一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法

　　【技術領域】

　　[0001 ]本發明涉及釬焊硬質合金和鋼的方法。

　　【背景技術】

　　[0002]硬質合金具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕、線膨脹系數小等特點，特別適合做工具材料，同時由于其韌性較差，脆性較高，不能對其進行普通機械加工，因此將硬質合金制造形狀復雜的制品非常困難，成本也很高，其應用范圍受到極大的限制。用焊接的方法將硬質合金鑲嵌在鋼基體上使用能夠很好解決硬質合金成本高、形狀簡單、尺寸有限、韌性差等不足，這樣擴大了硬質合金的應用范圍，具有重要的實用價值。

　　[0003]由于硬質合金中的鈷很容易形成氧化物，鈷被氧化后，其粘接性能大大降低，使硬質合金的強度、沖擊韌性大大降低，嚴重時還會使硬質合金層層脫落，成為廢品。故而焊接過程中需保持較高的真空度。真空釬焊除了可以有效解決鈷的氧化問題，還因不使用釬劑，所以不易出現氣孔、夾雜等缺陷，節省工序、減少使用釬劑帶來的污染。

　　[0004]然而真空釬焊硬質合金具有嚴重的焊接殘余應力大的問題。殘余應力的存在，使硬質合金的強度、耐磨性急劇下降，導致硬質合金工具的使用性能大打折扣，甚至因硬質合金的斷裂或脫落而失效。傳統釬料難以滿足上述要求。因此，迫切需要開發一種新型釬料，以滿足以上要求。

　　【發明內容】

　　[0005]本發明要解決現有真空釬焊硬質合金焊接殘余應力大的問題，而提供一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法。

　　[0006]—種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，具體是按照以下步驟進行的:

　　[0007]—、將金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在溫度為60°C?80°C的條件下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末；

　　[0008]所述的金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒的質量比為1:(5?10);

　　[0009]二、將混合粉末置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為ISsccm?22Sccm通入氫氣，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為185Pa?215Pa，并在壓強為185Pa?215Pa和氫氣氣氛下，30min內將溫度升溫至550°C?600°C;

　　[0010]三、通入碳源氣體，調節氫氣的氣體流量為lOsccm，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?700Pa，然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，將溫度降溫至500°C?550°C，然后停止通氫氣，抽真空，冷卻至室溫，得到初始CNTs/金屬混合粉末，再將初始CNTs/金屬混合粉末與混合粉末混合，得到CNTs/金屬混合粉末；

　　[0011 ] 所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為1.5%?7.5% ;

　　[0012]四、在壓力為4t?8t的條件下，用壓片機將CNTs/金屬混合粉末壓制，得到釬料箔片;

　　[0013]當釬料箔片為CNTs/CuSnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錫粉末和鎳粉末；

　　[0014]當釬料箔片為CNTs/CuMoCo釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、鉬粉末和鈷粉末；

　　[0015]當釬料箔片為CNTs/CuMnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錳粉末和鎳粉末；

　　[0016]五、將釬料箔片置于硬質合金和鋼的待焊面之間，并置于釬焊真空爐中，抽真空，以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1000°C?1100°C，并在溫度為1000°C?1100°C下，保溫5min?30min，冷卻，即完成硬質合金及鋼材的釬焊。

　　[0017]本發明的有益效果是:

　　[0018]本發明采用PECVD法制備的CNTs/釬料，可在低溫下制的CNTs均勻分散，結構完整的高性能碳納米管增強釬料。由于碳納米管具有極高的彈性模量和拉伸強度、線膨脹系數低、韌性良好，釬焊過程中，釬料基體可以向碳納米管進行應力及載荷的傳遞，故而可以有效的改善硬質合金與鋼連接中殘余應力大的問題，實現硬質合金與鋼的高質量連接。綜上本發明采用碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼具有以下優點:

　　[0019]1、本發明采用等離子體增強化學氣相沉積方法低溫原位生長碳納米管，解決了復合釬料中碳納米管的不完整和分散不均勻問題，避免了復合釬料中碳納米管的團聚；

　　[0020]2、本發明可以將碳納米管作為增強體摻入到復合釬料中，可以緩解硬質合金與鋼連接中接頭的熱應力，提高接頭的力學性能，擴大了硬質合金的應用范圍，具有重要的實用價值。

　　[0021 ] 3、本發明簡單、高效，且成本較低，非常利于工業化生產。

　　[0022]本發明用于一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法。

　　【附圖說明】

　　[0023]圖1為實施例一步驟四得到的CNTs/CuMnNi釬料箔片的掃描電鏡圖。

　　【具體實施方式】

　　[0024]本發明技術方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。

　　[0025]【具體實施方式】一:本實施方式所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，具體是按照以下步驟進行的:

　　[0026]一、將金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在溫度為60°C?80°C的條件下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末；

　　[0027]所述的金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒的質量比為1:(5?10);

　　[0028]二、將混合粉末置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為ISsccm?22Sccm通入氫氣，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為185Pa?215Pa，并在壓強為185Pa?215Pa和氫氣氣氛下，30min內將溫度升溫至550°C?600°C;

　　[0029]三、通入碳源氣體，調節氫氣的氣體流量為lOsccm，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?700Pa，然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，將溫度降溫至500°C?550°C，然后停止通氫氣，抽真空，冷卻至室溫，得到初始CNTs/金屬混合粉末，再將初始CNTs/金屬混合粉末與混合粉末混合，得到CNTs/金屬混合粉末；

　　[0030]所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為1.5%?7.5% ;

　　[0031 ]四、在壓力為4t?8t的條件下，用壓片機將CNTs/金屬混合粉末壓制，得到釬料箔片;

　　[0032]當釬料箔片為CNTs/CuSnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錫粉末和鎳粉末；

　　[0033]當釬料箔片為CNTs/CuMoCo釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、鉬粉末和鈷粉末；

　　[0034]當釬料箔片為CNTs/CuMnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錳粉末和鎳粉末；

　　[0035]五、將釬料箔片置于硬質合金和鋼的待焊面之間，并置于釬焊真空爐中，抽真空，以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1000°C?1100°C，并在溫度為1000°C?1100°C下，保溫5min?30min，冷卻，即完成硬質合金及鋼材的釬焊。

　　[0036]本實施方式步驟三通過調節氫氣的氣體流量為lOsccm，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?700Pa，然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min，可以使得初始CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數最大值高于7.5%，最小值高于1.5%,因此，再將初始CNTs/金屬混合粉末與未進行PECVD處理的混合粉末混合，使得CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為1.5%?7.5%。

　　[0037]本實施方式的有益效果是:

　　[0038]本實施方式采用PECVD法制備的CNTs/釬料，可在低溫下制的CNTs均勻分散，結構完整的高性能碳納米管增強釬料。由于碳納米管具有極高的彈性模量和拉伸強度、線膨脹系數低、韌性良好，釬焊過程中，釬料基體可以向碳納米管進行應力及載荷的傳遞，故而可以有效的改善硬質合金與鋼連接中殘余應力大的問題，實現硬質合金與鋼的高質量連接。綜上本實施方式采用碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼具有以下優點:

　　[0039]1、本實施方式采用等離子體增強化學氣相沉積方法低溫原位生長碳納米管，解決了復合釬料中碳納米管的不完整和分散不均勻問題，避免了復合釬料中碳納米管的團聚；

　　[0040]2、本實施方式可以將碳納米管作為增強體摻入到復合釬料中，可以緩解硬質合金與鋼連接中接頭的熱應力，提高接頭的力學性能，擴大了硬質合金的應用范圍，具有重要的實用價值。

　　[0041 ] 3、本實施方式簡單、高效，且成本較低，非常利于工業化生產。

　　[0042]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中所述的碳源氣體為甲烷氣體。其它與【具體實施方式】一相同。

　　[0043]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是:步驟五中所述的硬質合金為YG8或YG6C;步驟五中所述的鋼為16Mn或40Cr。其它與【具體實施方式】一或二相同。

　　[0044]【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:步驟三中然后在射頻功率為160W?175W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min。其它與【具體實施方式】一至三相同。

　　[0045]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:步驟三中然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為15min?20min。其它與【具體實施方式】一至四相同。

　　[0046]【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:步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為3%?4.5%。其它與【具體實施方式】一至五相同。

　　[0047]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是:步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為4.5%?6%。其它與【具體實施方式】一至六相同。

　　[004

　　8]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是:步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為6%?7.5%。其它與【具體實施方式】一至七相同。

　　[0049]【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:步驟五中以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1045°C?1060°C，并在溫度為1045°C?1060°C下，保溫15min?30min。其它與【具體實施方式】一至八相同。

　　[0050]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是:步驟五中以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1060°C?1075°C，并在溫度為1060°C?1075°C下，保溫15min?30min。其它與【具體實施方式】一至九相同。

　　[0051]采用以下實施例驗證本發明的有益效果:

　　[0052]實施例一:

　　[0053]本實施例所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，具體是按照以下步驟進行的:

　　[0054]一、將金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在溫度為70°C的條件下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末；

　　[0055]所述的金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒的質量比為1:8;

　　[0056]所述的金屬粉末為銅粉末、錳粉末和鎳粉末;所述的銅粉末與錳粉末的質量比為80:15;所述的銅粉末與鎳粉末的質量比為80:5;

　　[0057]二、將混合粉末置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為ISscccm通入氫氣，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為200Pa，并在壓強為200Pa和氫氣氣氛下，30min內將溫度升溫至570°C ；

　　[0058]三、通入碳源氣體，調節氫氣的氣體流量為lOsccm，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為600Pa，然后在射頻功率為175W、壓強為600Pa和溫度為570°C的條件下進行沉積，沉積時間為15min，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，將溫度降溫至550°C，然后停止通氫氣，抽真空，冷卻至室溫，得到初始CNTs/金屬混合粉末，再將初始CNTs/金屬混合粉末與混合粉末混合，得到CNTs/金屬混合粉末；

　　[0059]所述的碳源氣體為甲烷；

　　[0060]所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為3%;

　　[0061 ]四、在壓力為5t的條件下，用壓片機將CNTs/金屬混合粉末壓制，得到CNTs/CuMnNi釬料箔片；

　　[0062]五、將CNTs/CuMnNi釬料箔片置于硬質合金和鋼的待焊面之間，并置于釬焊真空爐中，抽真空，以升溫速度為10°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1060°C，并在溫度為10601下，保溫20min，冷卻，得到硬質合金與鋼的連接體，即完成硬質合金及鋼材的釬焊；

　　[0063]所述的硬質合金為YG8，所述的鋼為40Cr。

　　[0064]經測試YG8和40Cr接頭的平均抗彎強度為580MPa。

　　[0065]圖1為實施例一步驟四得到的CNTs/CuMnNi釬料箔片的掃描電鏡圖；由圖可知，生長的碳納米管長度較長，分布均勻，密度適中，利于釬料基體向碳納米管進行應力及載荷的傳遞，故而可以有效的改善硬質合金與鋼連接中殘余應力大的問題。

　　[0066]實施例二:

　　[0067]本實施例所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，具體是按照以下步驟進行的:

　　[0068]一、將金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在溫度為70°C的條件下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末；

　　[0069]所述的金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒的質量比為1:8;

　　[0070 ]所述的金屬粉末為銅粉末、鉬粉末和鈷粉末;所述的銅粉末與鉬粉末的質量比為85:10；所述的銅粉末與鈷粉末的質量比為85:5;

　　[0071 ] 二、將混合粉末置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為ISscccm通入氫氣，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為200Pa，并在壓強為200Pa和氫氣氣氛下，30min內將溫度升溫至580°C ；

　　[0072]三、通入碳源氣體，調節氫氣的氣體流量為lOsccm，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為600Pa，然后在射頻功率為175W、壓強為600Pa和溫度為580°C的條件下進行沉積，沉積時間為15min，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，將溫度降溫至500°C，然后停止通氫氣，抽真空，冷卻至室溫，得到初始CNTs/金屬混合粉末，再將初始CNTs/金屬混合粉末與混合粉末混合，得到CNTs/金屬混合粉末；

　　[0073]所述的碳源氣體為甲烷；

　　[0074]所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為3.5%；

　　[0075]四、在壓力為5t的條件下，用壓片機將CNTs/金屬混合粉末壓制，得到CNTs/CuMoCo釬料箔片；

　　[0076]五、將CNTs/CuMoCo釬料箔片置于硬質合金和鋼的待焊面之間，并置于釬焊真空爐中，抽真空，以升溫速度為10°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1090°C，并在溫度為10901下，保溫15min，冷卻，得到硬質合金與鋼的連接體，即完成硬質合金及鋼材的釬焊；

　　[0077]步驟五中所述的硬質合金為YG6C;所述的鋼為16Mn;

　　[0078]經測試YG8和40Cr接頭的平均抗彎強度為293MPa。

　　【主權項】

　　1.一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于它是按照以下步驟進行的: 一、將金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在溫度為60°C?80°C的條件下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末； 所述的金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒的質量比為1: (5?10); 二、將混合粉末置于等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中，抽真空后，以氣體流量為18sccm?22sccm通入氫氣，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為185Pa?215Pa，并在壓強為185Pa?215Pa和氫氣氣氛下，30min內將溫度升溫至550°C?600°C; 三、通入碳源氣體，調節氫氣的氣體流量為10s c c m，調節碳源氣體的氣體流量為40sCCm，調節等離子體增強化學氣相沉積真空裝置中壓強為500Pa?700Pa，然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min，關閉射頻電源和加熱電源，停止通入碳源氣體，將溫度降溫至500°C?550°C，然后停止通氫氣，抽真空，冷卻至室溫，得到初始CNTs/金屬混合粉末，再將初始CNTs/金屬混合粉末與混合粉末混合，得到CNTs/金屬混合粉末； 所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為1.5%?7.5% ； 四、在壓力為4t?8t的條件下，用壓片機將CNTs/金屬混合粉末壓制，得到釬料箔片； 當釬料箔片為CNTs/CuSnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錫粉末和鎳粉末； 當釬料箔片為CNTs/CuMoCo釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、鉬粉末和鈷粉末； 當釬料箔片為CNTs/CuMnNi釬料箔片時，步驟一中所述的金屬粉末為銅粉末、錳粉末和鎳粉末； 五、將釬料箔片置于硬質合金和鋼的待焊面之間，并置于釬焊真空爐中，抽真空，以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1000°C?1100°C，并在溫度為1000°C?1100°C下，保溫5min?30min，冷卻，即完成硬質合金及鋼材的釬焊。2.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中所述的碳源氣體為甲烷氣體。3.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟五中所述的硬質合金為YG8或YG6C ；步驟五中所述的鋼為16Mn或40Cr。4.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中然后在射頻功率為160W?175W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為lOmin?30min。5.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中然后在射頻功率為150W?200W、壓強為500Pa?700Pa和溫度為550°C?600°C的條件下進行沉積，沉積時間為15min?20min。6.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為3%?4.5%。7.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為4.5%?6%。8.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟三中所述的CNTs/金屬混合粉末中CNTs的體積百分數為6%?7.5%。9.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟五中以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1045°C?1060°C，并在溫度為1045°C?1060°C下，保溫15min?30min。10.根據權利要求1所述的一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，其特征在于步驟五中以升溫速度為5°C/min?15°C/min，將釬焊真空爐的溫度升溫至1060°C?1075°C，并在溫度為1060°C?1075°C下，保溫15min?30min。

　　【專利摘要】一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法，本發明涉及釬焊硬質合金和鋼的方法。本發明要解決現有真空釬焊硬質合金焊接殘余應力大的問題。本發明的方法：首先金屬粉末和六水硝酸鎳顆粒混合，然后加入到無水乙醇中，在一定溫度下，磁力攪拌至無水乙醇全部揮發，得到混合粉末，然后將混合粉末利用等離子體增強化學氣相沉積法制備CNTs/金屬混合粉末，將CNTs/金屬混合粉末壓片，并置于硬質合金和鋼的待焊面之間，真空釬焊。本發明用于一種碳納米管輔助釬焊硬質合金和鋼的方法。

　　【IPC分類】B23K1/19, B23K35/40, B23K35/30, B23K103/04, B23K1/008

　　【公開號】CN105478944

　　【申請號】CN201511009350

　　【發明人】亓鈞雷, 陳樹林, 羅大林, 林景煌, 劉瑜琳, 馮吉才

　　【申請人】哈爾濱工業大學

　　【公開日】2016年4月13日

　　【申請日】2015年12月28日