專利名稱：一種碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬陶瓷焊接工藝，具體地說是一種碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝。
在現(xiàn)有技術(shù)中，金屬陶瓷在硬質(zhì)相體積含量為50～75％下除具有金屬陶瓷的高耐磨性外，還具有可與鋼及硬質(zhì)合金相比擬的斷裂韌性，同時具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕性，在塑料、橡膠、食品、木材等加工領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。然而，同其它硬質(zhì)合金類材料一樣，由于金屬陶瓷可加工性差(只可磨削和火花加工)，且耐沖擊性差，金屬陶瓷在用于復(fù)雜形狀和受沖擊載荷下使用的工具時，通常采用釬焊與鋼結(jié)合使用。但金屬陶瓷要在燒結(jié)之后，對表面磨加工，然后再實施釬焊，釬焊料通常為鎳基、銅基或銀基焊料。這樣不僅工序多、生產(chǎn)效率低，而且需要額外購置焊接設(shè)備。目前，對于金屬陶瓷材料，還未發(fā)現(xiàn)有人采用過燒結(jié)和焊接同時進(jìn)行工藝。
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)效率高、焊接強(qiáng)度高、不需專門焊接設(shè)備的碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是為了適應(yīng)于高溫合金，對粘結(jié)相鉻鎳NiCr的合金化設(shè)計和硬質(zhì)相TiC的成分設(shè)計；既對NiCr粘結(jié)相Al、Ti合金化，其中Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計，含量為3～15份；調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC的成分，按體積比計，含量為50～75份。
具體工藝過程前級工序按傳統(tǒng)工藝配料、混料、摻加成型劑、造粒、壓型；在燒結(jié)階段①清潔結(jié)構(gòu)鋼表面，焊接前用丙酮擦洗干凈；②將金屬陶瓷粉末壓坯直接放在結(jié)構(gòu)鋼的清潔表面上，焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致；③對金屬陶瓷排粘在300～600℃情況下去除成型劑；④燒結(jié)保溫排粘后以10℃～15℃/min的速度升到燒結(jié)溫度，真空燒結(jié)溫度控制在1340～1360℃范圍內(nèi)，保溫，實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體；⑤冷卻在燒結(jié)保溫階段后以15℃～20℃/min的速度冷卻，縮短鋼在過熱溫度里的時間；⑥調(diào)質(zhì)處理淬火后，400～500℃回火；另外，所述作為焊接基體的結(jié)構(gòu)鋼采用低合金結(jié)構(gòu)鋼或低碳鋼，具體為40Cr、30CrNi、40CrMo、45號鋼；所述粘結(jié)相中按重量比計，可含0.5～5％的鉬，以提高粘結(jié)相對硬質(zhì)相的潤濕性；所述金屬陶瓷可為已燒制成型樣品，經(jīng)表面處理，再與結(jié)構(gòu)鋼擴(kuò)散焊接；所述成型劑為石臘、橡膠。
本發(fā)明工藝原理為金屬陶瓷粉末壓坯在1340℃之前燒結(jié)收縮已基本完成，在金屬陶瓷燒結(jié)溫度下，金屬陶瓷與鋼接觸表面發(fā)生Fe-Ni-Cr-Ti-Al共晶相變，界面析出液相，隨著成分?jǐn)U散，共晶相變向深層發(fā)展，這使金屬陶瓷燒結(jié)并與鋼同時焊接成為可能；在焊接結(jié)束后，金屬陶瓷與結(jié)構(gòu)鋼界面形成厚度在15μm左右的焊接過度層，過度層為Fe-Ni-Cr-Ti-Al(可含Mo)梯度合金。焊接強(qiáng)度約為650MPa，遠(yuǎn)高于通常釬焊強(qiáng)度(一般在400MPa左右)。這種焊接為一種特殊擴(kuò)散焊。普通擴(kuò)散焊界面不出現(xiàn)液相，通過在真空下對兩個焊接體(接觸面要求很高光潔度)長時間加壓，使界面發(fā)生成分?jǐn)U散。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明調(diào)整了硬質(zhì)相含量(硬質(zhì)顆粒TiC體積含量50-75％)和粘結(jié)相中Al、Ti合金元素含量(wt.3-15％)，使金屬陶瓷具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其中Al、Ti不僅可調(diào)整燒結(jié)溫度，而且可使粘結(jié)相析出強(qiáng)化，同時使其燒結(jié)溫度降至1340-1360℃范圍，在此溫度下可發(fā)生Fe-Ni-Cr-Ti-Al共晶相變，這使金屬陶瓷燒結(jié)并與鋼同時焊接成為可能，由于燒結(jié)和焊接都在燒結(jié)爐中進(jìn)行，不需專用焊接設(shè)備。另外，本發(fā)明雖然為真空擴(kuò)散焊(不需要焊料)，但是真空下不需加壓，且焊接強(qiáng)度很高(達(dá)650Mpa)。采用該技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率，而且保證了金屬陶瓷與鋼焊接質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明同步焊接結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實施例1如圖1所示，為了適應(yīng)于高溫合金，對粘結(jié)相鉻鎳NiCr合金化和硬質(zhì)相TiC成分設(shè)計為其中Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計，含量為4份，調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC按體積比計，含量為50份，具體工藝過程前級工序按傳統(tǒng)工藝配料、混料、摻加成型劑、造粒、壓型；在燒結(jié)階段①清潔結(jié)構(gòu)鋼表面，焊接前用丙酮擦洗干凈；②將金屬陶瓷粉末壓坯1直接放在結(jié)構(gòu)鋼基體2的清潔表面上，焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致；③對金屬陶瓷排粘在300℃情況下去除成型劑石臘；④燒結(jié)保溫排粘后以10℃/min速度升到燒結(jié)溫度，真空燒結(jié)溫度控制在1340℃，保溫，實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體；⑤冷卻在燒結(jié)保溫階段后以15℃/min速度冷卻，縮短鋼在過熱溫度里的時間；⑥調(diào)質(zhì)處理淬火后，400℃回火。
所述作為焊接基體的結(jié)構(gòu)鋼采用低合金結(jié)構(gòu)鋼或低碳鋼，具體為40Cr、30CrNi、40CrMo、45號鋼，本發(fā)明采用40Cr低合金結(jié)構(gòu)鋼；從鋼的熱處理角度看，金屬陶瓷的燒結(jié)溫度對鋼為過熱溫度，使鋼的晶粒粗大并在淬火時容易開裂。實驗表明，40Cr、30CrNi、40CrMo、45號鋼等低合金鋼或低碳鋼材料經(jīng)這樣的過熱后仍可以通過調(diào)質(zhì)處理(淬火后，400-500℃回火)使結(jié)構(gòu)鋼具有良好的強(qiáng)韌性。
結(jié)構(gòu)鋼除按照工具尺寸、形狀要求加工外，對焊接表面無高要求，表面光潔度在4級以上即可，焊接前用丙酮擦洗干凈，但焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致為宜，這樣金屬陶瓷燒結(jié)收縮阻力小，燒結(jié)體致密且不易開裂。
實施例2與實施例1不同之處在于本發(fā)明對粘結(jié)相鉻鎳NiCr合金化和硬質(zhì)相TiC成分設(shè)計為其中Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計，含量為15份，調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC按體積比計，含量為75份，其工藝過程中在燒結(jié)階段①清潔結(jié)構(gòu)鋼表面，焊接前用丙酮擦洗干凈；②將金屬陶瓷粉末壓坯直接放在結(jié)構(gòu)鋼的清潔表面上，焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致；③對金屬陶瓷排粘在600℃情況下去除成型劑橡膠；④燒結(jié)保溫排粘后以15℃/min速度升到燒結(jié)溫度，真空燒結(jié)溫度控制在1350℃，保溫，實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體；⑤冷卻在燒結(jié)保溫階段后以17℃/min速度冷卻，縮短鋼在過熱溫度里的時間；⑥調(diào)質(zhì)處理淬火后，450℃回火。
采用45號低碳鋼材料；所述粘結(jié)相中按重量比計，可含2.5％的鉬，以提高粘結(jié)相對硬質(zhì)相的潤濕性。
實施例3與實施例1不同之處在于本發(fā)明對粘結(jié)相鉻鎳NiCr合金化和硬質(zhì)相TiC成分設(shè)計為其中Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計，含量為7份，調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC按體積比計，含量為60份，其工藝過程中在燒結(jié)階段①清潔結(jié)構(gòu)鋼表面，焊接前用丙酮擦洗干凈；②將金屬陶瓷粉末壓坯直接放在結(jié)構(gòu)鋼的清潔表面上，焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致；③對金屬陶瓷排粘在450℃情況下去除成型劑橡膠；④燒結(jié)保溫排粘后以13℃/min速度升到燒結(jié)溫度，將真空燒結(jié)溫度控制在1360℃，保溫，實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體；⑤冷卻在燒結(jié)保溫階段后以20℃/min速度冷卻，縮短鋼在過熱溫度里的時間；⑥調(diào)質(zhì)處理淬火后，450℃回火。
采用30CrNi低合金結(jié)構(gòu)鋼；所述粘結(jié)相中按重量比計，可含5份的鉬，以提高粘結(jié)相對硬質(zhì)相的潤濕性。
另外，本發(fā)明所述金屬陶瓷可為已燒制成型樣品，經(jīng)表面處理，再與結(jié)構(gòu)鋼擴(kuò)散焊接。
權(quán)利要求
1.一種碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法，其特征在于為了適應(yīng)于高溫合金，對粘結(jié)相鉻鎳NiCr合金化和硬質(zhì)相TiC成分設(shè)計為其中Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計，含量為3～15份；調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC按體積比計，含量為50～75份，具體工藝過程前級工序按傳統(tǒng)工藝配料、混料、摻加成型劑、造粒、壓型；在燒結(jié)階段①清潔結(jié)構(gòu)鋼表面，焊接前用丙酮擦洗干凈；②將金屬陶瓷粉末壓坯直接放在結(jié)構(gòu)鋼的清潔表面上，焊接表面的加工紋路應(yīng)與金屬陶瓷收縮方向一致；③對金屬陶瓷排粘在300～600℃情況下去除成型劑；④燒結(jié)保溫排粘后以10℃～15℃/min的速度升到燒結(jié)溫度，真空燒結(jié)溫度控制在1340～1360℃范圍內(nèi)，保溫，實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體；⑤冷卻在燒結(jié)保溫階段后以15℃～20℃/min的速度冷卻，縮短鋼在過熱溫度里的時間；⑥調(diào)質(zhì)處理淬火后，400～500℃回火。
2.按照權(quán)利要求1所述碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法，其特征在于所述作為焊接基體的結(jié)構(gòu)鋼采用低合金結(jié)構(gòu)鋼或低碳鋼，具體為40Cr、30CrNi、40CrMo、45號鋼。
3.按照權(quán)利要求1所述碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法，其特征在于所述粘結(jié)相中按重量比計，可含0.5～5份的鉬，以提高粘結(jié)相對硬質(zhì)相的潤濕性。
4.按照權(quán)利要求1所述碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法，其特征在于所述金屬陶瓷可為已燒制成型樣品，經(jīng)表面處理，再與結(jié)構(gòu)鋼擴(kuò)散焊接。
5.按照權(quán)利要求1所述碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法，其特征在于所述成型劑為石臘、橡膠。
全文摘要
一種碳化鈦金屬陶瓷燒結(jié)同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接方法,其Al、Ti在粘結(jié)相中按重量比計,含量為3～15份;調(diào)節(jié)硬質(zhì)相TiC按體積比計,含量為50～75份,工藝中燒結(jié)階段:清潔結(jié)構(gòu)鋼表面;將金屬陶瓷粉末壓坯直接放在結(jié)構(gòu)鋼的清潔表面;對金屬陶瓷排粘:在300～600℃情況下去除成型劑;燒結(jié)保溫:以10℃～15℃/min的速度升到燒結(jié)溫度,保溫,實現(xiàn)金屬陶瓷燒結(jié)的同時與結(jié)構(gòu)鋼焊接成一體;以15℃～20℃/min的速度冷卻;調(diào)質(zhì)處理。它生產(chǎn)效率高、焊接強(qiáng)度高、不需專門焊接設(shè)備。
文檔編號C04B37/02GK1361084SQ00136038
公開日2002年7月31日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者關(guān)德慧, 于寶海, 孫超, 宮駿, 譚明暉, 裴志亮 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所