CN101549444A - 钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法。以Cu为基础合金成分，添加Ni、Zr、Ti元素构成高温铜基活性钎料，成分按重量百分比计：Cu：90－79.5，Ni：4－5，Zr：1－5.5，Ti：5－10。钎料的制备方法是：采用颗粒大小为180－200μm，纯度为99.99％的Cu、Ni、Zr、Ti金属按优化试验配比组合，Cu：90－79.5，Ni：4－5，Zr：1－5.5，Ti：5－10，均匀混合后放入高真空钎焊炉中熔炼，真空度值小于2.9×10^－3Pa，熔炼温度控制在1050－1150℃，保温时间为约10分钟。从而获得一种熔点较高，综合性能优良，成本低廉的高温铜基活性钎料。

Description

钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，简称c-BN)的硬度仅次于金刚石，具有优越的物理、化学、力学和热稳定性能，在大气中加热至1000℃时不发生氧化，尤其是不存在着金刚石制品和工具加工黑色铁基合金材料发生反应的局限性，成为新一代超硬材料，被国际材料界作为金刚石的替代材料。c-BN制品和工具非常适合加工黑色铁基合金材料，如淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢和钛合金等高硬度韧性大的金属材料。特别是近年来随着技术创新与高技术产品的不断涌现，零件的加工精度与表面完整性要求愈来愈高。例如，录像头、影碟机等精密零件的加工精度已提高到0.01um，激光陀螺平面反射镜的平面度误差要求小于0.01um，汽车凸轮轴和发动机内腔的表面粗糙度要求达到Ra0.005um-0.01um。传统技术与加工材料(如采用硬质合金刀具和Al₂O₃砂轮磨削进行生产)难以满足生产需要，超硬材料替代传统硬质材料用于生产日趋明显。而在钻探方面，c-BN对勘探铁矿床、中低温硫化矿床以及含有铁质的氧化带的矿床和在未来高温深井钻探与地热钻探等方面亦具有广阔的应用前景。

c-BN的延性和冲击韧度低，机械加工性能差；同时，c-BN与金属原子键结构的不同，表现出非常稳定的电子配位，很难被熔化的液态金属所润湿，一般焊接材料很难实现c-BN与其他金属的连接，限制其二次开发应用。目前c-BN制品和工具多采用烧结或电镀工艺制造。采用烧结或电镀工艺制造的c-BN制品和工具，c-BN磨粒只是被机械包埋镶嵌在结合层金属中，与基体材料间作用力较弱，当c-BN制品和工具在工作期间受到外部较大的冲击力作用，起耐磨作用的c-BN很容易被敲落下来，降低制品和工具的使用寿命。电镀制备c-BN制品和工具，还会对环境造成严重污染。

采用先进的现代连接技术制备c-BN制品和工具是近几年发展起来的一项高新技术。20世纪90年代末，随着先进的现代连接技术的发展，c-BN之间及其与其它金属的连接成为钎焊界研究的热点和前沿之一，美国、俄罗斯、白俄罗斯、德国和日本等已开始尝试采用钎焊技术制备c-BN制品和工具。国外关于c-BN材料的连接研究的最初报道是在1999年。C.M.Sung、Jan.Felba等人采用真空钎焊技术，使用银基钎料制备c-BN砂轮。研究发现，钎料与c-BN界面上发生了诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用，从根本上改善了c-BN、钎料、基体(钢)三者间的结合强度。银基钎料制备的c-BN砂轮与传统烧结或电镀制备的c-BN砂轮比较，c-BN、钎料、基体(钢)三者间的结合强度提高30-40％。德国唯一能够研发、制造和维修各种军用和民用发动机部件的MTU慕尼黑公司，开展了在高压涡轮机中采用永久耐磨防护发动机叶片的可行性研究。MTU慕尼黑公司的研究人员研究了三种不同方法的适应性：1.电镀c-BN细单晶；2.等离子喷涂ZrO2；3.钎焊c-BN细单晶。结果表明，用银基钎料将c-BN细单晶钎焊在钛合金表面可使结合强度最大、最耐腐蚀与耐磨。银基钎料钎焊制备c-BN工具和制品，成本高，工作温度低，制品和工具的高温性能与c-BN的热稳定性不匹配，不能满足c-BN作为高温耐磨材料的要求。尤其是近几年，c-BN用作发动机活塞环、燃气轮机的发动机、压缩机的叶片表面形成具有永久的耐磨性和耐氧化性超硬涂层，因此高温钎料钎焊制备c-BN制品和工具成为发展趋势。中国发明专利200610016981.4介绍了一种(Ti5-15、Sn6-12、Cu余量)含Ti的铜基活性钎料制备c-BN复合材料的方法。Ti是活性极强的元素，钎焊过程中保证活性元素的活性和对活性元素的保护是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是提供熔点较高，综合性能优良，成本低廉的钎焊c-BN制品和工具的高温铜基活性钎料。通过高温钎焊的方法，将c-BN与钢基体连接起来，制造高精度、高效率的制品、工具及高温耐磨复合材料与部件。

本发明的上述目的是这样实现的：

一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料，以Cu为基础合金成分，添加Ni、Zr、Ti元素构成高温铜基活性钎料，钎料合金成份按重量百分比计：Cu：90-79.5，Ni：4-5，Zr：1-5.5，Ti：5-10。

用于权利要求1所述的一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料的制备方法，采用颗粒大小为180-200μm，纯度为99.99％的Cu、Ni、Zr、Ti金属按优化试验配比组合，以重量百分比计：Cu：90-79.5，Ni：4-5，Zr：1-5.5，Ti：5-10，均匀混合后放入高真空钎焊炉中熔炼，真空度值小于2.9×10^-3Pa，熔炼温度控制在1050-1150℃，保温时间为约10分钟。

为使钎料成分均匀，对高温铜基活性钎料进行二次熔炼。

本发明的钎焊c-BN高温铜基活性钎料是以Cu为基础合金成分，添加Ni、Zr、Ti等元素构成高温铜基活性钎料。Ni元素有较好的延展性、抗蚀性和高温性能，Cu-Ni可形成无限固溶体，液相线温度较高；Zr元素具有高熔点，能促进活性元素Ti活度的发挥；Ti是活性元素能与c-BN发生化学冶金反应，在界面处形成新相，在钎料润湿过程中起重要作用。

本发明根据各种添加元素的作用机理，在综合考虑到钎料的成本、熔点、工艺性能和力学性能的基础上，采用兼有上下界约束的混料试验极端顶点设计方法，对加入的合金元素进行优化，使钎料的熔点在1000-1050℃之间。高温铜基活性钎料具有熔点高、成本低、力学性能好等特点，钎焊制备的c-BN制品和工具的工作温度可达到500-600℃。与常用的Ag-Cu-Ti活性钎料相比，本发明的高温铜基活性钎料具有成本低，工作温度高，钎料与c-BN间的结合强度高，能充分发挥c-BN材料的超硬耐磨作用。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明采用颗粒大小为180-200μm，纯度为99.99％的Cu、Ni、Zr、Ti金属按优化试验配比组合，均匀混合放入高真空钎焊炉中熔炼。真空熔炼时，真空度、熔炼温度与保温时间都对Cu-Ni-Zr-Ti钎料钎焊c-BN制品和工具的连接质量有重要影响。活性元素极易氧化，氧化后不能与c-BN发生反应。为了防止活性元素氧化，高温铜基活性钎料在熔炼过程中，真空度值应保证小于2.9×10^-3Pa。熔炼温度应控制在1050-1150℃，保温时间10分钟，可保证活性元素具有足够的热力学活性。为使钎料成分均匀，高温铜基活性钎料需进行二次熔炼。

本发明的钎焊c-BN高温铜基活性钎料，达到的技术指标：(1)熔化温度范围：1000-1050℃；(2)润湿性良好：对c-BN的润湿角17.9-52.7°，对钢基体的润湿角小于15°(3)钎焊c-BN与钢基体界面致密，接头抗剪强度为175.2-241.15Mpa，塑性延展率为7-8％。

下述所有实施例均采用颗粒大小为180-200μm纯度为99.99％的Cu、Ni、Zr、Ti金属粉末，运用兼有上下界约束混料试验极端顶点设计方法，对合金元素进行优化，形成以下技术方案，按优化试验配比组合均匀混合放入高真空钎焊炉加热熔炼，工艺条件均相同，即：加热温度1050-1150℃，真空度值小于2.9×10^-3Pa，保温时间10分钟。实施例见下表：

高温铜基活性钎料成分及其性能

Claims (3)

1、一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料，其特征在于，以Cu为基础合金成分，添加Ni、Zr、Ti元素构成高温铜基活性钎料，钎料合金成份按重量百分比计：Cu：90-79.5，Ni：4-5，Zr：1-5.5，Ti：5-10。

2、用于权利要求1所述的一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料的制备方法，其特征在于，采用颗粒大小为180-200μm，纯度为99.99％的Cu、Ni、Zr、Ti金属按优化试验配比组合，以重量百分比计：Cu：90-79.5，Ni：4-5，Zr：1-5.5，Ti：5-10，均匀混合后放入高真空钎焊炉中熔炼，真空度值小于2.9×10^-3Pa，熔炼温度控制在1050-1150℃，保温时间为约10分钟。

3、根据权利要求1所述的一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料的制备方法，其特征在于，为使钎料成分均匀，对高温铜基活性钎料进行二次熔炼。