[发明专利]高性能激光焊接用铁基预合金化粉末及其应用和制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能激光焊接用铁基预合金化粉末及其应用和制备方法。

技术背景

金刚石工具广泛应用于石材加工、建筑工程、道路建设等行业，它由钢基体和金刚石刀头两部分组成。其传统制造方法主要是电镀、钎焊、烧结。冷压烧结主要用于小锯片，将刀头和基体同时进行冷压后烧结，其结合强度低，特别是高温强度低，承载能力差，在高速切削特别是干切时，锯片受热到高温时钎料软化，导致刀头脱落，易造成意外事故，伤害操作人员。采用高频焊将金刚石刀头钎焊在基体上，结合强度低，热影响区宽，且不适合高温及高强度要求的场合。

而采用激光焊接可将金刚石刀头和钢基体很好地熔合在一起，结合强度高且热影响区比较小，在使用时能承受高温和较大的冲击。激光焊接金刚石锯片及钻头，刀头和基体之间焊缝组织为熔融后的冶金结合。热影响区小，激光束聚焦光斑在0.2～0.3mm，焊缝仅为1～2mm宽，焊缝深度可以达到1.5～4mm。激光焊接锯片外观质量好，几何精度高、机械强度能适用于干切，克服了刀齿脱落的现象。基于此原因，激光焊接金刚石工具近年来飞速发展，美、日、韩及欧洲各国相继推广这一技术，来代替传统的钎焊金刚石工具。

激光焊接金刚石锯片主要分为通用工具和专业工具两大类。通用工具要求适用范围宽，多用于手动切割；专业工具则要求较强的锋利度和寿命，主要应用于公路、机场上的混凝土和沥青的切割。随着金刚石工具在石材加工、建筑、公路、机场以及机密加工、特种陶瓷和家居装饰等的应用进一步深入，国内和国际上军事设施的拆除或改建、桥梁改造、机场扩建、高速公路修建以及其他各项设施的更新修复增多，导致对激光焊接金刚石工具的需求量正在迅速增长。据预测，国际上激光焊接金刚石工具的需求量每年以高于20％的速度递增。

采用激光焊接金刚石工具时，由于高功率密度激光光斑的作用，金属将被熔化和汽化，而金刚石在这样的高温条件下易石墨化；且金刚石刀头为粉末冶金材料，当其直接与基体焊接时，在焊缝处极易出现气孔、空洞或裂纹，不但焊缝外观不合格，焊接强度也较低，根本达不到使用要求。因此为了保证金刚石刀头与基体材料的焊接性能，在钢基体与金刚石刀头间加入过渡层，通常有1.5-2mm的高度。激光焊接时过渡层熔化，钢基体和金刚石刀头结合处部分熔化，熔化后的合金液体相互融合形成焊缝，因此过渡层性能决定焊缝性能。

根据激光焊接金刚石工具使用性能与生产工艺的要求，激光焊接刀头过渡层必须满足下以下要求：足够高的焊接强度，良好的焊缝质量，合理的配方组分和最优的烧结温度，要满足锯切作业特性的要求，还要兼顾到锯片生产的工艺特点和经济性要求。此外，若金刚石刀头和过渡层的成分差别太大，则在两层交接处由于受热受力的不均匀而产生断裂。因此过渡层成分不仅要顾及其对激光的吸收情况及熔化的流动性，而且还要与金刚石刀头能良好结合，从而保证焊缝流畅、无裂缝、无气孔。

在以往的金刚石工具制造中由于Co作为与Fe同族的过渡元素，有着与Fe非常相似的晶体结构和性能，可以在焊接过程中与Fe形成有效的结合，适合作为过渡层元素。并且由于Co在高温下不容易氧化，焊缝气孔少，更适应激光焊接。同时，Co与金刚石之间有Co的碳化物和Co-C固溶体存在，能形成冶金结合，从而使Co基胎体对金刚石具有高的把持力。

钴粉有很好的焊接性，但由于价格昂贵，所以一直选用特殊的钴混合物。为解决过渡层较金刚石层易磨损，在切削过程中常先断裂的矛盾，在过渡层材料中加入少量的Mn和Cr，不仅能产生固溶强化，增加耐磨性，而且能减少气孔。此外，切削层和过渡层的成分如果差别太大，则在两层交界处由于受热受力的不均匀而易于断裂。因此，过渡层成分不仅要顾及焊接性能，而且还要照顾金刚石层的切削性能以及金刚石能良好结合。

激光焊接金刚石锯片刀头过渡层材料对焊缝强度、外观、性能均有很大影响，过渡层中不能含有低熔点金属，如锡等元素，因为该类元素易于蒸发与汽化而产生气孔。过渡层配方可选用单元素Co、Ni，双元素FeCo、FeNi、CoNi、FeCu等，也可选用FeCoNi三种组分构成。

在材料一定时，要使刀头性能优良，关键在于设法消除和减少其内部相结构中的缺陷，即孔隙，这可用增大合成压力、选择理想的烧结条件以改善粉末的收缩过程，用净化和细化粉末等方法来达到目的。随着压力和烧结温度的提高，粉末体孔隙由大到小，孔隙数量由多到少，孔隙由连通孔隙变化到封闭孔隙，这时刀头密度增加，粉末颗粒间作用面积不断增大，粉末颗粒之间不断咬合、绞结，形成很强的粉末颗粒间联结力，从而使刀头的硬度、强度增大，具有较好的机械性能。

发明内容