CN112548396B - 一种含Ga的Cu基合金钎料、钎料的制备方法及进行钎焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含Ga的Cu基合金钎料、钎料的制备方法及进行钎焊的方法，属于超硬磨料工具制备领域。合金钎料包括CuSnTi合金相和Ga增强相，各组分及其质量百分比分别为66～70％的Cu、14～20％的Sn、4～10％的Ti和0～7％的Ga增强相，所述Ga增强相包括Ga及含Ga化合物；采用质量百分比为67～70％的Cu锭，15～20％的Sn锭，5～10％的Ti锭以及0～3％的Ga锭通过真空电弧熔炼获得合金钎料，具有熔点低，低价以及较高的抗剪强度等优点，得到的钎焊制品耐磨性能好。

Description

一种含Ga的Cu基合金钎料、钎料的制备方法及进行钎焊的 方法

技术领域

本发明属于超硬磨料工具制作领域，具体涉及一种含Ga的复合钎料及其制备和进行钎焊的方法。

背景技术

随着现代工业的高速发展，材料加工进入高效精密作业时代，意味着对金刚石刀具的使用性能要求越来越高，即金刚石刀具有较低的热损伤、较高的加工精度和加工效率，及较长的使用寿命。为满足上述要求，传统金刚石工具的弊病和缺陷也随之彻底暴露，即胎体材料对金刚石的包裹力较低、金刚石难以出刃或易脱落。20世纪80年代以来，研究者开始尝试使用钎焊制造金刚石工具，并掀起了一股钎焊金刚石工具的热潮。

钎焊金刚石用活性钎料依据其焊接温度可分为两种：高温活性钎料和低温活性钎料。高温活性钎料主要指Ni基钎料，液相线熔化温度一般高于900℃，钎焊过程中，金刚石容易出现热损伤。低温活性钎料主要有Ag基和Cu基两类活性钎料，其中Ag基活性钎料的施焊温度低，钎焊接头性能良好，但较高的含银量增加钎焊成本，限制了Ag基活性钎料的使用量。以铜锡钛钎料为代表的Cu基活性钎料对金刚石具有较好的润湿性，且熔化温度低，对金刚石的热作用较小，降低金刚石的石墨化倾向，接头性能与Ag基活性钎料接近，节约钎焊成本，具有较好的经济性，因而备受关注。但Cu-Sn-Ti活性钎料显微硬度不高，在使用时极易遭到陶瓷、花岗岩、石材等被加工材料的磨屑磨损，耐磨性能差，造成金钢石整颗脱落。因此开展Cu-Sn-Ti活性钎料全面系统的研究，研发熔化温度低、硬度-强度-韧性适当的新型多元铜基活性钎料。

例如，中国专利申请号为201910590660.2，申请公开日为2019年10月08日的专利申请文件公开了用于低温钎焊金刚石的Sn-Cu-Ti合金焊料及应用。该专利合金焊料按重量份由如下元素组成：Cu 0.71～50份，Ti 0.25～6份，Ag 0～20份，Ga 0～0.5份，Ce 0～0.5份，余量为 Sn和不可避免的杂质。但是，该发明为Sn基钎料，钎料中Sn含量很高，较高含量的Sn会在钎料中生成锡须，在震动环境中，锡须会脱落或折断，在使用过程中易造成金刚石脱落，使用效果差等缺点。

南京航空航天大学罗冬雪在2015.03.01公开了一篇名为Ga对低银Sn-Ag-Cu无铅钎料的组织和性能的影响的论文，该论文试验结果表明稀有元素Ga的添加可以显著细化Sn-0.5Ag-0.7Cu钎料的基体组织，使基体中的IMC颗粒变得细小且分布均匀。微量Ga的添加可以有效地改善钎料的润湿性能和抗氧化性能。作为表面活性元素，Ga会聚集在液态钎料的表面，大大地降低了液态钎料的表面张力，改善了钎料的流动性，从而提高了钎料的润湿性能。焊点界面组织的Cu₆Sn₅化合物层变得光滑平坦，且厚度有所变薄，焊点的抗剪强度有较大的提高，Ga含量为0.5％时提高了17.9％。但是，该论文提出的Sn-Ag-Cu合金钎料为软钎料，主要应用在电子封装等电子工业产业上，抗剪切性能较差，无法作为焊接金刚石的钎料，Ga元素对Sn-Ag-Cu钎料的抗剪性能提升有限。

因此，亟需开发一种含Ga的Cu基合金钎料、钎料的制备方法及进行钎焊的方法。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有铜基钎料润湿性和爬升高度差，且钎料容易分布不均而结块的问题，本发明提供一种含Ga的Cu基合金钎料，通过优化钎料配方，以提高钎料润湿性和抗剪强度。

本发明还提供了一种含Ga的Cu基合金钎料的制备方法，采用分步电弧熔炼的方法得到上述含Ga的Cu基合金钎料。

本发明还提供了一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，得到的钎焊制品耐磨性能优异。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种含Ga的Cu基合金钎料，包括CuSnTi合金相和Ga增强相，各组分及其质量百分比分别为66～70％的Cu、14～20％的Sn、4～10％的Ti和0～7％的Ga增强相，所述Ga增强相包括Ga及含Ga化合物。

进一步地，所述Ga化合物包括CuGa和SnTiGa，其中Ga增强相中，Ga、CuGa和SnTiGa三者的质量比为1：(2～6)：(3～7)。

进一步地，所述CuSnTi合金相中，Cu、Sn、Ti三者之间的质量百分比满足下述关系式：

Cu＝1.38×Sn+4.42×Ti。

一种上述含Ga的Cu基合金钎料的制备方法，步骤为：

(1)原料的准备：取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，再称取质量百分比为67～70％的Cu锭，15～20％的Sn锭，5～10％的Ti锭以及0～3％的Ga锭，清洗并干燥；

(2)熔炼：由于Sn、Ga熔点较低直接和高熔点金属一起熔炼易造成氧化烧损，所以在真空电弧熔炼时，先将步骤(1)中的Cu锭和Ti锭置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，在电流3A～5A下真空熔炼2～3次得到Cu-Ti 合金，再将Sn锭和Ga锭置于Cu-Ti合金的下方使用电流0.7A～2.5A真空熔炼2～3次，最后，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金冷却后得到Cu-Sn-Ti-Ga合金钎料。

进一步地，所述Ti锭、Ga锭为商用Ti锭和商用Ga，且纯度均为99％

进一步地，所述步骤(1)中，清洗采用丙酮超声清洗20～30min；干燥为自然风干。

进一步地，所述步骤(2)中，熔炼过程中还充入Ar气作为保护气。

进一步地，将步骤(2)得到的钎料切割为截面为3×3mm的条状钎料和尺寸为3.5×6×20mm的矩形块状钎料，条状钎料用于制备润湿试验用小块钎料，矩形块状钎料用于测定铸态钎料的剪切强度。

一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，步骤为：

S1、原料的准备：将权利要求4中得到的合金钎料切割成厚度为0.5mm的片状钎料待用，并取超硬磨料和钢基体，分别将超硬磨料和钢基体清洗干燥后备用；

S2、将超硬磨料、片状钎料、钢基体由上而下依次放置进行钎焊，即将钎料放在钢基体被焊接面上方，钎料上方放清洗备用的超硬磨料，温度升高到钎料液相线温度后，钎料熔化的毛细作用及润湿性能将金刚石以及钢基体紧密结合在一起，其中，控制钎焊环境的真空度在1×10^-3Pa以下，并以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K后，开始反应，保温时间t为900s，反应结束后随炉冷却到室温时得到钎焊制品。

进一步地，所述步骤S1中，片状钎料的最大截面积大于或等于超硬磨料、钢基体待焊面面积。

进一步地，所述步骤S1中，切割合金钎料采用线切割。

进一步地，所述步骤S1中，超硬磨料为金刚石，将超硬磨料先用丙酮超声清洗去油后，酒精冲洗吹干，并在干燥箱中烘干备用，烘干温度为80℃，保温15min；钢基体为市售45#钢，将钢基体分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干。

进一步地，钎焊过程中金刚石与合金钎料接触反应后得到钎焊层厚度为ω，满足以下关系式：

ω＝N_c×ω_c(TiC)，

其中，ω_c(TiC)表示一个TiC原子的体积，为2.02×10-23cm³/atom，N_c表示转移到Ti原子中的C原子数，其反应满足下列关系式：

C₄为C在Ti合金中的溶解度，为0.017，ω_c(Ti)为一个Ti原子的体积，为1.93×10^{- 23}cm3/atom，D_C是C原子在Ti中的扩散系数，为1.5×10，t为反应的时间，即为步骤S2中的保温时间，单位为s，t＝900s。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的合金钎料，能有效减轻钎料和母材的不匹配性，降低接头处的残余应力，并提高钎焊接头的剪切强度，使金刚石和合金与CuSnTi复合钎料之间充分连接，达到提高钎焊接头处连接性能的目的。

(2)本发明对全面试验采用极差和方差分析表明，Sn对钎料熔化温度和润湿性产生有益影响，Ti对钎料剪切强度和显微硬度产生显著的有益影响；合金元素的多元化与微量添加主要作用：一是降低钎料液相线温度；二是提高合金钎料润湿性能；三是钎料具有均匀而稳定的化学成分；四是具有良好的力学性能，满足钎焊需求；其中，微量添加各合金元素主要作用如下：

Cu:提高钎料合金的润湿性、熔化后的流动性，有利于增强钎焊接头的耐腐蚀性；

Sn:降低熔点，细化晶粒；

Ti：强碳化物形成元素，提高钎料与金刚石结合强度；

Ga：降低熔点，形成强化相，增加润湿性；

(3)本发明针对电弧熔炼铸态合金成分及组织不均匀的问题，本发明提出重力与脉冲电弧熔炼工艺，分步熔炼，该工艺熔炼合金铸锭表面光滑、无冷隔，铸锭各区域成分均匀；

(4)本发明首次研发了CuSnTiGa新型铜基钎料，基于钎焊原理和合金化理论入手进行研究，通过合金设计和成分优化，发现Ga降低合金钎料的熔点，提高焊接接头力学性能；

(5)本次制备的新型合金钎料极大提高钎料抗剪强度，由不添加Ga的288.6MPa提高到462.4Mpa；

(6)本次制备的新型合金钎料极大提高钎料润湿性能，元素Ga的添加可以明显改善钎料润湿性，进一步提高焊接性能。

附图说明

图1为本发明片状钎料制备图；

图2为实施例1～3及对比例1中制成的合金钎料的显微组织示意图；

图3为实施例1～3及对比例1中制成的合金钎料采用差示扫描量法得到的DSC曲线；

图4为实施例1～3及对比例1中制成的合金钎料抗剪强度图谱；

图5为实施例1～3及对比例1中制成的合金钎料显微硬度曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例的一种含Ga的Cu基合金钎料的制备方法及钎料进行钎焊的方法，步骤为：

(1)取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取6.9gCu锭、2gSn锭、1gTi锭以及0.1gGa锭，将称取后的金属锭用丙酮超声清洗20～30min 后取出，自然风干待用；

(2)将晾干的待用金属锭原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属锭放入电弧炉中在电流3A～5A下熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A熔炼合金2～3次，在电流 3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，本实施例得到的合金钎料中， CuSnTi合金相中含66％的Cu、19％的Sn和9％的Ti，其余为Ga增强相，包括Ga、CuGa 和SnTiGa三者的质量比为1：4：5。

(3)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料、截面为3×3mm的条状钎料和尺寸为3.5×6×20mm的矩形块状钎料，铸锭剖分示意图如图1 所示。其中片状钎料用于石墨/钢的真空钎焊，条状钎料用于制备润湿试验用小块钎料，矩形块状钎料用于测定铸态钎料的剪切强度。

(4)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(5)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(6)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到良好的钎焊接头的钎焊样品；

其中，经测量，钎焊样品钎焊层厚度ω为5μm，根据

代入ω＝N_c×ω_c(TiC)，计算得到ω为4.783μm，与测量数据基本保持一致。

实施例2

本实施例的一种含Ga的Cu基合金钎料的制备方法及钎料进行钎焊的方法，步骤为：

(1)取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取6.8g Cu锭、2g Sn锭、1g Ti锭以及0.2g Ga锭，将称取后的金属锭用丙酮超声清洗20～30min 后取出，自然风干待用；

(2)将晾干的待用金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为 1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属放入电弧炉中在电流3A～5A 下真空熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A真空熔炼2～3次，最后，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，本实施例得到的合金钎料中，CuSnTi合金相含67％的Cu、18％的Sn和8％的Ti，其余为Ga 增强相，即Ga、CuGa和SnTiGa三者的质量比为1：6：3。

(3)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料、截面为3×3mm的条状钎料和尺寸为3.5×6×20mm的矩形块状钎料，铸锭剖分示意图如图1 所示。其中片状钎料用于石墨/钢的真空钎焊，条状钎料用于制备润湿试验用小块钎料，矩形块状钎料用于测定铸态钎料的剪切强度。铸锭解剖后，

(4)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(5)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(6)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到良好的钎焊接头的钎焊样品；

其中，经测量，钎焊样品的厚度ω为4.8，根据

将其代入ω＝N_c×ω_c(TiC)，计算得到ω为5.1μm，与测量数据基本保持一致。

实施例3

(1)依取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取6.7g Cu锭、2g Sn锭、1g Ti锭以及0.3g Ga锭，将称取后的金属锭用丙酮超声清洗 20～30min后取出，自然风干待用；

(2)将晾干的待用金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为 1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属锭放入电弧炉中在电流3A～5A 下熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A熔炼合金2～3次，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，本实施例得到的合金钎料中，CuSnTi合金相含66％的Cu、17％的Sn和9％的Ti，其余为Ga增强相，包括Ga、CuGa和SnTiGa三者的质量比为1：2：7。

(3)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料、截面为3×3mm的条状钎料和尺寸为3.5×6×20mm的矩形块状钎料，铸锭剖分示意图如图1 所示。其中片状钎料用于石墨/钢的真空钎焊，条状钎料用于制备润湿试验用小块钎料，矩形块状钎料用于测定铸态钎料的剪切强度。铸锭解剖后，

(4)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(5)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(6)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到良好的钎焊接头的钎焊样品；

其中，经测量，钎焊样品的厚度ω为4.1μm，根据

将其代入ω＝N_c×ω_c(TiC)，计算得到ω为4.375，与测量数据基本保持一致。

实施例4

(1)取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取6.99g Cu锭、2g Sn锭、1g Ti锭以及0.01g Ga锭，将称取后的金属锭用丙酮超声清洗 20～30min后取出，自然风干待用；

(2)将晾干的待用金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为 1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属锭放入电弧炉中在电流3A～5A 下熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A熔炼合金2～3次，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，本实施例得到的合金钎料中，CuSnTi合金相含68％的Cu、17％的Sn和6％的Ti，其余为Ga增强相，且 Ga增强相中Ga、CuGa和SnTiGa三者的质量比为1：6：3。

(3)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料；

(4)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(5)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(6)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到良好的钎焊接头的钎焊样品；

其中，经测量，钎焊样品的厚度ω为2.9μm，根据

将其代入ω＝N_c×ω_c(TiC)，计算得到ω为2.75，与测量数据基本保持一致。

对比例1

(1)取Cu锭、Sn锭、Ti锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取7g Cu锭、2g Sn锭以及1g Ti锭。

(2)称取后的单质金属用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质，将称取后的单质金属用丙酮超声清洗20～30min后取出，自然风干待用。

(3)将晾干的待用金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为 1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属锭放入电弧炉中在电流3A～5A 下熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A熔炼合金2～3次，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；

(4)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料、截面为3×3mm的条状钎料和尺寸为3.5×6×20mm的矩形块状钎料，铸锭剖分示意图如图1 所示。其中片状钎料用于石墨/钢的真空钎焊，条状钎料用于制备润湿试验用小块钎料，矩形块状钎料用于测定铸态钎料的剪切强度。铸锭解剖后，

(5)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(6)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(7)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到钎焊样品。

对比例2

(1)依取Cu锭、Sn锭、Ti锭、Ga锭并用600#的砂纸打磨掉表面氧化皮及杂质后，并称取6.7g Cu锭、2g Sn锭、1g Ti锭以及0.5g Ga锭，将称取后的金属锭用丙酮超声清洗 20～30min后取出，自然风干待用；

(2)将晾干的待用金属单质原料置于电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为 1×10^-3～8×10^-3Pa，充入高纯Ar气作为保护气，先将Cu、Ti金属锭放入电弧炉中在电流3A～5A 下熔炼2～3遍后，再将Sn、Ga放入，随后采用电弧加热的方式使用电流0.7A～2.5A熔炼合金2～3次，在电流3A～5A下继续熔炼2～3次，使Cu-Ti合金与Sn、Ga金属之间充分融合，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；其中，经XRD性能测试，待合金随炉冷却后自熔炼设备中取出，制得合金钎料；

(3)将炼好的合金钎料切割成取样：将铸锭采用线切割制取厚度为0.5mm的片状钎料；

(4)将金刚石用丙酮超声清洗5min后，蒸馏水冲洗清除丙酮，并在干燥箱中将金刚石烘干，烘干温度为150℃，保温30min。

(5)试验用钢为市售45#钢，尺寸为6×6×5mm，分别用180#、320#、600#打磨钢块钎焊面及其他表面，去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15min，冷风吹干备用。

(6)将金刚石和钢采用对接的方式放入真空高温钎焊炉中进行钎焊，并将炉内真空保持在1×10^-3真空以下，以10℃\min的加热速率进行加热，直至加热到1273K，并保温15min；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到良好的钎焊接头的钎焊样品；

其中，经测量，钎焊样品的厚度ω为4.1μm，根据

将其代入ω＝N_c×ω_c(TiC)，计算得到ω为5.413μm，与测量数据相差较大，且试样与预期结果相差较大，不能满足需要，故不予谈论。

性能测试

一、微观形貌

针对实施例1～3及对比例1中制成的钎料显微扫描如图2所述，其中图2 (a)为对比例1 中不添加Ga锭的SEM扫描图谱，图2 (b)为实施例1中添加1％Ga锭的SEM扫描图谱，图2 (c)为实施例2中添加2％Ga锭的SEM扫描图谱，图2 (d)为实施例3中添加3％Ga锭的 SEM扫描图谱，可知，添加0％、2％、3％Ga锭含量的合金钎料组织粗大，1％Ga含量的合金钎料组织均匀，出现树枝晶，无缺陷，达到预期要求。

二、钎料的DSC测试

针对实施例1～3及对比例1中制成的钎料进一步采用差示扫描量热仪测试热流量对温度的关系曲线，由图3所示的DSC曲线表示，微量的Ga元素的添加对合金钎料的熔点提升效果较为微弱，但是当Ga含量继续提升后，钎料的液相线温度为885℃，达到预期效果，故实施例中钎焊温度可在其上进行。

三、钎料抗剪强度

图4所示合金钎料的抗剪强度是显著增大的，含1％Ga时钎料抗剪强度达到最大值462.4MPa，随着Ga元素含量继续增大，合金钎料的抗剪强度又随之减小。0％Ga含量的合金钎料的抗剪强度仅为288.6MPa，而添加1％Ga后合金钎料的抗剪强度显著增加到462.4MPa，增加了160％，性能得到显著提升。

四、钎焊显微硬度测试

由图5可知合金钎料的显微硬度随着Ga含量的增加而不断升高，这是由于与Ga元素可以细化晶粒，进而提高合金的硬度，在0％Ga含量的合金钎料中，钎料的显微硬度仅为233，而1％Ga含量的钎料合金硬度提高了110％。

综上，本发明所提供的一种用于钎焊金刚石和合金的CuSnTi复合钎料，具有较高的抗剪强度和优良的润湿性，新型合金复合钎料由于具有较为优异的硬度，进而增加钎料耐磨性，并且新型合金复合钎料就有较低熔点，可显著降低钎焊温度减少金刚石的热损伤。

按照本发明上述实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述实施例：且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含Ga的Cu基合金钎料，其特征在于：包括CuSnTi合金相和Ga增强相，各组分及其质量百分比分别为66~70%的Cu、14~20%的Sn、4~10%的Ti和6~7%的Ga增强相，

所述CuSnTi合金相中，Cu、Sn、Ti三者之间的质量百分比满足下述关系式：

Cu=1.38×Sn＋4.42×Ti；

所述Ga增强相包括Ga及含Ga化合物。

2.根据权利要求1所述的一种含Ga的Cu基合金钎料，其特征在于：所述含Ga化合物包括CuGa和SnTiGa，其中Ga增强相中，Ga、CuGa和SnTiGa三者的质量比为1：（2~6）：（3~7）。

3.一种权利要求1~2任意一项含Ga的Cu基合金钎料的制备方法，其特征在于：步骤为：

（1）原料的准备：称取质量百分比为67~70%的Cu锭，15~20%的Sn锭，5~10%的Ti锭以及0~3%的Ga锭，清洗并干燥；

（2）熔炼：先将步骤（1）中的Cu锭和Ti锭在电流3A~5A下真空熔炼2~3次得到Cu-Ti合金，再将Sn锭和Ga锭置于Cu-Ti合金的下方使用电流0.7A~2.5A真空熔炼2~3次，最后，在电流3A~5A下继续熔炼2~3次，待合金冷却后得到合金钎料。

4.根据权利要求3所述的含Ga的Cu基合金钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，清洗采用丙酮超声清洗20~30 min；干燥为自然风干。

5.根据权利要求3所述的含Ga的Cu基合金钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，熔炼过程中还充入Ar气作为保护气。

6.一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，其特征在于：步骤为：

S1、原料的准备：将权利要求3中得到的合金钎料切割成厚度为0.5 mm的片状钎料待用，并取超硬磨料和钢基体，分别将超硬磨料和钢基体清洗干燥后备用；

S2、将超硬磨料、片状钎料、钢基体由上而下依次放置进行钎焊，控制钎焊环境的真空度在1×10^-3 Pa以下，并以10℃/min的加热速率进行加热，直至加热到1273 K后，开始反应，保温时间t为900s，反应结束后随炉冷却到室温时得到钎焊制品。

7.根据权利要求6所述的一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，其特征在于：所述步骤S1中，片状钎料的最大截面积大于或等于超硬磨料、钢基体待焊面面积。

8.根据权利要求6所述的一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，其特征在于：所述步骤S1中，切割合金钎料采用线切割。

9.根据权利要求6所述的一种用含Ga的Cu基合金钎料进行钎焊的方法，其特征在于：所述步骤S1中，将超硬磨料先用丙酮超声清洗去油后，酒精冲洗吹干，并在干燥箱中烘干备用，烘干温度为80℃，保温15 min；将钢基体去除铁锈和其他杂质，随后在酒精中超声波清洗15 min，冷风吹干。

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