專利名稱：一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及異種材料電子束焊接用材料，屬于異種材料熔化焊接領域。
背景技術：
硬質合金是一種以難熔金屬化合物(WC、TiC, TaC等)為基體，以過渡族金屬為粘結相，通過粉末冶金方法制備的金屬陶瓷工具材料。具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、化學性質穩定以及良好的紅硬性等優異的性能，廣泛應用于機械加工、地質勘探、礦山開采等領域。但硬質合金價格昂貴且韌性差，使其難以生產較大尺寸、形狀復雜的制品。鋼的成本低廉，韌性較好，適于機械加工，因此將硬質合金與鋼結合起來使用，具有重要的理論意義和實用價值。
然而，在設計生產工藝時這兩種材料的連接，尤其是大厚度(厚度超過30mm)的硬質合金與鋼的連接問題愈加突出，如何選取合理的焊接方法，既要保證連接強度，又要使焊接工序對硬質合金的熱力損傷降到最低，成為一個亟需解決的問題。目前對于中小尺度硬質合金與鋼的連接通常采用釬焊方法，然而對于大厚度硬質合金與鋼的連接，采用釬焊方法則需要將硬質合金“分瓣”后再進行連接，這樣會增加加工工序和焊接復雜性，降低使用壽命。分析認為，采用具有超大焊縫深寬比、熱影響區小、能量及焊縫位置精確可控、且可一次深熔焊接成形的電子束焊接是優選方法之一，但是硬質合金與鋼熔焊時由于脆性相和焊接應力的存在，使得到的電子束焊接接頭容易產生裂紋缺陷，無法形成有效連接接頭，目前國內外解決這一問題的合理方法尚未見報道。
發明內容
本發明是要解決現有的硬質合金與鋼用釬焊連接的方法工序復雜、熔焊連接方法易產生裂紋缺陷的技術問題，而提供一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料。本發明的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料按重量百分比由8. 3
8.5%的鐵粉、O. 45% O. 55%的鈮粉、O. 75% O. 85%的釔粉、O. 45% O. 55%的碳粉和余量的鎳粉制成。上述的鎳粉中的鎳的質量含量彡99. 5%,而且鎳粉中的硫的質量含量< O. 003%；鎳粉的粒徑為2 3 μ m ;鐵粉中的鐵的質量含量彡99%,而且鐵粉中的S的質量含量< O. 001%, Si的質量含量彡O. 02%,Mn的質量含量彡O. 03%，P的質量含量彡O. 001% ;鐵粉的粒徑為2. 5 3. 5 μ m ；碳粉中碳的質量含量> 99. 8%，而且碳粉中的水分的質量含量< O. 005%;碳粉的粒度為300 500日；鈮粉中鈮的質量含量彡99. 9% ;鈮粉的粒度為300 500目；釔粉中釔的質量含量彡99. 9% ;釔粉的粒度為300 500目；本發明的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料經粉末混合、壓坯、燒結后得到。本發明的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料的制備方法具體是按以下步驟進行的一、按重量百分比稱取8. 3 8. 5 %的鐵粉、O. 45 % O. 55 %的鈮粉、O. 75 %
O.85%的釔粉、O. 45% O. 55%的碳粉和余量的鎳粉并加入到混粉機混合O. 5 I小時，得到混合粉末；二、將步驟一得到的混合粉末加入到模具中，再將模具放至液壓壓力機中，在壓力為300 1000T的條件下壓制120 150秒，得到壓坯；三、將步驟二得到的壓坯放入真空爐中，以10 12°C /min的速度升溫至1150 1200°C并保持I. 5 2小時，然后隨爐冷卻，得到硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料。
本發明步驟一的各種粉末稱取完成后，在不超過30min的時間內進行混粉，以防止所稱取的粉末氧化；同理，步驟一得到的混合粉末要用密封袋密封保存，并在不超過24h的時間內將混合粉末進行壓坯以防止氧化。利用本發明的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行焊接的方法按以下步驟進行將硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行表面清理后切割成厚度為I 2mm的薄片，用砂紙將薄片的表面打磨平整，再用丙酮將薄片的表面清洗干凈后，得到了中間層；將中間層放置在待焊的硬質合金與鋼之間，用電子束焊接得到了硬質合金與鋼的接頭。本發明的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料中鎳元素有較為優異的塑性性能，且高溫塑性較好，能夠在焊后緩沖接頭殘余應力，因此Ni元素選為該中間層的主體元素；通過加入C元素，可以補償因C元素擴散而導致的硬質合金側貧C，避免產生脆性相以及接頭性能的下降；Nb元素和Y元素作為稀土元素，能夠在焊接過程中起到細化晶粒的作用。用本發明的中間層材料來抑制硬質合金與鋼在焊接過程中脆性相的生成，并有效緩解焊接應力。采用常規的電子束焊接方法對硬質合金與鋼進行焊接接頭極易產生宏觀裂紋缺陷，無法形成有效連接。利用本發明的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料作為過渡成分進行電子束焊接與常規焊接方法不同之處在于，將硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料置于硬質合金與鋼待焊件之間，利用電子束熱源進行加熱，利用電子束精確可控的效應來引導焊接熔池的空間定位，實現硬質合金與鋼的有效連接。該硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料一方面可以使硬質合金與鋼的焊縫形成良好的冶金結合，減少或避免脆性相的生成，接頭沒有裂紋缺陷；另一方面能夠降低焊縫脆性，增加塑韌性，避免較大的焊接殘余應力，能夠獲得優質的連接接頭。
圖I是試驗一得到的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料按重量百分比由8. 3 8. 5%的鐵粉、O. 45% O. 55%的鈮粉、O. 75 % O. 85%的釔粉、
O.45% O. 55%的碳粉和余量的鎳粉制成。
本實施方式的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料是經粉末混合、壓坯、燒結后制成的。本實施方式的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料中鎳元素有較為優異的塑性性能，且高溫塑性較好，能夠在焊后緩沖接頭殘余應力，因此Ni元素選為該填充材料的主體元素；通過加入C元素，可以補償因C元素擴散而導致的硬質合金側貧C，避免產生脆性相以及接頭性能的下降；Nb元素和Y元素作為稀土元素，能夠在焊接過程中起到細化晶粒的作用。用本實施方式的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料來抑制硬質合金與鋼在焊接過程中脆性相的生成，并有效緩解焊接應力，能夠獲得優質的連接接頭。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是鎳粉中的鎳的質量含量^ 99. 5%，而且鎳粉中的硫的質量含量< O. 003% ;其它與具體實施方式
一相同。本實施方式中對鎳粉中的硫的質量含量進行了限定，如果鎳粉中含有過量的硫元素，一方面會加大硬質合金與鋼焊接過程中的熱裂紋傾向；另一方面，即使得到無裂紋的焊接接頭，所得接頭的塑韌性也會受到較大影響。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是鎳粉的粒徑為在2 3 μ m ;其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是鐵粉中的鐵的質量含量彡99%，而且鐵粉中的S的質量含量彡O. 003%, Si的質量含量彡O. 02%, Mn的質量含量彡O. 03%, P的質量含量彡O. 003% ;其它與具體實施方式
一至三之一相同。本實施方式中對鐵粉中的雜質進行了限定，是因為鐵粉中過多的硫和磷會導致燒結的中間層容易產生裂紋缺陷；如果鐵粉中含有過多的錳，會使鐵粉的壓縮性能變差，從而容易導致在相同壓力下所得中間層的致密度不夠；鐵粉中過多的Si如果以SiO2形式存在，會使中間層的成形、燒結和其最終性能都會帶來很不利的影響。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是鐵粉的粒徑為
2.5 3. 5 μ m ;其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是碳粉中碳的質量含量> 99. 8%,而且碳粉中的水分的質量含量< O. 005%;其它與具體實施方式
一至五之一相同。本實施方式中對碳粉中的水分進行了限定，如果碳粉中含有較多的水分，一方面在真空燒結過程中，真空爐抽真空過程會受到影響，中間層中也容易出現氣孔等缺陷；另一方面，在焊接過程中，中間層中過多的氣孔也會導致焊接接頭中出現氣孔等缺陷。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是碳粉的粒度為300 500目；其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料按重量百分比由8. 4%的鐵粉、O. 5%的鈮粉、O. 8%的釔粉、O. 5%的碳粉和余量的鎳粉制成；其它與具體實施方式
一至五之一相同。本實施方式的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料是經粉末混合、壓坯、燒結后制成的。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是所述的硬質合金為YGH-60硬質合金，所述的鋼為45#鋼，其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十具體實施方式
一所述的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料具體是按以下步驟進行一、按重量百分比稱取8. 3 8. 5 %的鐵粉、O. 45 % O. 55 %的鈮粉、O. 75 %
O.85%的釔粉、O. 45% O. 55%的碳粉和余量的鎳粉并加入到混粉機混合O. 5 I小時，得到混合粉末；二、將步驟一得到的混合粉末加入到模具中，再將模具放至液壓壓力機中，在壓力為300 1000T的條件下壓制120 150秒，得到壓坯；三、將步驟二得到的壓坯放入真空爐中，以10 12°C /min的速度升溫至1150 1200°C并保持I. 5 2小時，然后隨爐冷卻，得到一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料。
具體實施方式
十一利用具體實施方式
一所述的硬質合金與鋼的電子束焊接用填 充材料進行電子束焊接的方法按以下步驟進行將一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行表面清理后切割成厚度為I 2_的薄片，用砂紙將薄片的表面打磨平整，再用丙酮將薄片的表面清洗干凈后，得到了中間層；將中間層放置在待焊的硬質合金與鋼之間，再用電子束焊接得到硬質合金與鋼的接頭。本實施方式得到的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，對其表面進行清理后，按待焊試樣的尺寸進行切割，再利用機械方法將表面加工平整，再用丙酮將表面清洗干凈后，就得到了硬質合金與鋼的電子束焊接用的中間層，將該填充材料放置在待焊的硬質合金與鋼之間，用電子束焊接就得到效連接的接頭。引入中間層填充材料后，采用電子束焊接，由于電子束焊接具有束流密度大、能量高度集中的優點，避免了硬質合金側由于熱輸入過大而產生裂紋，對該硬質合金與鋼的電子束焊接接頭獲得了有效結合，焊接接頭的抗拉強度超過300MPa。用以下試驗驗證本發明的有益效果試驗一本試驗的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料按重量百分比由8. 5%的鐵粉、O. 5%的鈮粉、O. 8%的釔粉、O. 5%的碳粉和余量的鎳粉制成。硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料具體的制備方法如下一、按重量百分比稱取8. 5%的鐵粉、O. 5%的鈮粉、O. 8%的釔粉、O. 5%的碳粉和余量的鎳粉并加入到混粉機混合O. 5小時，得到混合粉末；二、將步驟一得到的混合粉末加入到模具中，再將模具放至液壓壓力機中，在壓力為300 1000T的條件下壓制120秒，得到壓坯；三、將步驟二得到的壓坯放入真空爐中，以10°C /min的速度升溫至1200°C并保持2小時，然后隨爐冷卻，得到硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料。其中鎳粉、鐵粉、碳粉、銀粉和乾粉均為市售產品，鎳粉中的鎳的質量含量為99. 9%,而且鎳粉中的硫的質量含量為O. 001% ;鎳粉的粒徑為2. 5 3μηι ;鐵粉中的鐵的質量含量為99. 5 %，而且鐵粉中的S的質量含量為O. 0005 %，Si的質量含量為O. 005 %，Mn的質量含量為O. 005%, P的質量含量為O. 0006% ;鐵粉的粒徑為2. 5 3 μ m ;碳粉中碳的質量含量為99. 9 %，而且碳粉中的水分的質量含量為O. 004% ;碳粉的粒度為500目；鈮粉中銀的質量含量為99.9% ;銀粉的粒度為500目；乾粉中乾的質量含量99. 9% ;乾粉的粒度為500目。將得到的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行觀察發現，得到的掃描電鏡照片如圖I所示，從圖I可以看出該中間層材料組織較為均勻、致密，且主要以Ni基固溶體組織為主。從圖I中還可以看出，該中間層材料從總體上來說元素分布均勻，僅在個別位置有元素的偏聚現象。圖I中A處、B處及C處的元素分析如表I所示，表I圖I中A處、B處及C處的成分(w. t. % )
元素~ NiFe I-C Γ1Nb
~87.95 03 3762 ~~
~21. 76 ~Τ 9 ~73.45·
CΓ29 ~96. 71 ~~采用本試驗制備的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行電子束焊接，電子束焊接作為一種深熔熔焊方法，在硬質合金與鋼的焊接過程中，中間層中的各元素在熔池攪拌作用下會均勻分布，使硬質合金與鋼的焊縫形成良好的冶金結合。另外，該中間層具有較好的塑韌性，能夠降低焊縫脆性，增加焊縫塑韌性，避免較大的焊接殘余應力，獲得優質的連接接頭。將本試驗得到的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行表面清理后，按待焊試樣硬質合金為YGH-60硬質合金與45#鋼的尺寸進行切割厚度為I. 5mm的薄片，再用80#、240#,400#,600#及800#號的砂紙將薄片的表面加工平整，再用丙酮將表面清洗干凈后，就得到了中間層，將該中間層放置在待焊的硬質合金為YGH-60硬質合金與45#鋼之間，用電子束焊接得到了 YGH-60硬質合金與45#鋼的接頭。本試驗引入中間層后，采用電子束焊接，由于電子束焊接具有束流密度大、能量高度集中的優點，避免了硬質合金側由于熱輸入過大而產生裂紋，對該YGH-60硬質合金與45#鋼的的電子束焊接接頭進行觀察發現，焊接接頭獲得了有效結合，通過對焊接接頭的抗拉強度進行測試發現，焊接接頭的抗拉強度為320MPa。
權利要求
1.一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料按重量百分比由8. 3 8. 5%的鐵粉、O. 45% O. 55%的鈮粉、O. 75% O. 85%的釔粉、O. 45% O. 55%的碳粉和余量的鎳粉制成。
2.根據權利要求I所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于鎳粉中的鎳的質量含量> 99. 5%,而且鎳粉中的硫的質量含量< O. 003%。
3.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于鎳粉的粒徑為2 3μπι。
4.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于鐵粉中的鐵的質量含量> 99%,而且鐵粉中的S的質量含量< 0.003%, Si的質量含量^ O. 02%, Mn的質量含量彡O. 03%, P的質量含量彡O. 003%。
5.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于鐵粉的粒徑為2. 5 3. 5 μ m。
6.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于碳粉中碳的質量含量> 99. 8%，而且碳粉中的水分的質量含量< O. 005%。
7.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于碳粉的粒度為300 500目。
8.根據權利要求I或2所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，其特征在于硬質合金為YGH-60硬質合金,所述的鋼為45#鋼。
9.利用權利要求I所述的一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行電子束焊接的方法，其特征在于該方法按以下步驟進行將硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料進行表面清理后切割成厚度為I 2_的薄片，用砂紙將薄片的表面打磨平整，再用丙酮將薄片的表面清洗干凈后，得到了中間層；將中間層放置在待焊的硬質合金與鋼之間，用電子束焊接進行試驗，得到硬質合金與鋼的接頭。
全文摘要
一種硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料，本發明涉及異種材料電子束焊接用材料，本發明是要解決現有的硬質合金與鋼用釬焊連接的方法工序復雜、熔焊連接方法易產生裂紋缺陷的技術問題。本發明的硬質合金與鋼的電子束焊接用中間層材料由鐵粉、鈮粉、釔粉、碳粉和鎳粉制成。將本發明的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料切割成薄片，打磨、清洗后，得到了中間層；將中間層放置在待焊的硬質合金與鋼之間，用電子束焊接方法得到了硬質合金與鋼的電子束焊接接頭。本發是有的硬質合金與鋼的電子束焊接用填充材料用于異種材料焊接領域。
文檔編號B23K15/00GK102935561SQ20121049538
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月28日 優先權日2012年11月28日
發明者陳國慶, 張秉剛, 涂建剛, 馮吉才, 吳振中 申請人:哈爾濱工業大學, 株洲硬質合金集團有限公司