫描，可以使应力缓冲条的区域温度升高，同时防止温度传导至钎料条的区域，从而实现两者之间的温度差，以保证轧制过程中两者变形的同步性。
30.进一步优选地，当应力缓冲条与钎料条之间的结合界面为波纹时，在步骤(1)和步骤(2)之间还包括对应力缓冲条和钎料条进行波纹辊轧，使应力缓冲条与钎料条的侧面形成相适配的波纹。在步骤(2)中钎料条与应力缓冲条间隔排列时还需使相邻的应力缓冲条与钎料条的波峰与波谷、波谷与波峰对扣。
附图说明
31.图1为本发明实施例1提供的复合钎料的结构示意图；
32.图2为本发明实施例2提供的复合钎料的结构示意图。
33.1-应力缓冲条；2-钎料条。
具体实施方式
34.为了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，提供一种钎焊可靠性高的复合钎料。该复合钎料包括多个沿侧向交替复合的钎料条、应力缓冲条，钎料条为钎焊连接硬质合金与钢基体的钎料，应力缓冲条为熔点高于钎焊温度的金属，钎料条的宽度大于应力缓冲条的宽度。钎焊时，应力缓冲条不熔化，可以起到切断应力线的作用，有效结解决了硬质合金与钢钎焊时接头存在的残余应力大、易开裂、钎缝强度低的问题。
35.另外，与传统三层结构的三明治复合钎料相比，此种结构的复合钎料还具有以下特点：
36.(1)复合钎料竖向上为单层结构，可以有效减小钎缝厚度，节省钎料用量，同时可以避免钎焊接头在整片钎缝芯层处发生撕裂的问题。
37.(2)应力缓冲条与钎料条侧向复合后，结构稳定性好，不会发生分离或脱落的情况，更便于包装和运输。
38.(3)间隔设置的应力缓冲条还可以起到减少钎料漫流的作用。
39.(4)复合钎料的具体成分可以灵活设计，如可以选用同种成分的应力缓冲条或同种成分的钎料条，也可以选用不同成分的应力缓冲条或不同成分的钎料条，实现复合钎料成分的灵活调控，满足不同的钎焊需求。
40.通过设置应力缓冲条与钎料条之间的结合界面为波纹可以增加两者之间的结合面积，提高两者的结合强度。将钎料条的熔化温度由复合钎料的边缘到中心梯度递减设置，可以使整个复合钎料同时熔化，不仅可以缩短加热时间，提高钎焊效率，同时可以防止边缘加热温度过高而导致钎料氧化。复合钎料的两个外侧均为钎料条，并且位于外侧钎料条的宽度大于或等于位于复合钎料中间钎料条的宽度，有利于保证钎缝边缘的焊接强度，防止钎缝边缘开裂。
41.钎料条熔化温度梯度递减的幅度是以钎料条熔化温度范围的中间值为准进行递减设置。如bag40cuznni的熔化温度为670-780℃，该熔化温度的中间值为725℃，bag40cuznnimn的熔化温度为660-760℃，该熔化温度的中间值为710℃。此时，梯度递减的幅度为15℃。
42.上述硬质合金钎焊用复合钎料在制备时，可分别制备厚度为10～50mm的应力缓冲条材料及钎料条材料，按要求夹紧固定形成坯料后，通过扩散复合以实现侧向冶金复合，再经差温轧制得到厚度为0.3～0.5mm左右的复合钎料。
43.一般可采用真空扩散复合工艺来实现钎料条、应力缓冲条的侧向冶金复合。真空扩散复合的真空度为0.01-0.05mpa，温度为500-800℃，压力为10～30mpa，扩散时间2～8h。
44.下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
45.一、硬质合金钎焊用复合钎料的实施例
46.实施例1
47.本实施例的硬质合金钎料用复合钎料，包括六条钎料条和五条应力缓冲条，其中钎料条的宽度为5mm，应力缓冲条的宽度为1mm，最外侧的两条钎料条选用bag28cuznnimn(熔化温度范围710-800℃)，次外侧的两条钎料条选用bag40cuznni(熔化温度范围670-780℃)，位于中间的两条钎料条选用bag40cuznnimn(熔化温度范围660-760℃)。
48.本实施例中应力缓冲条为cumn2合金，在其他实施例中，cumn合金中mn的质量含量不大于8％即可。应力缓冲条也可以为cuni合金，其中ni的质量含量不大于10％，例如可以为cuni8。cumn合金、cuni合金中mn、ni的含量过高会导致应力缓冲条的加工难度增大。
49.本实施例中复合钎料的结构如图1所示，六条钎料条2沿侧向间隔排列，相邻两个钎料条2之间复合有应力缓冲条1，钎料条2和应力缓冲条1接触的界面为平面。
50.实施例2
51.本实施例的硬质合金钎料用复合钎料，包括四条钎料条和三条应力缓冲条，其中钎料条的宽度为10mm，应力缓冲条的宽度为2mm，位于外侧的两条钎料条选用cu58znmn(熔化温度范围880-910℃)，位于中间的两条钎料条选用cu54znmnnisi(熔化温度范围865-880℃)。应力缓冲条选用08钢。
52.本实施例中复合钎料的结构如图2所示，三个钎料条2沿侧向间隔排列，相邻两个钎料条2之间复合有应力缓冲条1，钎料条2和应力缓冲条1接触的界面为波纹面。
53.实施例3
54.本实施例的硬质合金钎料用复合钎料，包括三条钎料条和两条应力缓冲条，其中钎料条的宽度为40mm，应力缓冲条的宽度为2mm，位于外侧的两条钎料条选用bag40cuznni(熔化温度范围670-780℃)，位于中间的钎料条选用bag40cuznnimn(熔化温度范围660-760℃)。应力缓冲条选用cuni8合金。
55.实施例4
56.本实施例的硬质合金钎料用复合钎料，包括十条钎料条和九条应力缓冲条，其中钎料条的宽度为5mm，应力缓冲条的宽度为1mm，最外侧的四条选用ct616(熔化温度范围790-830℃)，次外侧的四条选用ct716(熔化温度范围630-790℃)，位于中间的两条钎料条选用ct737(熔化温度范围610-690℃)。应力缓冲条选用08钢。
57.实施例5
58.本实施例的硬质合金钎料用复合钎料，包括五条钎料条和四条应力缓冲条，其中钎料条的宽度为15mm，应力缓冲条的宽度为2mm，位于外侧的两条钎料条的选用cu57znmnco(熔化温度范围890-930℃)，位于次外侧的两条钎料条选用cu56znmnco(熔化温度范围890-920℃)，位于中间的钎料条选用cu56znmn(熔化温度范围880-910℃)。应力缓冲条选用10钢。
59.二、硬质合金钎焊用复合钎料制备方法的实施例
60.实施例6
61.本实施例是实施例1中硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，具体步骤为：
62.(1)分别制备厚度为20mm的应力缓冲条(cumn2合金)材料和厚度为20mm的钎料条材料。
63.(2)将钎料条与应力缓冲条间隔排列并夹紧固定形成坯料，侧向预紧力为3mpa。
64.(3)对坯料进行真空炉扩散复合，以使应力缓冲条与钎料条之间实现侧向冶金复合；扩散复合时的真空度为0.01mpa，温度为550℃，施加的侧向复合压力为20mpa，扩散复合时间为5h。
65.(4)对应力缓冲条的区域进行间歇式激光扫描，使应力缓冲条的区域温度升高，高于未经扫描的钎料条区域，对坯料进行差温轧制，保证轧制过程中两者变形的同步性，最终得到厚度为0.3mm的复合钎料；其中，间歇式激光扫描的功率为1.2w，扫描速度为5mm/s，光斑直径为0.6mm，扫描加热时间为1s，间歇时间为1s。差温轧制过程中，应力缓冲条区域的温度为550℃，钎料条区域的温度为500℃。
66.差温轧制时，应力缓冲条区域的轧制温度＝钎料条区域轧制温度+50～100℃，且应力缓冲条区域的轧制温度要小于熔化温度最低的钎料条的熔化温度50℃以上。该实施例中，钎料条bag40cuznnimn的熔化温度范围为660-760℃，则应力缓冲条区域的轧制温度可设置为550℃。
67.实施例7
68.本实施例是实施例2中硬质合金钎焊用复合钎料的制备方法，具体步骤为：
69.(1)分别制备厚度为10mm的应力缓冲条材料和厚度为10mm的钎料条材料。
70.(2)对应力缓冲条和钎料条进行波纹辊轧，使应力缓冲条和钎料条的侧面形成相适配的波纹面。
71.(3)将钎料条与应力缓冲条间隔排列使相邻的应力缓冲条与钎料的波峰与波谷、波谷与波峰相对，并夹紧固定成坯料，侧向预紧力为3mpa。
72.(4)采用热等静压扩散复合对坯料进行真空炉扩散复合，以使应力缓冲条与钎料条之间实现侧向冶金复合；扩散复合过程中的真空度为0.01mpa，温度为700℃，侧向复合压力为20mpa，扩散复合时间为5h。
73.(5)对应力缓冲条的区域施加脉冲电流以实现应力缓冲条区域、钎料条区域差温轧制，最终得到厚度为0.3mm的复合钎料。其中，脉冲电流的脉冲频率为500hz，脉冲电流为200a/mm2，占空比为50％。差温轧制过程中，应力缓冲条区域的温度为700℃，钎料条区域的温度为600℃。
74.在本实施例中，波纹面形状为正弦曲线，在其他实施例中波纹形状可以为正弦曲线、余弦曲线、抛物线或梯形齿状中的任意一种。
75.实施例8
76.本实施例是实施例3中硬质合金用复合钎料的制备方法，具体步骤参照实施例6的制备方法，不同之处仅在于：间歇式激光扫描的光斑直径为1.8mm。
77.实施例9
78.本实施例是实施例4中硬质合金用复合钎料的制备方法，参照实施例7的制备方法，不同之处仅在于：扩散复合过程中的温度为500℃，差温轧制过程中脉冲电流为150a/mm2，应力缓冲条区域的温度为550℃，钎料条区域的温度为480℃。
79.实施例10
80.本实施例是实施例5中硬质合金用复合钎料的制备方法，参照实施例6的制备方法，不同之处仅在于：扩散复合过程中的温度为700℃，差温轧制过程中间歇式激光扫描的光斑直径为1.8mm，应力缓冲条区域的温度为700℃，钎料条区域的温度为600℃。
81.三、对比例及对比试验
82.对比例1
83.本对比例为实施例6的对比实验，钎焊工艺参数和剪切实验参数均相同。
84.利用bag40cuznnimn钎料和cumn合金制作传统三明治钎料(上、下为bag40cuznnimn钎料，芯层为cumn合金)，各层的厚度均为0.1mm，钎料总厚为0.3mm。
85.使用该传统三明治钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢，接头的平均剪切强度为221.3mpa。
86.使用实施例6提供的复合钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢后，接头的平均剪切强度为232.4mpa。
87.对比例2
88.本对比例为实施例7的对比实验，钎焊工艺参数和剪切实验参数均相同。
89.利用cu58znmn钎料和08钢制作传统三明治钎料，各层的厚度均为0.1mm，钎料总厚为0.3mm。
90.使用该传统三明治钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢，接头的平均剪切强度为190.3mpa。
91.使用实施例7提供的复合钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢后，接头的平均剪切强度为203.2mpa。
92.对比例3
93.本对比例为实施例8的对比实验，钎焊工艺参数和剪切实验参数均相同。
94.利用bag40cuznnimn钎料和cumn合金制作传统三明治钎料，各层的厚度均为0.1mm，钎料总厚为0.3mm。
95.使用该传统三明治钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢，接头的平均剪切强度为215.6mpa。
96.使用实施例8提供的复合钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢后，接头的平均剪切强度为225.4mpa。
97.对比例4
98.本对比例为实施例9的对比实验，钎焊工艺参数和剪切实验参数均相同。
99.利用ct616钎料和08钢制作传统三明治钎料，各层的厚度均为0.1mm，钎料总厚为
0.3mm。
100.使用该传统三明治钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢，接头的平均剪切强度为191.6mpa。
101.使用实施例9提供的复合钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢后，接头的平均剪切强度为204.2mpa。
102.对比例5
103.本对比例为实施例10的对比例，钎焊工艺参数和剪切实验参数均相同。
104.利用cu56znmnco钎料和08钢制作传统三明治钎料，各层的厚度均为0.1mm，钎料总厚为0.3mm。
105.使用该传统三明治钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢，接头的平均剪切强度为194.1mpa。
106.使用实施例10提供的复合钎料钎焊yg13c硬质合金与42crmo钢后，接头的平均剪切强度为203.5mpa。