一种硬质合金和钢的焊接件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，以及由其制备的焊接件。所述方法包括如下步骤：1)将硬质合金的待焊接面和钢的待焊接面均进行打磨抛光处理至表面光亮无划痕，将打磨处理后的硬质合金待焊面和钢的待焊面进行清洗，并干燥；2)将步骤1)中表面处理得到的硬质合金，用于形成中间层的镍粉或镍箔，步骤一中表面处理得到的钢依次放入石墨模具中，并以处理过的表面为连接面，同时在两端放置石墨压头组装成烧结体；3)在为2～5MPa的预压压力下对烧结体先进行预压，然后将预压好的烧结体放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结完成后得到硬质合金/镍/钢的放电等离子烧结扩散焊焊接件。其具有加热速度快焊接质量高等优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种硬质合金和钢的焊接件及其制备方法


[0001]本专利技术属于异种材料焊接
，具体涉及一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法。

技术介绍

[0002]硬质合金是加工各种工程材料、挖掘各类自然资源的一种工具材料，被称为工业的“牙齿”，它所具有的高强度、耐磨损、耐高温、高弹性模量等诸多优点，经过多年发展，硬质合金涉及到很多工业、技术部门，已然成为现代新
不可或缺的工具结构材料。由于硬质合金的硬度和韧性难以兼顾，制备工艺又决定了其难以获得大尺寸的部件，同时成本较高。因此，人们通常将一定尺寸的硬质合金与高强度、高韧性钢进行有效连接而形成具有优异综合性能的工器件。由此可见，这种连接决定了硬质合金的工作效率、服役寿命和应用范围，成为了硬质合金工器件制作中的重要环节。然而硬质合金与钢的物理性质差异较大，这些差异以及熔焊的冶金过程导致两者之间的焊接面临着以下挑战，硬质合金与钢的热膨胀系数相差很大，在焊接过程中容易在界面上产生较大的残余应力，导致接头出现裂纹或其他类型的缺陷，从而降低结合强度此外在硬质合金与钢的焊接过程中，硬质合金与钢的焊接界面容易形成脆性η相(η相是指M6C和M
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C型复合碳化物，M代表Fe、Ni或Co等元素)对接头力学性能产生负面影响。
[0003]目前硬质合金与钢的焊接方式主要有钎焊，激光焊，扩散焊，摩擦焊等。钎焊是焊接硬质合金与钢最常用的方法其接头性能主要取决于钎料的选择。专利CN101856758B采用电沉积Ag
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Cu
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Zn
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Sn钎料并且焊后的冷却采取两种介质的缓慢冷却，从而避免了工件表面的氧化和焊缝产生微裂纹等问题但是工艺复杂。CN104014922B公开了一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，采用先脉冲活化再直流烧结的模式，具有焊接速度快、温度低、施加压力小等特点，但是所得接头剪切强度不超过400MPa。专利CN106238904B使用了具有活性剂的金属中间层扩散焊得到的接头抗弯强度最高可达650MPa，但是焊接速度不快。专利CN109551102B使用摩擦焊焊接硬质合金和钢，但是摩擦焊对与工件的厚度有要求无法焊接较大厚度的工件。专利CN105014238B公开了一种硬质合金/INVAR/钢的激光焊焊接件及其制备方法，其具有较高的焊接效率和较高的强度，所得接头抗弯强度最高可达980MPa，但是其工艺较为复杂。

技术实现思路

[0004]技术问题
[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足提供一种硬质合金/镍/钢的放电等离子烧结扩散焊焊接件及其制备方法，利用放电等离子烧结时的脉冲直流电产生的等离子活化效应、颗粒自清洁效应、焦耳热、以及电场和磁场的作用下实现硬质合金与钢的在较低温度下快速的高质量连接。
[0006]技术方案
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供了一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤一、将硬质合金的待焊接面和钢的待焊接面均进行打磨抛光处理至表面光亮无划痕，将打磨处理后的硬质合金待焊面和钢的待焊面进行清洗，并干燥；
[0009]步骤二、将步骤一中表面处理得到的硬质合金，用于形成中间层的镍粉或镍箔，步骤一中表面处理得到的钢依次放入石墨模具中，并以处理过的表面为连接面，同时在两端放置石墨压头组装成烧结体；
[0010]步骤三、在2～5MPa的预压压力下对烧结体先进行预压，然后将预压好的烧结体放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结完成后得到硬质合金/镍/钢的焊接件。
[0011]优选地，步骤三中的烧结条件为：在烧结开始前需保证炉内真空度<20Pa，并且在烧结过程中持续抽真空，调节烧结模式为自动烧结模式，测温模式为红外测温，轴向压力为20～40MPa，烧结工艺为80～120℃/min的升温速率升至950～1050℃并保温5min，随后随炉冷却。
[0012]优选地，所述硬质合金为YG8硬质合金、YG6硬质合金、YG10硬质合金或YG20硬质合金。
[0013]优选地，所述钢为40Cr钢、45钢、42CrMo钢或20Cr钢。
[0014]优选地，在步骤一中，将所述硬质合金的待焊面进行打磨处理以如下方式实施：依次采用160#、320#、600#、800#、1500#、2000#的金刚石砂盘进行逐级打磨，并用W1的金刚石抛光膏进行抛光，抛光后表面需无明显划痕且水平。
[0015]优选地，在步骤一中，将所述钢的待焊面进行打磨处理以如下方式实施：依次采用160#、400#、600#、800#、1500#、2000#的砂纸进行逐级打磨，并用W1的金刚石抛光膏进行抛光，抛光后表面需无明显划痕且水平。
[0016]优选地，在步骤二中，镍粉或镍箔纯度均为99.99％，镍粉重量根据待焊面的面积和预定中间层厚度计算，中间层的厚度为200～500μm，优选为300～400μm，镍箔需用400#的砂纸进行打磨。
[0017]根据本专利技术的第二方面，提供了一种根据本专利技术所述的方法制备的焊接件。
[0018]优选地，所述焊接件的抗弯强度为700MPa以上，更优选900MPa以上。
[0019]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
[0020]1、本专利技术的方法利用放电等离子烧结时的脉冲直流电会在颗粒之间产生等离子体从而清洁颗粒表面并活化颗粒，脉冲电流又会产生电场和磁场，而在焦耳效应的作用下热量会主要聚集在待焊面以及中间层附近，实现温度梯度减少热应力的产生，从而提高最终焊接接头的强度，此外相对于热辐射焊接技术其扩散驱动力多了电场能、磁场能、温度梯度所以其扩散效应明显，因此相对于其他扩散焊技术其可以在高温下保温时间更短热应力又可以进一步减少，相应的接头强度也可以提高。因此其具有加热速度快焊接质量高等优点。
[0021]2、本专利技术采用商业纯镍作为中间层成分简单获取容易价格便宜，其可以抑制脆性η(Fe3W3C，Co6W6C)相的形成，虽然其具有和钢相似的线膨胀系数但是其具有较低的屈服强度可以通过塑形变形减少焊接过程中的残余应力，其次镍可以和硬质合金中的粘结相和铁形成无限互溶的固溶体从而可以使连接界面实现较好的冶金结合。
[0022]3、本专利技术采用自动烧结模式由系统自动控制电流电压，工艺简单，产品质量稳定，适合工业化生产，此外相对于其他技术由于加热直接作用于工件其能耗也较低。使用放电等离子设备(SPS)焊接硬质合金/钢时，其升温速度快，保温时间短，可以使接头在高温下存在时间短，进一步抑制脆性η(Fe3W3C，Co6W6C)相的形成并减少残余应力，同时由于放电等离子设备(SPS)会产生压力场、温度场、磁场、电场、以及脉冲放电效应，可以使焊接件获得充分的原子扩散从而获得高质量焊接接头。
[0023]4、采用本专利技术的方法焊接硬质合金/钢时，工艺流程简单，同时相对于传统的热辐射焊接方法，放电等离子烧结可以将热量直接作用于焊接件从而可以减少能量的损耗，提高生产效率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，该方法包括以下步骤：步骤一、将硬质合金的待焊接面和钢的待焊接面均进行打磨抛光处理至表面光亮无划痕，将打磨处理后的硬质合金待焊面和钢的待焊面进行清洗，并干燥；步骤二、将步骤一中表面处理得到的硬质合金，用于形成中间层的镍粉或镍箔，步骤一中表面处理得到的钢依次放入石墨模具中，并以处理过的表面为连接面，同时在两端放置石墨压头组装成烧结体；步骤三、在2～5MPa的预压压力下对烧结体先进行预压，然后将预压好的烧结体放入放电等离子烧结炉中进行烧结，烧结完成后得到硬质合金/镍/钢的焊接件。2.根据权利要求1所述的硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，其中，步骤三中的烧结条件为：在烧结开始前需保证炉内真空度<20Pa，并且在烧结过程中持续抽真空，调节烧结模式为自动烧结模式，测温模式为红外测温，轴向压力为20～40MPa，烧结工艺为80～120℃/min的升温速率升至950～1050℃并保温5min，随后随炉冷却。3.根据权利要求1或2所述的硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，其中，所述硬质合金为YG8硬质合金、YG6硬质合金、YG10硬质合金或YG20硬质合金。4.根据权利要求1至3中任一项所述的硬质合金与钢的快速扩散焊接方法，其中，所述钢为40Cr钢、45钢、42CrMo钢或20Cr钢。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘亚飞，杨小龙，范振瑶，刘大伟，张久兴，黄蕾，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：