一种硬质合金与钢的活化扩散连接方法与流程

本发明涉及硬质合金与钢的连接技术领域，尤其是涉及一种硬质合金与钢的活化扩散连接方法。

背景技术：

硬质合金是由难熔金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）和粘结剂金属（如Co、Fe、Mo等）通过粉末冶金方法合成的，具有高硬度、高耐磨和良好的高温性能，广泛用于制造煤炭石油勘探和开采工具、金属切削工具及矿山采掘工具等。由于硬质合金价格昂贵、塑性韧性差，硬质合金工具常采用小块硬质合金与钢基体连接起来使用，既可降低成本，又能提高使用性能。

在目前工业应用中，硬质合金与钢的常用连接技术有机械连接、钎焊和扩散焊。其中，机械连接的硬质合金工具在使用过程中稳定性差；钎焊连接的硬质合金工具，其高温使用性能差；扩散焊连接的硬质合金工具虽然具有良好的高温使用性能，使用温度为450℃时仍具有较高的强度，但扩散焊需要在高真空环境条件下施焊，导致硬质合金工具的制造成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有硬质合金与钢的连接技术中，存在的焊后高温使用性能差、活化连接真空度要求高、连接效率低、成本高等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种硬质合金与钢的活化扩散连接方法，包括如下步骤：

步骤一、将硬质合金和钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗处理，之后吹干备用；

步骤二、将硬质合金与钢两者的待焊面对接组装，在对接面之间铺设活性剂或含有活性剂的金属夹层，装配得到整体连接件；所述活性剂为B、Li和B₂O₃中的至少一种；

步骤三、将整体连接件置于扩散焊炉中，对整体连接件施加0.5～1.0MPa的预压力，关闭炉门；

步骤四、对扩散焊炉抽真空，当扩散焊炉中真空度不高于10^-1Pa时，向扩散焊炉内充入还原性气体，当炉内压力达到标准大气压时开始加热，加热速率为10～15℃/min，当炉内温度达到800～1200℃时，对整体连接件施加5～12MPa的轴向压力，保温保压7～60min；

步骤五、整体连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出即可。

所述还原性气体为H₂、CO、NO₂、NO、NH₃和CH₄中的至少一种。

所述含有活性剂的金属夹层为表面涂覆活性剂的金属箔、均匀混合有活性剂的金属粉末、表面涂覆活性剂的金属镀膜中的任一种，所述金属镀膜为喷涂或电镀在硬质合金或钢表面的金属层。

所述金属箔、金属粉末或金属镀膜所采用的金属为Ni或Cu。

所述活性剂的状态为粉末状或箔状。

本发明的有益效果如下：

（1）、本发明克服了扩散焊对真空度的苛刻要求，扩散焊炉内真空度只需不高于10^-1Pa即可，不需要昂贵的真空设备投入，节约成本；

（2）、本发明在硬质合金与钢的对接面之间铺设活性剂或含有活性剂的金属夹层，活性剂在整个活化扩散连接过程中，其与待焊面周围环境气氛中的氧或待焊面上的金属氧化物反应，可去除硬质合金待焊面和钢待焊面上的氧化膜，增大硬质合金和钢的扩散速率，缩短扩散连接时间，提高连接效率，减少焊接缺陷，提高产品质量；

（3）、扩散炉中充入的还原性气体不仅能与硬质合金和钢待焊面上的金属氧化物反应，去除金属氧化物，还可防止硬质合金待焊面和钢待焊面的高温氧化，增大硬质合金和钢的扩散速率，缩短扩散连接时间，提高连接效率，减少焊接缺陷，提高产品质量；

（4）、硬质合金与钢实现扩散连接，焊后硬质合金工具有良好的高温使用性能，连接效果好。

附图说明

图1是本发明的硬质合金与钢在活化扩散连接时的整体结构示意图；

图2是本发明的表面涂覆活性剂的金属箔结构示意图；

图3是本发明的均匀混合有活性剂的金属粉末的示意图；

图4是本发明的表面涂覆活性剂的金属镀膜的结构示意图；

附图标记如下：1—上压头；2—硬质合金；3—活性剂；4—钢；5—下压头；6—金属箔；7—金属粉末；8—金属镀膜。

具体实施方式

实施例1

将尺寸为φ9×9mm的YG6X硬质合金与45号钢活性扩散连接。

首先，将YG6X硬质合金和45号钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗，确保待焊面光洁度Ra≤3.2μm，冷风吹干备用；然后，将硬质合金与钢的待焊面对接组装，在对接面之间刷涂一层硼粉，无金属夹层，装配得到整体连接件；随后，将整体连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，施加0.5MPa预压力，关闭炉门；扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到10^-1Pa时，向扩散焊炉内充入氢气，当炉内压力达到标准大气压时开始加热，加热速率为10℃/min，当炉内温度达到800℃时，对整体连接件施加5MPa轴向压力，保温保压60min；整体连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现YG6X硬质合金与45号钢的活化扩散连接。

焊后接头的测试结果为：（1）活化扩散焊接头无缺陷，焊合率高；（2）室温接头抗剪强度为203.5MPa；（3）450℃高温下，接头抗剪强度为178.7 MPa。

实施例2

将尺寸为φ12.5×9mm的YG15C硬质合金与尺寸为φ12.5×28mm的45号钢活性扩散连接。

首先，将YG15C硬质合金和45号钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗，确保待焊面光洁度Ra≤3.2μm，冷风吹干备用；然后，将硬质合金与钢的待焊面对接组装，在对接面之间铺设100μm厚的Ni箔，Ni箔表面喷撒B和Li的混合粉，B粉和Li粉质量比为9：1，装配得到整体连接件；随后，将整体连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，施加1.0MPa预压力，关闭炉门；扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到5×10^-2Pa时，向扩散焊炉内充入H₂和CO混合气体，当炉内压力达到标准大气压时开始加热，加热速率为15℃/min，当炉内温度达到1050℃时，对整体连接件施加12MPa轴向压力，保温保压7min；整体连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现YG15C硬质合金与45号钢的活化扩散连接。

焊后接头的测试结果为：（1）活化扩散焊接头无缺陷，焊合率高；（2）室温接头抗剪强度为870MPa；（3）400℃高温下，接头四点弯曲强度为650 MPa。

实施例3

将尺寸为φ14×10mm的YG11硬质合金与Cr12MoV钢活性扩散连接。

首先，将YG11硬质合金和Cr12MoV钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗，确保待焊面光洁度Ra为1.25μm，冷风吹干备用；然后，将硬质合金与钢的待焊面对接组装，在对接面之间铺设100μm厚的Cu箔，Cu箔两侧放置B₂O₃粉，装配得到整体连接件；随后，将整体连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，施加1.0MPa预压力，关闭炉门；扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到10^-1Pa时，向扩散焊炉内充入CH₄和H₂的混合气体，当炉内压力达到标准大气压时开始加热，加热速率为12℃/min，当炉内温度达到950℃时，对整体连接件施加8MPa轴向压力，保温保压15min；整体连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现YG11硬质合金与Cr12MoV钢的活化扩散连接。

焊后接头的测试结果为：（1）活化扩散焊接头无缺陷，焊合率高；（2）室温接头抗剪强度为645.8MPa；（3）450℃高温下，接头抗剪强度为522.0 MPa。

实施例4

将尺寸为φ14×10mm的YG11硬质合金与45号钢活性扩散连接。

首先，将YG11硬质合金和45号钢的待焊面依次进行碱洗、酸洗、打磨和蒸馏水冲洗，确保待焊面光洁度Ra为1.25μm，冷风吹干备用；然后，将硬质合金与钢的待焊面对接组装，在45号钢的待焊面电镀厚度为0.05mm 的Ni膜，Ni膜表面刷涂硼粉，装配得到整体连接件；随后，将整体连接件放在扩散焊炉的上压头和下压头之间，施加1.0MPa预压力，关闭炉门；扩散焊炉开启抽真空，待真空度达到10^-1Pa时，向扩散焊炉内充入NO₂和H₂的混合气体，当炉内压力达到标准大气压时开始加热，加热速率为12℃/min，当炉内温度达到1200℃时，对整体连接件施加10MPa轴向压力，保温保压25min；整体连接件扩散焊完成后，卸去压力，随炉冷却至100℃，取出连接件，即实现YG11硬质合金与45号钢的活化扩散连接。

焊后接头的测试结果为：（1）活化扩散焊接头无缺陷，焊合率高；（2）室温接头抗剪强度为685.2MPa；（3）450℃高温下，接头抗剪强度为536.3 MPa。