專利名稱：無(wú)活性中間層的硬質(zhì)合金與鋼的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為硬質(zhì)合金材料與鋼的連接方法，特別涉及一種不含有活性中間層的連接 硬質(zhì)合金與鋼材的方法，屬于粉末冶金和硬質(zhì)合金領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金是以難熔金屬碳化物(如WC，TiC)為硬質(zhì)相，以鐵族金屬元素(Fe、Co、 Ni)作為粘結(jié)相，用粉末冶金工藝生產(chǎn)的具有高硬度和高耐磨性的多相材料。硬質(zhì)合金具有 十分優(yōu)異的性能，但硬質(zhì)合金價(jià)格昂貴，其應(yīng)用范圍受到限制。另外，由于絕大多數(shù)硬質(zhì)合 金都是用粉末冶金方法生產(chǎn)的，其生產(chǎn)工藝的限制使得生產(chǎn)較大尺寸的硬質(zhì)合金制品變得 困難。而且，在許多零部件在使用時(shí)并不需要整體都用硬質(zhì)合金制造。所以，為擴(kuò)大硬質(zhì)合 金的應(yīng)用范圍，降低硬質(zhì)合金制品的成本，將硬質(zhì)合金與韌性較好、強(qiáng)度較高、加工性能優(yōu) 異、廉價(jià)的鋼連接起來(lái)使用，具有重要的實(shí)用價(jià)值。目前主要通過(guò)各種焊接的方法實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼的連接。傳統(tǒng)的釬焊法就是將一 定形狀的硬質(zhì)合金，用黃銅、紫銅或其他焊料釬焊在普通結(jié)構(gòu)鋼。采用釬焊法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、緊湊、抗振性能好、制造方便，應(yīng)用十分廣泛，目前是硬質(zhì)合金與鋼的主要焊接方法。因 此硬質(zhì)合金這種線膨脹系數(shù)與鋼相差很大、高硬度、低塑性的多孔隙材料在焊接中，表現(xiàn)出 極大的裂紋傾向。擴(kuò)散焊是將兩個(gè)被焊工件緊壓在一起，置于真空或保護(hù)氣體中加熱，使兩焊接表 面微觀凹凸不平處在高溫下產(chǎn)生塑性變形達(dá)到緊密接觸，在經(jīng)過(guò)保溫、原子相互擴(kuò)散而形 成牢固的冶金結(jié)合的一種焊接方法。擴(kuò)散焊有三個(gè)階段變形-接觸階段、擴(kuò)散-界面推移 階段、界面和空洞消失階段。對(duì)于一些特殊的異質(zhì)材料的擴(kuò)散焊接，需要在焊件之間加一個(gè) 中間層材料。專利200510043803. 6公開(kāi)了一種添加活性中間合金擴(kuò)散連接陶瓷與鋼的方 法，主要特點(diǎn)是在陶瓷與鋼待焊接觸面之間添加活性中間合金，并將待焊陶瓷/鋼工件用 上、下壓頭壓緊；置于真空室中進(jìn)行真空擴(kuò)散連接，工藝參數(shù)為加熱溫度1060 1180°C， 保溫時(shí)間25 60min，壓力8 16MPa，真空度為2. 5 X IO"4 IX l(T5Pa。與傳統(tǒng)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前硬質(zhì)合金與鋼連接時(shí)存在的問(wèn)題，發(fā)明了一種無(wú)活性中間層的連 接硬質(zhì)合金與鋼的新方法。首先利用模具將硬質(zhì)合金混合粉末壓制成帶圓柱孔的生坯；然 后將圓形的鋼芯棒放入硬質(zhì)合金生坯中，控制鋼芯棒的直徑以獲得最佳的間隙，二者之間 不添加任何活性中間層同時(shí)放入真空爐中進(jìn)行燒結(jié)處理。硬質(zhì)合金生坯與鋼芯棒進(jìn)行真空 燒結(jié)處理后，硬質(zhì)合金生坯發(fā)生尺寸收縮，其心部圓柱孔徑將略小于鋼質(zhì)芯棒直徑，因此在 硬質(zhì)合金生坯完成致密化的同時(shí)便實(shí)現(xiàn)了與鋼芯棒的緊密機(jī)械連接。同時(shí)，燒結(jié)過(guò)程中硬 質(zhì)合金與鋼芯棒接觸部分發(fā)生相互擴(kuò)散，保證了硬質(zhì)合金與心部鋼材的冶金結(jié)合，本發(fā)明 的示意圖見(jiàn)附圖1。
本發(fā)明的硬質(zhì)合金與鋼的連接方法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將原料粉末配制成硬質(zhì)合金混合粉末，其成份重量百分比為Co 0-20%, Ni 0-20%, Fe :0-20%,TiC :0-30%,TaC 0-20%, NbC 0-20%, WC 為余量；硬質(zhì)合金混合粉末 經(jīng)過(guò)球磨、過(guò)濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在硬質(zhì)合金生坯內(nèi)孔中，鋼芯棒各組成成份重量百分比為C 0. 03 1. 0%，W :0 20%，V :0 5%，Cr :0 5%，F(xiàn)e為余量；鋼芯棒直徑的確定 方法為擴(kuò)散層厚度+硬質(zhì)合金生坯孔徑/收縮系數(shù)，其中擴(kuò)散層厚度為0. l-2mm,收縮系 數(shù)為 1. 1-1.5 ；(3)圓柱形鋼芯棒與硬質(zhì)合金生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經(jīng)過(guò) 燒結(jié)實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼的連接，燒結(jié)溫度為1300-1450°C，保溫時(shí)間為l_3h，真空度為1 5Pa。本發(fā)明的硬質(zhì)合金與鋼的連接方法，其進(jìn)一步的特征在于(1)配制硬質(zhì)合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度為0. 5 6. 0 μ m,TaC的粒度 為1. 0 2. 0 μ m，NbC粒度為1. 0 2. 0 μ m，(W, Ti) C粒度為1. 5 3 μ m，F(xiàn)e粒度為1. 5 2. 5 μ m，Ni的粒度為0. 8 1. 5 μ m，Co的粒度為0. 8 1. 5 μ m ；硬質(zhì)合金的球磨介質(zhì)為無(wú) 水乙醇，其加量為100-500ml，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為60-100r/min，研磨時(shí)間為24h_72h，研磨球?yàn)?Φ6-8πιπι的WC-8wt% Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為5 1-10 1 ；硬質(zhì)合金球磨后料漿的 真空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為1 5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為50-120% ； 在200-400MPa下壓制成生坯；(2)金屬陶瓷生坯內(nèi)孔中放置鋼芯棒時(shí)，二者的同心度為0. 1 0. 6mm ；(3)真空燒結(jié)過(guò)程脫除成型劑在500°C 600°C進(jìn)行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)將硬質(zhì)合金本身的生產(chǎn)及硬質(zhì)合金與鋼材的連接這兩個(gè)工藝過(guò)程結(jié)合起來(lái)， 工藝簡(jiǎn)單；(2)本方法與釬焊法等方法相比，具有不使用活性中間層的優(yōu)點(diǎn)；(3)通過(guò)“機(jī)械連接”和“冶金結(jié)合”的雙重作用，連接硬質(zhì)合金與內(nèi)部的鋼材，保 證結(jié)合緊密。


圖1本發(fā)明的硬質(zhì)合金與鋼的連接過(guò)程示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)例1 配制硬質(zhì)合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度為2. 0 μ m，TaC的粒度為 1. 2 μ m，NbC粒度為1. 5 μ m，(W，Ti) C粒度為1. 5 μ m，Co的粒度為1. 0 μ m ；硬質(zhì)合金成分為 Co :9wt%, TiC :5wt%, TaC :3wt%,NbC :2wt%,WC為余量；球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，其加量為 300ml，球磨速度為70r/min，研磨時(shí)間為48h，研磨球?yàn)棣?ι πι的WC_8wt% Co硬質(zhì)合金球， 球料重量比為5 1 ；球磨后金屬陶瓷料漿的真空干燥處理溫度為85°C，真空度為5Pa;丁 鈉橡膠成型劑的加量為80wt% ；在300MPa下壓制成高度為5mm，外徑為30mm，內(nèi)徑為24mm的生坯；采用10號(hào)鋼(C占0. Iwt %，其余為Fe)作芯棒，其直徑為21mm;鋼芯棒放置在硬質(zhì) 合金生坯內(nèi)孔中，二者的同心度為0. 4mm;真空燒結(jié)過(guò)程脫除成型劑在550°C進(jìn)行，保溫2h， 真空度為IOPa ；最終在1440°C下燒結(jié)lh，真空度為5Pa。便實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金與鋼的冶金連 接。
實(shí)例2 =WC的粒度為1. 0 μ m，F(xiàn)e粒度為2. 0 μ m，Ni的粒度為1. 2 μ m，硬質(zhì)合金成 分為Fe:3wt%，Ni :7wt%, WC為余量；球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，其加量為300ml，球磨速度 為100r/min，研磨時(shí)間為64h，研磨球?yàn)棣?πιπι的WC_8wt% Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為 10 1 ；球磨后金屬陶瓷料漿的真空干燥處理溫度為80°C，真空度為5Pa;丁鈉橡膠成型劑 的加量為85wt% ；在400MPa下壓制成高度為6mm，外徑為28mm，內(nèi)徑為19mm的生坯；鋼芯 棒成分為C :lwt%,ff :18wt%,V :4wt%,Cr :5wt%,Fe為余量，其直徑為15. 2m ；鋼芯棒放置 在硬質(zhì)合金生坯內(nèi)孔中，二者的同心度為0. 5mm ；真空燒結(jié)過(guò)程脫除成型劑在550°C進(jìn)行， 保溫3h，真空度為15Pa ；最終在1420°C下燒結(jié)1. 5h，真空度為5Pa。便實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金與 鋼的冶金連接。
權(quán)利要求
一種硬質(zhì)合金與鋼的連接方法，其特征在于依次包含以下步驟(1)將原料粉末配制成硬質(zhì)合金混合粉末，其成分重量百分比為Co0-20％，Ni0-20％，F(xiàn)e0-20％，TiC0-30％，TaC0-20％，NbC0-20％，WC為余量；硬質(zhì)合金混合粉末經(jīng)過(guò)球磨、過(guò)濾、干燥后壓制成帶圓柱孔的生坯；(2)將圓柱形鋼芯棒放置在硬質(zhì)合金生坯內(nèi)孔中，鋼芯棒各組成成分重量百分比為C0.03～1.0％，W0～20％，V0～5％，Cr0～5％，F(xiàn)e為余量；鋼芯棒直徑的確定方法為擴(kuò)散層厚度+硬質(zhì)合金生坯孔徑/收縮系數(shù)，其中擴(kuò)散層厚度為0.1-2mm，收縮系數(shù)為1.1-1.5；(3)圓柱形鋼芯棒與硬質(zhì)合金生坯一起放入真空爐中，先脫除成型劑，然后經(jīng)過(guò)燒結(jié)實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金與鋼的連接，燒結(jié)溫度為1300-1450℃，保溫時(shí)間為1-3h，真空度為1～5Pa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金與鋼的連接方法，其進(jìn)一步的特征在于(1)配制硬質(zhì)合金混合粉末所用的原料中，WC的粒度為0.5 6.0i!m，TaC的粒度為1.0 2. 0 ii m，NbC 粒度為 1. 0 2. 0 ii m，(ff, Ti) C 粒度為 1. 5 3 ii m，F(xiàn)e 粒度為 1. 5 2.5um, Ni的粒度為0. 8 1. 5 ii m，Co的粒度為0. 8 1. 5 y m ；硬質(zhì)合金的球磨介質(zhì)為無(wú) 水乙醇，其加量為100-500ml，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為60-100r/min，研磨時(shí)間為24h_72h，研磨球?yàn)?①6-8mm的WC-8% Co硬質(zhì)合金球，球料重量比為5 1-10 1 ；硬質(zhì)合金球磨后料漿的真 空干燥處理溫度為85°C 120°C，真空度為1 5Pa ；丁鈉橡膠成型劑的加量為50-120% ； 在200-400MPa下壓制成生坯；(2)金屬陶瓷生坯內(nèi)孔中放置鋼芯棒時(shí)，二者的同心度為0.1 0. 6mm ；(3)真空燒結(jié)過(guò)程脫除成型劑在500°C 600°C進(jìn)行，保溫2 4h，真空度為10 15Pa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硬質(zhì)合金與鋼的連接方法，其特征是先利用粉末冶金方法制備心部有圓柱孔的硬質(zhì)合金生坯；然后將一定尺寸的鋼質(zhì)芯棒放置在生坯的圓柱孔中；硬質(zhì)合金生坯與鋼質(zhì)芯棒在1300℃～1450℃下進(jìn)行真空燒結(jié)處理。硬質(zhì)合金生坯發(fā)生尺寸收縮實(shí)現(xiàn)致密化，控制其心部圓柱孔徑小于鋼質(zhì)芯棒直徑，便實(shí)現(xiàn)了與鋼質(zhì)芯棒的緊密機(jī)械連接。同時(shí)，燒結(jié)過(guò)程中硬質(zhì)合金與鋼質(zhì)芯棒接觸的邊界部分發(fā)生相互擴(kuò)散，保證了硬質(zhì)合金與鋼材的冶金結(jié)合。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、硬質(zhì)合金與鋼材結(jié)合緊密、且連接時(shí)不添加的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K28/00GK101829781SQ201010183709
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者楊天恩, 楊梅, 熊素建, 熊計(jì), 郭智興, 陳建中 申請(qǐng)人:四川大學(xué)