一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，属于焊接技术领域。其包括：将Ti(C,N)基金属陶瓷材料制成生坯后，经真空烧结后制成梯度金属陶瓷；将梯度金属陶瓷、金属钎料和钢依次叠放后对其进行钎焊。本发明专利技术在金属陶瓷/钢焊接件的金属陶瓷表面侧原位构建梯度结构，着眼于金属陶瓷表面，在金属陶瓷制备过程中就构建可控梯度结构，简化工艺，节约成本，提高焊接效率，且该法可大大提高金属陶瓷工件的服役可靠性，促进金属陶瓷材料应用于更广泛工程之中。

A preparation method of Ti (C, n) - based ceramic / Steel Weldment

【技术实现步骤摘要】
一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法
本专利技术涉及焊接
，具体涉及一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法。
技术介绍
Ti(C,N)基金属陶瓷因其具有高硬度与红硬性、低比重、高耐磨耐蚀性等优异性能被视为WC基硬质合金在刀具、模具、耐磨耐蚀零件等领域的理想替代材料之一。由于Ti(C,N)基金属陶瓷强韧性和加工性能欠佳，将其与韧性较高、可承受冲击载荷大的钢等金属材料连接可发挥各自的优势。钎焊是应用最广泛的金属陶瓷与钢的连接方法，润湿性和残余应力是钎焊过程中的面临的主要问题。由于金属陶瓷含有一定体积的金属相，因而钎料对基体的润湿性问题不再突出。然而，由于金属陶瓷的热膨胀系数、弹性模量、屈服极限、泊松比等物理力学性能与金属材料和钎料存在较大的差异，在钎焊界面处易产生较大的残余热应力。高应力梯度对接头的可靠性十分不利，将导致接头强度的大幅降低，造成接头在低应力服役工况下甚至钎焊冷却过程中出现裂纹。目前金属陶瓷/钢钎焊残余应力的缓解途径多是通过钎料结构与成分的调整和焊接工艺的优化以降低界面物理力学性能的不匹配性，包括通过特种钎焊方式和工艺优化实现达到缓解应力目的和采用特种钎料缓解应力。其中，采用特种钎焊方式和工艺优化的处理方式：是将均质金属陶瓷、普通钎料和钢进行特殊钎焊，如炉中钎焊、真空钎焊等完成焊接，这种的处理方式残余应力缓解效果一般；钎焊设备依赖性较大；焊接工艺参数调控复杂；焊接效率和工艺便捷性不高。采用特种钎料缓解应力：是将均质金属陶瓷和钢以普通钎焊方式进行焊接，但钎料为复合钎料、梯度钎料和复合中间层等特殊钎料。中间层是为了缓解残余应力而加入到钎料中的不完全熔化的过渡层；复合钎料则是在较软的基础钎料中加入颗粒、纤维、晶须等硬质相增强体，利用基础钎料良好的塑韧性以及增强体的高温强度和低热膨胀系数，改变二者的组成比例调节母材的物理力学性能失配程度，以此缓解应力；梯度钎料本身就是钎料在母材之间的梯度分布，可以就成分、组织等方面入手减小母材性质失配所引起的残余应力。采用特种钎料残余应力缓解效果好；为提高界面连续程度，中间层或梯度钎料层数增多，制备工艺复杂；复合钎料中增强相和梯度钎料中陶瓷相的分布可控性差，且增强相或陶瓷相的引入在降低钎料热膨胀系数的同时也会增加其弹性模量，从而影响焊接应力；特种钎料成本较高；焊接工艺较复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，以解决现有Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接过程中，彼此之间的残余应力缓解效果不高、工艺处理复杂且钎料成本高的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，包括以下步骤：将Ti(C,N)基金属陶瓷材料制成生坯后，经真空烧结后制成梯度金属陶瓷；将梯度金属陶瓷、金属钎料和钢依次叠放后对其进行钎焊。本专利技术通过构建表面具有结构和成分可控连续富金属相梯度层的金属陶瓷材料，实现金属陶瓷/钎料界面连续化，提高界面微观组织结构与物理力学性能的连续性，从达实现缓解焊接残余应力的目的。其中，Ti(C,N)基金属陶瓷真空烧结过程中的脱氮环境会引起金属陶瓷表面与内部的氮势差，内部氮势高于表层，N元素从内部向外部迁移；体系中N含量越低，液相数量越少；内部液相量大于表层，导致金属粘结相随N元素迁移而发生从内部向表面的体积扩散；Ti等元素因与N元素有强烈的热力学耦合作用，为形成稳定的化合物而向内部扩散；最终在金属陶瓷表面形成富金属相、贫陶瓷相的梯度结构。并且，在Ti(C,N)基金属陶瓷烧结制备过程中，通过烧结工艺控制，在金属陶瓷表面形成一个富金属相而贫陶瓷相的可控梯度层。该梯度层的化学成分、物相组成和物理力学性能从金属陶瓷基体内部到表面呈连续梯度变化，其具有与金属钎料更加接近的物理和化学性能，以消除金属陶瓷与金属钎料层之间的宏观界面，提高金属陶瓷/钎料界面微观组织结构与物理力学性能的连续性。表面梯度层的存在将金属陶瓷与金属钎料的连接问题转化为金属与金属之间的连接问题，显著改善了金属陶瓷与钎料之间的组织和性能的匹配性，进而达到缓解界面残余应力的目的。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述Ti(C,N)基金属陶瓷材料包括：按重量百分比计，Ni5-15wt％、Co5-15wt％、Mo2C5-15wt％、WC5-15wt％，TiC0.5N0.5余量。本专利技术的Ti(C,N)基金属陶瓷材料采用Ni和Co作为复合金属粘接剂(总粘接剂含量为10-30wt％，Ni:Co＝1:1)，形成NiCo固溶体提高粘接相的韧性，采用WC和Mo2C作为添加剂(WC和Mo2C总含量10-30wt％，WC：Mo2C＝1:1)，改善金属粘接剂对TiC0.5N0.5相的润湿性，提高材料的强韧性。TiC0.5N0.5的比例为余量，本专利技术采用强度和N含量更高的TiC0.5N0.5，而不是目前制备工艺更成熟和性能够稳定TiC0.7N0.3，是由于更高的N含量更易于Ti(C,N)分解和N的扩散形成表面梯度层，TiC0.5N0.5分解损失部分N后，仍能构成Ti-C-N体系的稳定，保证体系的足够N含量和材料的性能。若烧结体系中TiC0.5N0.5含量太高，或者Ti(C,N)成分中N含量太高，导致金属陶瓷烧结变形和烧结应力过大而不利于控制材料性能的稳定。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述制成生坯的步骤包括：将上述Ti(C,N)基金属陶瓷材料经球磨、过200-400目筛网过滤，对过滤后的浆料进行干燥处理；干燥后的粉料经过600-800目筛网过筛后制粒；制粒后的粉料在200-500MPa压力下压制成生坯。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述球磨的条件为：球磨介质为120号溶剂汽油，按照每100gTi(C,N)基金属陶瓷材料加入80-150ml球磨介质；球磨速度为60-120r/min，研磨合金球为直径直径为6-8mm的WC-8wt％Co(表示：含8wt％钴的碳化钨)，球料比为5:1-15:1，并加入石蜡，其加入量是Ti(C,N)基金属陶瓷材料的10-15wt％；球磨时间为48-72h。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述干燥处理的条件为：干燥温度为90-120℃；真空度为10-15Pa；干燥时间为2-5h。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述真空烧结的步骤为：(1)第一阶段：真空度为15-20Pa下，烧结温度为350-650℃，保温处理2-5h；(2)第二阶段：真空度为10-15Pa下，烧结温度为800-1000℃，保温处理1-2h；(3)第三阶段：真空度为1-5Pa下，烧结温度为1050-1250℃，保温处理1-2h；(4)第四阶段：真空度为1-5Pa下，烧结温度为1350-1450℃，保温处理1.5-3h。本专利技术的烧结过程：第一阶段：350-650℃温度下脱掉成型剂石蜡，因为金属陶瓷密度更低，为提高金属陶瓷的压制性能，金属陶瓷中成型剂石蜡的加入量稍多于普通硬质合金，所以脱成型剂的温度稍高，时间稍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Ti(C,N)基金属陶瓷材料制成生坯后，经真空烧结后制成梯度金属陶瓷；将梯度金属陶瓷、金属钎料和钢依次叠放后对其进行钎焊。/n

【技术特征摘要】
1.一种Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Ti(C,N)基金属陶瓷材料制成生坯后，经真空烧结后制成梯度金属陶瓷；将梯度金属陶瓷、金属钎料和钢依次叠放后对其进行钎焊。


2.根据权利要求1所述的Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在于，所述Ti(C,N)基金属陶瓷材料包括：按重量百分比计，Ni5-15wt％、Co5-15wt％、Mo2C5-15wt％、WC5-15wt％，TiC0.5N0.5余量。


3.根据权利要求2所述的Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在于，制成生坯的步骤包括：将所述Ti(C,N)基金属陶瓷材料经球磨、过200-400目筛网过滤，对过滤后的浆料进行干燥处理；干燥后的粉料经过600-800目筛网过筛后制粒；制粒后的粉料在200-500MPa压力下压制成生坯。


4.根据权利要求3所述的Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在于，球磨的条件为：球磨介质为120号溶剂汽油，按照每100gTi(C,N)基金属陶瓷材料加入80-150ml球磨介质；球磨速度为60-120r/min，研磨合金球为直径为6-8mm的WC-8wt％Co，球料比为5:1-15:1，并加入石蜡，其加入量是Ti(C,N)基金属陶瓷材料的10-15wt％；球磨时间为48-72h。


5.根据权利要求4所述的Ti(C,N)基金属陶瓷/钢焊接件的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：万维财，王杰，王宗元，李玉和，樊坤阳，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51