專利名稱：一種硬質合金與鋼的無中間層擴散連接方法
技術領域：
本發明為硬質合金材料與鋼的連接方法，特別涉及一種硬質合金與鋼的無中間層連接方法，屬于焊接領域。
背景技術：
硬質合金是以WC等難熔金屬碳化物為基，以鐵族金屬元素(Fe、Co、Ni)作為粘結相，用粉末冶金工藝生產的具有高硬度和高耐磨性的多相材料。硬質合金具有十分優異的性能，但硬質合金價格昂貴，其應用范圍受到限制。另外，由于絕大多數硬質合金都是用粉末冶金方法生產的，其生產工藝的限制使得生產較大尺寸的硬質合金制品變得困難。而且，在許多零部件在使用時并不需要整體都用硬質合金制造。因此，將硬質合金與韌性較好、強度較高、加工性能優異、價格較低的鋼連接起來使用，可降低硬質合金制品的成本，擴大硬質合金的應用范圍。目前，擴散連接是硬質合金與金屬連接方法中應用最廣泛的方法之一。與傳統的釬焊法相比，該法需要外加中間活性合金，并且因上下壓緊而需要增加工裝。因此，國內外開始尋找新的無需外加壓力和活性中間層的擴散連接方法。美國專利US4236923A公開了一種連接凸輪和軸的方法，將軸以間隙配合的形式安裝在凸輪壓坯中，在1125 1200°C下進行燒結，由于凸輪壓坯燒結收縮與軸實現緊密機械結合，而且兩者之間相互擴散形成冶金結合，這是利用收縮產生的內壓力。專利03153373.6公開了一種在碳鋼或合金鋼表面制成高合金耐磨層復合材料的生產工藝，首先選用粒度為0.005 0.8mm鉻、鑰、鎢、釩、鈦、鎳、鈷、錳、硼、碳組成的合金粉末或選用粒度為0.4 0.8mm的燒結硬質合金顆粒40 80%、粒度為0.05 0.1mm的鎳和鉻的合金粉末20 60%，粘結劑與合金粉末攪拌制成合金粉涂料，其次，將合金粉涂料涂敷在鑄型側面上，第三是澆注成型。該發明的鑄滲法存在鑄件容易出現縮松、夾雜、氣孔等缺陷，鑄滲層厚度不容易控制等缺點。專利200410013073.0公開了一種高速鋼表面覆層的制備工藝。其特征是:取組份為:WC、Fe、Co、Ni的粉末，其重量百分比分別為:78 82、6 12、2 6、2 6，粉末經過球磨機球磨混合后，用水玻璃做粘結劑進行調制，水玻璃占粉末總重量的5 10%，將調制好的混合料涂覆在高速鋼制品的表面，干燥后在真空爐中燒結，燒結溫度1200°C 1350°C，保溫時間10分鐘 60分鐘，燒結后獲得與高速鋼基體牢固結合的硬質合金覆層。專利93111991.X公開了類似方法。由于采用噴刷的方法，獲得的表面耐磨層厚度有限且不易控制；表面硬質合金層與基體的結合強度受到影響；表面的陶瓷粉末沒有經過常規粉末冶金過程的壓制工序，陶瓷層致密度和兩者之間的結合強度有待提高；鑄件容易產生縮孔縮松。專利99114851.7提供的制備鐵基表面復合材料的鑄造燒結法，是將陶瓷粉或/和可生成碳化物陶瓷的組分與易熔合金粉混勻，制成壓坯并固定于鑄型表面，利用鑄造澆注的高溫鋼水或鐵水的熱量，直接將壓坯燒結在鑄件母體上。該法中制備的壓坯通常含有粘結劑，在采用鋼水或者鐵水澆注時容易產生氣體；而且澆鑄后降溫速度很快，鑄件與表面陶瓷層之間的擴散時間短，不利于表面的致密化和兩者之間的充分擴散；降溫速度快還會導致硬質合金與鋼之間產生大的熱殘余應力。

發明內容
本發明針對目前硬質合金與鋼連接時需要外加壓力和中間層等問題，發明了一種無中間層的硬質合金與鋼擴散連接方法。本發明首先利用過量丁鈉橡膠與硬質合金原料粉末均勻混合，形成成型劑包覆的硬質合金粉末；采用該粉末壓制成中心有空腔的生坯，生坯中心放入鋼之后一起進行燒結；生坯在低溫脫除成型劑，繼續升溫后形成帶有均勻分布的孔隙的硬質合金，最終在高溫下鋼熔化，鋼液體擴散到硬質合金中并填充到硬質合金內部的連續孔隙中，因此鋼金屬相的分布從硬質合金內部貫穿到碳鋼中，二者之間形成冶金結合具有高的結合強度；冷卻后實現硬質合金與鋼的連接。本發明的硬質合金與鋼的無中間層擴散連接方法，其特征在于依次包含以下步驟:
(I)過量丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末制備:硬質合金成分重量百分比為Co占3 40wt%, Ni 占 0 40wt%, Fe 占 0 40wt%，WC 為余量；Co 的粒度為 0.8 1.5 y m，Ni 的粒度為0.8 1.5 ii m, Fe的粒度為2.0 3.5 y m, WC的粒度為0.6 4.0 y m ;硬質合金混合粉末經過球磨、過濾、干燥后摻入丁鈉橡膠以包覆硬質合金粉末，丁鈉橡膠的加入量為10 40 wt%:過量的丁鈉橡膠在硬質合金顆粒表面形成厚的包覆層，在燒結過程中丁鈉橡膠脫除后，其占據的位置形成連續空隙。(2)硬質合金多孔生坯壓制:將粉末壓制成中心帶空腔的硬質合金生坯，通過調節丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度為55 80% ;生坯中高的孔隙度在燒結階段無法完全閉合，形成連續空隙。(3)硬質合金與鋼擴散連接:將碳鋼放入到硬質合金生坯的空腔中一起進行燒結處理，，在350°C 750°C下保溫3 6h脫除丁鈉橡膠；在1300°C 1440°C下保溫2 4h，進行液相燒結形成具有連續孔隙的硬質合金，其孔隙度為25 50% ;在1450°C 1600°C下保溫2 4h，碳鋼成為液相并擴散到硬質合金的連續孔隙中與硬質合金實現擴散連接，碳鋼的重量控制為:硬質合金生坯中部空腔的體積X碳鋼密度+ (0.7 1.0)，以確保擴散連接所需的鋼液相量充分。本發明的硬質合金與鋼的無中間層擴散連接方法，其進一步的特征在于:
(I)硬質合金混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 400ml,球磨速度為60 100r/min，研磨時間為36h 72h,研磨球為O6 8mm的WC_8wt%Co硬質合金球，球料重量比為5:1 15:1 ;球磨后硬質合金料楽:進行400目過濾,真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為I 5 Pa ;摻入丁鈉橡膠后粉末在80°C 100°C干燥I 3h，并過篩100目。(2)硬質合金多孔生坯壓制時壓強為100 300MPa ；
(3)硬質合金與鋼擴散連接時，脫除丁鈉橡膠的真空度為50 IOOPa ;液相燒結時的真空度為10 15Pa ;擴散連接時的真空度為10 40Pa ;擴散連接結束后的隨爐冷卻速度為I 15°C /min,以防止硬質合金與鋼之間的擴散連接熱殘余應力。本發明的優點在于:(1)加入過量丁鈉橡膠，以及調節粉末填充重量相結合的方式相結合在金屬陶瓷中形成連續孔隙。(2)硬質合金基體的液相燒結及其與鋼之間的擴散連接過程相結合，而且擴散連接無需外加壓力或活性中間層，工藝過程簡單。(3)硬質合金與碳鋼的擴散連接過程中，硬質合金為多孔結構，碳鋼為液相。一方面鋼與硬質合金之間發生元素擴散，另一方面鋼會填充硬質合金內部的連續孔隙，因此鋼金屬相的分布從硬質合金內部貫穿到碳鋼中，二者之間形成冶金結合具有高的結合強度。(4)硬質合金與與碳鋼的擴散連接過程在高溫真空下進行，擴散時間充分，有利于接頭形成；擴散連接完成后的冷卻速度緩慢，熱殘余應力低，因此結合強度高。


圖1本發明的硬質合金與鋼的擴散連接過程示意圖
具體實施例方式實例1:配制硬質合金的原料粉末中Co的粒度為1.liim，Ni的粒度為1.3iim，Fe的粒度為2.4 ii m，WC的粒度為2.0 y m ;硬質合金成分重量百分比為Co占10wt%，Ni占2wt%, Fe占3wt%，WC為余量。硬質合金混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為280ml，球磨速度為70r/min,研磨時間為64h,研磨球為0 8mm的WC_8wt%Co硬質合金球，球料重量比為5:1 ;球磨后硬質合金料衆進行400目過濾,真空干燥處理溫度為90°C,真空度為I Pa; 丁鈉橡膠的加入量為30 wt%，摻入丁鈉橡膠后粉末在85°C干燥2h，并過篩100目。粉末壓制成中心帶空腔的硬質合金生坯，通過調節丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末填充重量的方式使生坯的孔隙度為70%，硬質合金多孔生坯壓制時壓強為200MPa。然后將20#碳鋼放入到硬質合金生坯的空腔中一起進行燒結處理，在550°C下保溫4h脫除丁鈉橡膠，真空度為70Pa ;在1400°C下保溫2 4h，進行液相燒結形成具有連續孔隙的硬質合金，其孔隙度為35% ;在1500°C下保溫2h，20#碳鋼成為液相并擴散到硬質合金的連續孔隙中與硬質合金實現擴散連接，真空度為20Pa，碳鋼的重量控制為:硬質合金生坯中部空腔的體積X碳鋼密度+0.8 ;擴散連接結束后的隨爐冷卻速度為8°C /min，最終實現了硬質合金與鋼的擴散連接。實例2:配制硬質合金的原料粉末中Co的粒度為1.3 Pm,Fe的粒度為3.0 y m，WC的粒度為1.3 ii m ;硬質合金成分重量百分比為Co占30wt%，Fe占10wt%，WC為余量。硬質合金混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為400ml,球磨速度為100r/min，研磨時間為64h，研磨球為O 6mm的WC_8wt%Co硬質合金球，球料重量比為10:1 ;球磨后硬質合金料漿進行400目過濾，真空干燥處理溫度為100°C，真空度為2 Pa ;丁鈉橡膠的加入量為40wt%，摻入丁鈉橡膠后粉末在90°C干燥lh，并過篩100目。粉末壓制成中心帶空腔的硬質合金生坯，通過調節丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末填充重量的方式使生坯的孔隙度為60%，硬質合金多孔生坯壓制時壓強為130MPa。然后將T8碳鋼放入到硬質合金生坯的空腔中一起進行燒結處理，在750°C下保溫5h脫除丁鈉橡膠，真空度為90Pa ;在1360°C下保溫2h，進行液相燒結形成具有連續孔隙的硬質合金，其孔隙度為30% ;在1450°C下保溫2 4h，碳鋼成為液相并擴散到硬質合金的連續孔隙中與硬質合金實現擴散連接，真空度為30Pa，碳鋼的重量控制為:硬質合金生坯中部空腔的體積X碳鋼密度+0.9 ;擴散連接結束后的隨爐冷卻速度為13°C /min,以防止硬質合金與鋼之間的擴散連接熱殘余應力。
權利要求
1.一種硬質合金與鋼的無中間層擴散連接方法，其特征在于依次包含以下步驟: (1)過量丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末制備:硬質合金成分重量百分比為Co占3 40wt%, Ni 占 O 40wt%, Fe 占 O 40wt%，WC 為余量；Co 的粒度為 0.8 1.5 y m，Ni 的粒度為0.8 1.5 ii m, Fe的粒度為2.0 3.5 y m, WC的粒度為0.6 4.0 y m ;硬質合金混合粉末經過球磨、過濾、干燥后摻入丁鈉橡膠以包覆硬質合金粉末，丁鈉橡膠的加入量為10 40 wt%:過量的丁鈉橡膠在硬質合金顆粒表面形成厚的包覆層，在燒結過程中丁鈉橡膠脫除后，其占據的位置形成連續空隙； (2)硬質合金多孔生坯壓制:將粉末壓制成中心帶空腔的硬質合金生坯，通過調節丁鈉橡膠包覆的硬質合金粉末填充重量的方式，使生坯的孔隙度為55 80% ;生坯中高的孔隙度在燒結階段無法完全閉合，形成連續空隙； (3)硬質合金與鋼擴散連接:將碳鋼放入到硬質合金生坯的空腔中一起進行燒結處理，在350°C 750°C下保溫3 6h脫除丁鈉橡膠；在1300°C 1440°C下保溫2 4h，進行液相燒結形成具有連續孔隙的硬質合金，其孔隙度為25 50% ;在1450°C 1600°C下保溫2 4h，碳鋼成為液相并擴散到硬質合金的連續孔隙中與硬質合金實現擴散連接，碳鋼的重量控制為:硬質合金生坯中部空腔的體積X碳鋼密度+ (0.7 1.0)，以確保擴散連接所需的鋼液相量充分。
2.根據權利要求1所述的硬質合金與鋼的無中間層擴散連接方法，其進一步的特征在于: (1)硬質合金混合粉末的球磨介質為無水乙醇，其加量為100 400ml,球磨速度為60 100r/min，研磨時間為36h 72h,研磨球為O6 8mm的WC_8wt%Co硬質合金球，球料重量比為5:1 15:1 ;球磨后硬質合金料楽:進行400目過濾,真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為I 5 Pa ;摻入丁鈉橡膠后粉末在80°C 100°C干燥I 3h，并過篩100目； (2)硬質合金多孔生坯壓制時壓強為100 300MPa； (3)硬質合金與鋼擴散連接時，脫除丁鈉橡膠的真空度為50 IOOPa;液相燒結時的真空度為10 15Pa ;擴散連接時的真空度為10 40Pa ;擴散連接結束后的隨爐冷卻速度為I 15°C /min,以防止硬質合金與鋼之間的擴散連接熱殘余應力。
全文摘要
本發明公開了一種硬質合金與鋼的無釬料擴散連接方法，其特征是先利用10～40wt%過量丁鈉橡膠與硬質合金原料粉末均勻混合，形成丁鈉橡膠包覆硬質合金粉末；在通過調節粉末填充量壓制成孔隙度為55～80%的生坯；然后將鋼放入多孔隙硬質合金生坯的中部空腔中，一起進行液相燒結；在1300℃～1440℃高溫燒結過程中生坯的孔隙尺寸減小數量減少，燒結體中的孔隙度為25～50%；繼續升高溫度到1450℃～1600℃使鋼熔化，鋼液體擴散到硬質合金中并填充到硬質合金內部的連續孔隙中，二者之間形成冶金結合具有高的結合強度。本發明具有硬質合金燒結與擴散連接結合、無活性中間層，工藝簡單；鋼金屬相的分布從硬質合金內部貫穿到碳鋼中，擴散充分、殘余應力低，結合強度高的優點。
文檔編號B22F7/00GK103182512SQ20131010798
公開日2013年7月3日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者郭智興, 熊計, 萬維財, 鐘華 申請人:四川大學