專利名稱：硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法及其銀基焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重型切削刀具，特別涉及重型切削刀具的硬質(zhì)合金刀片與 鋼質(zhì)基體焊接的方法，以及焊接所使用的銀基焊料。
背景技術(shù)：
重型切削刀具用于大型工件的加工，如船用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和大型軋輥 等的加工。重型切削刀具通常釆用將硬質(zhì)合金刀片焊接在鋼質(zhì)基體上的生 產(chǎn)方法，這種方法不僅可以解決整體合金難以加工的問(wèn)題，而且可以節(jié)約 很多昂貴的合金材料。
硬質(zhì)合金是難溶金屬材料(WC， TiC, TaC, NeC )與過(guò)渡金屬(Co, Ni, Fe)釆用粉末冶金的制作工藝而成的具有金屬特性的特殊工具材料。 它具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、抗化學(xué)腐蝕性、熱膨脹系數(shù)小和高溫 穩(wěn)定性等優(yōu)異的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬加工刀具、耐磨零件、機(jī)械零件、 航空航天和油田筑路等方面。正是硬質(zhì)合金的這些獨(dú)特的屬性，使硬質(zhì) 合金具有難加工和原材料價(jià)格高等特點(diǎn)。特別是對(duì)于大尺寸和形狀復(fù)雜的 產(chǎn)品，硬質(zhì)合金更是難以被應(yīng)用。因此，整體硬質(zhì)合金材料的應(yīng)用受到了 很大的限制。但是如果利用鋼材的易加工性和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，采用鋼質(zhì) 基體與硬質(zhì)合金刀片焊接的方法生產(chǎn)重型切削刀具，不僅可以大大提該高 硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品的壽命，而且可以大幅度地降低成本。目 前，對(duì)于小尺寸工件的產(chǎn)品，硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接基本采用高頻和氣 體焊接方式。這兩種焊接方法對(duì)小尺寸的產(chǎn)品，具有生產(chǎn)速度快簡(jiǎn)單易行 的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大尺寸的工件產(chǎn)品，這兩種焊接方法不再適用，而且由于 被焊接的產(chǎn)品尺寸大(超過(guò)900平方毫米)，在焊接的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)如下 的質(zhì)量問(wèn)題
1.焊接裂紋
由于硬質(zhì)合金刀片的熱膨脹系數(shù)為5 7xl0一與鋼質(zhì)基體的熱膨脹系 數(shù)13xl(^相差很多，在焊接的過(guò)程中由此而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，工件的
尺寸越大產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就越大，因此焊接后的工件內(nèi)部產(chǎn)生斷裂裂紋。
2. 氣孔、夾雜和氧化
在焊接的過(guò)程中，如果溫度過(guò)高會(huì)造成硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體和焊 料表面氧化，影響焊接強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)假焊的現(xiàn)象。但是如果溫度過(guò)低， 焊料流動(dòng)性不好，會(huì)造成氣孔或夾雜。所有這些因素都會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量下 降、壽命降低，甚至可能完全不能使用。
3. 焊接區(qū)域的強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到要求
在焊接的過(guò)程中，在硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體之間的中間相，由于硬 質(zhì)合金刀片中碳元素的擴(kuò)散到表面與焊料形成含碳的W、 Co、 Ni、 Fe等 中間非晶態(tài)玻璃相。該項(xiàng)化合物熔點(diǎn)低，具有玻璃體的性能，因此在硬質(zhì) 合金刀片焊接區(qū)域的強(qiáng)度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是提供一種硬質(zhì)合金重型切削刀具 的焊接方法，該焊接方法能有效避免焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接裂紋，從而確保
焊接質(zhì)量。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的硬質(zhì)合金重 型切削刀具的焊接方法，包括如下步驟①焊接區(qū)域表面處理，除去油 質(zhì)、雜質(zhì)和銹斑，并使硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體的焊接面具有一定的粗燥 度；②在硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體焊接面上涂放焊劑和銀基焊料后，將焊 接體一體放入真空加熱爐內(nèi)，焊接體上放置金屬塊配重；③向真空加熱
爐內(nèi)充入惰性氣體后，加溫至600 64(TC并保溫；④降溫至280 - 300
。C并保溫后，最終降至室溫完成焊接。
所述步驟③中，加溫升溫速度為1 ~ 5度/秒，保溫時(shí)間為1 ~ 3分鐘。 所述步驟④中，降溫速度為3~8度/秒，保溫時(shí)間為60~100分鐘。 本發(fā)明所要解決的另 一技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于上述硬質(zhì)合金重型
切削刀具的焊接方法的銀基焊料。該銀基焊料按重量百分比的組分為Ag
40~50%、 Cu 20~30%、 Zn 18~25%、 Sn 1 ~ 3%、 Ni 1 ~ 3% 、雜質(zhì)。 在上述技術(shù)方案中，所述雜質(zhì)和含量按重量百分比為S《0.02-0.1
% 、 P < 0. 01 ~ 0. 05 % 、 CK 0, 02 ~ 0. 1 % 、 N《0. 02 ~ 0. 1 % 。
本發(fā)明的有益效果是，能有效地避免避免焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接裂紋，
從而確保焊接質(zhì)量；銀基焊料熔點(diǎn)低、滋因性好，在焊接的過(guò)程中可降低 內(nèi)應(yīng)力，及防止材料表面氧化，保證均勻焊接。


本說(shuō)明書(shū)包括如下一幅附圖
圖1是本發(fā)明硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法中焊接溫度與時(shí)間 的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。 本發(fā)明重型切削刀具的焊接方法，包括如下步驟
① 焊接區(qū)域表面處理，除去油質(zhì)、雜質(zhì)和銹斑，并使硬質(zhì)合金刀片、 鋼質(zhì)基體的焊接面具有一定的粗燥度。粗燥度通常為RaO. 6 ~ 1. 6，硬質(zhì)合 金刀片的焊接面可采用50 ~ 100目的金剛石砂輪進(jìn)行磨削處理，鋼質(zhì)基體 的焊接面可采用噴砂或采用50-80目氧化鋁砂輪處理。
② 在硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體焊接面上涂放焊劑和銀基焊料后，將焊 接體一體放入真空加熱爐內(nèi)，焊接體上放置金屬塊配重。金屬塊配重的大 小取決于被焊接物體的尺寸，其作用是在焊料熔后在金屬塊配重和硬質(zhì)合 金刀片的重力下，可以使焊料在焊接面流動(dòng)，促使焊接均勻，還可防止在 高溫下硬質(zhì)合金刀片和金屬基體變形。
③ 向真空加熱爐內(nèi)充入惰性氣體后，加溫至600 - 640。C并保溫。加 溫升溫速度為1 ~ 5度/秒，保溫時(shí)間為1 - 3分鐘。
④ 降溫至280 ~ 30(TC并保溫后，最終降至室溫完成焊接。降溫速度 為3~8度/秒，保溫時(shí)間為60~ IOO分鐘。
焊接溫度及升溫速度對(duì)焊接強(qiáng)度及裂紋的影響非常大。加熱的速度太 快，焊接部分產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)品的強(qiáng)度降低。但是，如果加熱的速 度太慢，焊接表面會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，使產(chǎn)品焊接區(qū)出現(xiàn)氣泡，夾雜等，同 樣產(chǎn)品的強(qiáng)度也大大的降低。如何控制及選擇升溫速度，保溫時(shí)間及降溫 速度是非常關(guān)鍵的。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，確定了如圖1所示的焊接溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。
由于鋼材的熱膨脹系數(shù)是硬質(zhì)合金的一倍，在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大 的內(nèi)應(yīng)力。冷卻的速度越快，內(nèi)應(yīng)力就越大。因此在焊接的界面上除了有 很大的內(nèi)應(yīng)力外還有由于內(nèi)應(yīng)力而造成內(nèi)部斷裂裂紋。在正常狀態(tài)下，內(nèi) 應(yīng)力會(huì)處于一種靜態(tài)平衡狀態(tài)。但在外力的作用下，比如磨削，或在使用 過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力會(huì)集中某一點(diǎn)。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)品出現(xiàn)斷裂。 為了消除這些內(nèi)應(yīng)力隱患，在冷卻的過(guò)程中控制冷卻的速度是非常重要
的。參照?qǐng)D1，在280 300。C溫度下保溫60 100分鐘的過(guò)程對(duì)釋放內(nèi)應(yīng) 力起到關(guān)鍵的作用。在外界能量的作用下(溫度)焊接后的內(nèi)應(yīng)力逐漸由 內(nèi)部向外部釋放。原來(lái)平衡狀態(tài)下的應(yīng)力，在外部能量的驅(qū)動(dòng)下，開(kāi)始失 去平衡，并由高能量區(qū)(焊接產(chǎn)品內(nèi)部)向低能量區(qū)移動(dòng)(焊接產(chǎn)品的表 面)，最后能量在產(chǎn)品的焊接產(chǎn)品的表面釋放出去。因此，在一個(gè)特定的 回火溫度下，在一定的保溫時(shí)間內(nèi)，焊接區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力會(huì)逐漸的釋放，從 而有效的防止了由內(nèi)應(yīng)力所引起的斷裂。
本發(fā)明的銀基焊料按重量百分比的組分為Ag 40 ~ 50°/。、 Cu 20 ~ 30%、 Zn 18-25%、 Sn 1 ~ 3%、 Ni 1 ~ 3% 、雜質(zhì)。所述雜質(zhì)和含量按重量百分 比為S< 0. 02 ~ 0, 1 % 、 P《0. 01 ~ 0. 05% 、 O《0. 02 ~ 0. 1 % 、 N< 0. 02 ~ 0.1%。該銀基焊料具有熔點(diǎn)低、滋因性好的特點(diǎn)，在焊接的過(guò)程中可降 低內(nèi)應(yīng)力，及防止材料表面氧化，保證均勻焊接。該銀基焊料的特點(diǎn)是以 Ag、 Cu為基礎(chǔ)的低溫焊料，Ag、 Cu材料在熔化后與9SiCr工具鋼和硬 質(zhì)合金具有很好的滋潤(rùn)性。特別是在少量的Ni作用下，不僅可以可以增 加一定的焊接強(qiáng)度，而且對(duì)焊料的流動(dòng)性具有4艮大的幫助。
本申請(qǐng)人采用上述焊接方法和銀基焊料用于下述規(guī)格的重型切削刀 具的生產(chǎn)均取得了滿意的效果，鋼質(zhì)基體的規(guī)格寬45 47mm，厚20~ 22 mm,長(zhǎng)152 ~ 210mm;硬質(zhì)合金刀片規(guī)格寬22 ~ 24 mm，厚10 ~ 12 mm, 長(zhǎng)152 ~ 210隱。
實(shí)施例1:
鋼質(zhì)基體尺寸152 x 45 x 21,,硬質(zhì)合金刀片尺寸152x21x11mm。銀基焊料按重量百分比由下列成分組成Ag40%、 Cu30%、 Zn2 5%、 Sn2%、 Ni2%。
焊接溫度為64(TC,加溫升溫速度為l度/秒，保溫3分鐘。然后，降 溫至30(TC，降溫速度為3度/秒，保溫60分鐘，關(guān)電源隨爐冷卻到室溫。
檢測(cè)結(jié)果焊接區(qū)域完全填充，沒(méi)有空洞或空穴；焊料分布均勻，沒(méi) 有觀察到快壯的雜質(zhì)等；銀基焊料和鋼質(zhì)基體、硬質(zhì)合金刀片都呈現(xiàn)完好 的結(jié)合狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何縫隙。
實(shí)施例2:
鋼質(zhì)基體尺寸210 x 45 x 21mm，硬質(zhì)合金刀片尺寸210x21x11mm。
銀基焊料按重量百分比由下列成分組成Ag45%、 Cu25%、 Zn25%、 Sn 2°/。、 Ni2%。
焊接溫度為620°C，加溫升溫速度為3度/秒，保溫2分鐘。然后，降 溫至29(TC，降溫速度為6度/秒，保溫80分鐘，關(guān)電源隨爐冷卻到室溫。
檢測(cè)結(jié)果焊接區(qū)域完全填充，沒(méi)有空洞或空穴；焊料分布均勻，沒(méi) 有觀察到快壯的雜質(zhì)等；銀基焊料和鋼質(zhì)基體、硬質(zhì)合金刀片都呈現(xiàn)完好 的結(jié)合狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何縫隙。
實(shí)施例3:
鋼質(zhì)基體尺寸210x45x21醒，硬質(zhì)合金刀片尺寸210x21x11隱。
銀基焊料按重量百分比由下列成分組成Ag 50%、 Cu 20%、 Zn25%、 Sn 2%、 M 2%。
焊接溫度為60(TC，加溫升溫速度為5度/秒，保溫3分鐘。然后，降 溫至28(TC,降溫速度為8度/秒，保溫100分鐘，關(guān)電源隨爐冷卻到室溫。
檢測(cè)結(jié)果焊接區(qū)域完全填充，沒(méi)有空洞或空穴；焊料分布均勻，沒(méi) 有觀察到快壯的雜質(zhì)等；銀基焊料和鋼質(zhì)基體、硬質(zhì)合金刀片都呈現(xiàn)完好 的結(jié)合狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何縫隙。
權(quán)利要求
1.硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法，包括如下步驟①焊接區(qū)域表面處理，除去油質(zhì)、雜質(zhì)和銹斑，并使硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體的焊接面具有一定的粗燥度；②在硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體焊接面涂放焊劑和銀基焊料后，將焊接體一體放入真空加熱爐內(nèi)，焊接體上放置金屬塊配重；③向真空加熱爐內(nèi)充入惰性氣體后，加溫至600～640℃并保溫；④降溫至280～300℃并保溫后，最終降至室溫完成焊接。
2. 如權(quán)利要求1所述硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是: 所述步驟③中，加溫升溫速度為1 ~ 5度/秒，保溫時(shí)間為1 ~ 3分鐘。
3. 如權(quán)利要求2所述硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是 所述步驟④中，降溫速度為3~8度/秒，保溫時(shí)間最少為60~100分鐘。
4. 如權(quán)利要求1所述硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法，其特征是 所述步驟①中，硬質(zhì)合金刀片的焊接面采用50~100目的金剛石砂輪進(jìn)行 磨削處理，鋼質(zhì)基體的焊接面采用噴砂處理。
5. 用于如權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊 接方法的銀基焊料，其特征是所述銀基焊料按重量百分比的組分為Ag 40 ~ 50%、 Cu 20 ~ 30%、 Zn 18 ~ 25%、 Sn 1 ~ 3%、 Ni 1 ~ 3% 、雜質(zhì)。
6. 如權(quán)利要求5所述銀基焊料，其特征是所述雜質(zhì)和含量按重量百 分比為S < 0. 02 ~ 0. 1 % 、 P《0. 01 ~ 0. 05 % 、 CK 0, 02 ~ 0. 1 % 、 N《0. 02 ~ 0. 1 % 。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種硬質(zhì)合金重型切削刀具的焊接方法及其銀基焊料，該焊接方法和銀基焊料能有效避免焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接裂紋，從而確保重型切削刀具的焊接質(zhì)量。該焊接方法，包括如下步驟焊接區(qū)域表面處理，除去油質(zhì)、雜質(zhì)和銹斑，并使焊接面具有一定的粗燥度；在硬質(zhì)合金刀片、鋼質(zhì)基體焊接面涂放焊劑和銀基焊料后，將焊接體一體放入真空加熱爐內(nèi)，焊接體上放置金屬塊配重；向真空加熱爐內(nèi)充入惰性氣體后，加溫至600～640℃并保溫；降溫至280～300℃并保溫后，最終降至室溫完成焊接。所述銀基焊料按重量百分比的組分為Ag 40～50％、Cu 20～30％、Zn18～25％、Sn 1～3％、Ni 1～3％、雜質(zhì)。
文檔編號(hào)B23K1/008GK101342626SQ20081004599
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者朝 王 申請(qǐng)人:朝 王