CN115178912B - 一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法 - Google Patents

一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钎焊技术领域，具体涉及一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法，这种复合钎料包括Cu粉、Sn粉、Ti粉和增强相，Cu粉、Sn粉、Ti粉的质量比为Cu粉：Sn粉：Ti粉＝70～75：15～20：5～10，所述增强相为Ti3AlC2粉，所述增强相占复合钎料的质量百分比为0～10％，这种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料，与基体的结合强度高，制备的金刚石工具在磨削过程中不易发生脱落，金刚石的磨削性能好。

Description

一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法
技术领域
本发明涉及钎焊技术领域，具体涉及一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法。
背景技术
金刚石因其较高的硬度在玻璃、陶瓷和石材的磨削和切割过程中被广泛的应用。自首颗人造金刚石合成以来，金刚石工具在汽车制造、机械工程和国防军工等领域迅速被推广使用。通过钎焊方法制造金刚石工具是目前制造金刚石工具的主要手段之一。钎焊金刚石工具具有金刚石颗粒出露度高、锋利度好等优点。由于金刚石具有很好的化学惰性，因此需要对金刚石钎焊钎料进行研究。目前用于金刚石工具钎焊的钎料主要有银铜钛基(Ag-Cu-Ti)、铜锡钛基(Cu-Sn-Ti)和镍铬基(Ni-Cr)钎料。银铜钛基(Ag-Cu-Ti)合金钎料是以钛(Ti)作为活性元素保证钎料对金刚石磨粒具有较高的把持强度，当钛元素的含量过高时会提高钎料的熔点，不利于金刚石磨粒的钎焊，同时过高的钎焊温度会使TiC层变厚从而降低钎焊接头的强度。在较高温度的工作环境中，通常使用镍铬基(Ni-Cr)钎料来钎焊金刚石磨粒，但Ni的熔点远远超过金刚石的石墨化温度，因此需要添加降熔元素来降低钎料的熔点。铜锡钛基(Cu-Sn-Ti)合金钎料较银铜钛基(Ag-Cu-Ti)合金钎料具有更好的耐磨性，较镍铬基(Ni-Cr)合金钎料具有更低的熔点，因此铜锡钛基(Cu-Sn-Ti)合金钎料的应用较为广泛。Cu元素和Ti元素可以形成耐磨相，提高钎料的润湿性能。但钎料中Sn元素的含量过高时对钎料的机械性能会造成不利的影响，因此需要对钎料成分进行合理的配比。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决现有工业应用中制备的超硬磨料工具，尤其是金刚石磨料工具，金刚石与基体的结合强度不高，制备的金刚石工具在磨削过程中易发生脱落，金刚石的磨削性能不好的问题，提供了一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料、制备方法及其钎焊方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料，包括Cu粉、Sn粉、Ti粉和增强相，Cu粉、Sn粉、Ti粉的质量比为Cu粉：Sn粉：Ti粉＝70～75：15～20：5～10，所述增强相为Ti3AlC2粉，所述增强相占复合钎料的质量百分比为0～10％。
所述Cu粉、Sn粉、Ti粉混合质量比为70：20：10，所述增强相占复合钎料的质量百分比为0～8％。
所述Ti3AlC2粉为微米级粉末，Ti3AlC2粉的粒径为100～250μm。
本发明还公开了上述含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的制备方法，具体过程如下：将Cu粉、Sn粉和Ti粉混合均匀形成CuSnTi合金粉末，再向CuSnTi合金粉末中添加增强相，球磨处理后得到复合钎料。
所述球磨处理的球料质量比为10：1，所述球磨处理的转速为200～300r/min，所述球磨处理的时间为18～24h。
本发明还公开了上述含Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，包括以下步骤：
S1：将复合钎料与粘结剂混合成膏状钎料，然后烘干膏状钎料表面水分待用；
S2：将基体的待焊面打磨、抛光，并将超硬磨料和基体在丙酮溶液中超声清洗后取出，晾干；
S3：在基体的待焊面上涂覆粘结剂形成第一粘结剂层，再将步骤S1中的膏状钎料均匀涂覆在待焊面的第一粘结剂层上形成钎料层，再在钎料层上涂覆粘结剂形成第二粘结剂层，将超硬磨料均匀铺展于第二粘结剂层上，得到待焊试样；
S4：将步骤S3中得到的待焊试样置于真空环境中，升温至920℃～950℃，保温5～10min，降温至50～100℃后冷却至室温，完成超硬磨料与基体的钎焊。
所述步骤S1中的粘结剂为质量百分比分别为5％的丙烯酸和95％的二甲苯混合而成，复合钎料和粘结剂的质量比为95：5，膏状钎料烘干温度为80～100℃，烘干时间为15～20min。
所述步骤S2中基体为1045钢。
所述步骤S3中第一粘结剂层、第二粘结剂层和钎料层的厚度均为0.5～1mm，超硬磨料体积的30％～40％暴露于空气中。
所述步骤S4中真空环境的真空度为8.0×10-3～5.0×10-2MPa，升温速率为8～10℃/min，降温速率为5～8℃/min。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
(1)本发明钎焊的方法中，第一层粘结剂的作用是将钎料均匀的固定在钢基体上，保证了钎料层厚度的一致性。钎料铺设完成后铺设第二层粘结剂的目的是将金刚石磨粒有序的固定在钎料的上层，避免了钎焊过程中由于钎料的流动而造成金刚石磨粒的移动。当钎焊温度达到300℃左右时粘结剂会直接蒸发，不会对钎焊金刚石试样造成不利的效果。
(2)本发明的增强相为Ti3AlC2合金粉末，适量微米级Ti3AlC2合金粉末可以添加可以有效提高钎焊金刚石试样的界面强度和降低金刚石磨粒的热损伤，在较高的钎焊温度下，Ti3AlC2的分解产物为Al元素和TiC，Al元素可以固溶在Cu基体中产生固溶体改善钎料的机械性能，Ti3AlC2分解产生的TiC能够降低钎料中的Ti元素和金刚石磨粒的反应强度，从而降低金刚石磨粒的热损伤，因此本发明应用于连接金刚石和Q460钢的复合钎料进行钎焊的前景广阔。
附图说明
图1为实施例1中添加2％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图；
图2为实施例2中添加3％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图；
图3为实施例3中添加4％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图；
图4为实施例4中添加5％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图；
图5为对比例1中未添加Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图；
图6为不同Ti3AlC2添加含量的钎焊金刚石试样的界面层硬度；
图7为实施例1中添加2％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样界面的面扫和线扫描图；
图8为实施例2中添加3％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样界面的面扫和线扫描图；
图9为实施例3中添加4％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样界面的面扫和线扫描图；
图10为实施例4中添加5％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样界面的面扫和线扫描图；
图11为对比例1中未添加Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样界面的面扫和线扫描图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
本实施例的一种用于超硬磨料钎焊的复合钎料，包括CuSnTi合金粉末和Ti3AlC2增强相，其中，CuSnTi合金粉末包括70％的Cu、20％的Sn和10％的Ti，Ti3AlC2增强相的添加量为复合钎料质量百分比的2％，本实施例Ti3AlC2增强相粉末的粒度为100μm，其中超硬磨料为金刚石。
本实施例的复合钎料用于通过钎焊的方法将金刚石和Q460钢连接于一体制成金刚石磨削工具，具体来说，本实施例复合钎料的制备方法及其进行钎焊的方法其步骤为：
(1)按质量百分比分别为70％的Cu粉、20％的Sn粉和10％的Ti粉进行均匀混合，得到CuSnTi合金粉末；
(2)向CuSnTi合金粉末中加入占复合钎料质量百分比为2％的Ti3AlC2增强相后，将其放入球磨罐中，以250r/min的转速球磨处理18h，得到本实施例的复合钎料，其中球磨罐中球料质量比为10:1；
(3)将步骤(2)得到的复合钎料与粘结剂(5％丙烯酸+95％二甲苯)混合成膏状钎料，其中复合钎料与粘结剂的混合质量比为95:5；将所得的膏状钎料于80℃温度下烘干15min，并放置在干燥箱中等待钎焊；
(4)将45钢的待焊面用砂轮打磨平整，然后用120#、400#、600#、800#和1000#的金相砂纸打磨平整，然后在抛光机上将45钢的待焊面进行抛光处理；并将金刚石和处理后的钢基体在丙酮溶液中超声清洗15min后取出，自然晾干；
(5)于45钢的待焊面上涂覆0.5mm厚的第一粘结剂层(5％丙烯酸+95％二甲苯混合涂覆而成)，再将步骤(3)中烘干表面水分的膏状钎料均匀涂覆在待焊面的粘结剂上形成钎料层，钎料层厚度为0.5mm，再于钎料层上涂覆0.5mm厚的第二粘结剂层(5％丙烯酸+95％二甲苯混合涂覆而成)，将吹干后的金刚石用镊子夹持均匀地铺展在第二粘结剂层上，得到待焊试样，如图1所示是待焊试样的结构示意图，其中，保持金刚石体积的30％露在空气中；
(6)将步骤(5)得到的待焊试样A置于真空钎焊炉中，抽真空至5.0×10-3Pa，以10℃/min的加热速度将待焊件升温到950℃，保温5min，然后以5℃/min的速度降温至50℃，然后随炉冷却至室温，即完成使用本实施例的复合钎料连接金刚石和Q1045钢进行钎焊的方法。
实施例2
本实施例用于超硬磨料钎焊的复合钎料与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例Ti3AlC2增强相的添加量为复合钎料质量百分比的3％，Ti3AlC2的粒度为150μm，并且球磨处理的转速为200r/min。
实施例3
本实施例用于超硬磨料钎焊的复合钎料与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例Ti3AlC2增强相的添加量为复合钎料质量百分比的4％，Ti3AlC2的粒度为200μm，并且球磨处理的转速为300r/min。
实施例4
本实施例用于超硬磨料钎焊的复合钎料与实施例1基本相同，其不同之处在于：本实施例Ti3AlC2增强相的添加量为复合钎料质量百分比的5％，Ti3AlC2的粒度为250μm。
性能测试
一、钎料显微组织
利用扫描电子显微镜观测了上述实施例及对比例金刚石真空钎焊后的微观形貌，其中，图1为实施例1中添加2％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图，图2为实施例2中添加3％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图，图3为实施例3中添加4％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图，图4为实施例4中添加5％Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图，图5为对比例1中未添加Ti3AlC2粉末的钎焊金刚石试样的扫描电镜形貌图。如图6所示，不添加增强相进行钎焊试样的金刚石磨粒的热损伤较为严重，金刚石磨粒周围的钎料中出现了明显的孔洞。随着增强相含量的增加，金刚石磨粒的热损伤逐渐降低，金刚石磨粒的形貌较为完整。当增强相的添加量超过3％后，金刚石磨粒的周围重新出现了明显的孔洞，并且出现了热损伤的情况。这是因为增强相分解产生的TiC聚集在金刚石磨粒的周围，阻止了钎料中的Ti元素与金刚石磨粒的反应，从而降低了金刚石磨粒的热损伤。由于增强相的熔点较高，过量增强相的添加提高了钎料的熔点，造成钎焊过程中金刚石磨粒的周围出现了缺陷。并且增强相的分解被抑制。金刚石磨粒重新出现了热损伤。
二、钎焊界面的硬度
如图6所示，随着Ti3AlC2含量的增加，界面层的硬度先增加后降低。添加3％的Ti3AlC2后界面层的硬度提高了23％。这是因为Ti3AlC2分解的的产物为硬度较高的TiC和Al元素在Cu基体中固溶强化的结果。Ti3AlC2的含量超过3％以后，钎料的熔点较高，Ti3AlC2的分解被抑制，钎料和金刚石的反应强度较弱，界面层的硬度因此而下降。
三、钎焊金刚石试样的界面层厚度
钎焊试样的界面层厚度主要是由Ti元素和C元素的含量决定的。如图7所示，未添加Ti3AlC2增强相的钎焊金刚石试样界面没有Al元素出现，Ti会向金刚石界面扩散从而在界面处出现较高浓度的Ti，界面层的厚度仅为0.68μm。随着Ti3AlC2添加量的增加，界面层的厚度逐渐增加。Ti3AlC2的添加量为3％时，Ti元素在界面处的聚集程度增加，这是因为Ti3AlC2的分解为反应提供了稳定的Ti源，另外界面反应层出现了均匀分布的Al，此时界面层的厚度达到最高值1.61μm。继续增加Ti3AlC2的添加量，界面层的厚度反而开始降低，这是因为高熔点的Ti3AlC2的添加提高了钎料的熔点，在950℃的钎焊温度下Ti3AlC2的分解被抑制，同时降低了钎料与金刚石磨粒的反应强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料，其特征在于，包括Cu粉、Sn粉、Ti粉和增强相，Cu粉、Sn粉、Ti粉的质量比为Cu粉：Sn粉：Ti粉=70～75：15～20：5~10，所述增强相为Ti3AlC2粉，所述增强相占复合钎料的质量百分比为2~10%，所述Ti3AlC2粉为微米级粉末，Ti3AlC2粉的粒径为100～250μm。
2.如权利要求1所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料，其特征在于，所述Cu粉、Sn粉、Ti粉混合质量比为70：20：10，所述增强相占复合钎料的质量百分比为2~8%。
3.一种如权利要求1或2所述的含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的制备方法，其特征在于，具体过程如下：将Cu粉、Sn粉和Ti粉混合均匀形成CuSnTi合金粉末，再向CuSnTi合金粉末中添加增强相，球磨处理后得到复合钎料。
4.如权利要求3所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的制备方法，其特征在于，所述球磨处理的球料质量比为10：1，所述球磨处理的转速为200~300r/min，所述球磨处理的时间为18~24h。
5.一种如权要求1或2所述的含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将复合钎料与粘结剂混合成膏状钎料，然后烘干膏状钎料表面水分待用；
S2：将基体的待焊面打磨、抛光，并将超硬磨料和基体在丙酮溶液中超声清洗后取出，晾干；
S3：在基体的待焊面上涂覆粘结剂形成第一粘结剂层，再将步骤S1中的膏状钎料均匀涂覆在待焊面的第一粘结剂层上形成钎料层，再在钎料层上涂覆粘结剂形成第二粘结剂层，将超硬磨料均匀铺展于第二粘结剂层上，得到待焊试样；
S4：将步骤S3中得到的待焊试样置于真空环境中，升温至920℃~950℃，保温5~10min，降温至50~100℃后冷却至室温，完成超硬磨料与基体的钎焊。
6.如权利要求5所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤S1中的粘结剂为质量百分比分别为5%的丙烯酸和95%的二甲苯混合而成，复合钎料和粘结剂的质量比为95：5，膏状钎料烘干温度为80~100℃，烘干时间为15~20min。
7.如权利要求5所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤S2中基体为1045钢。
8.如权利要求5所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤S3中第一粘结剂层、第二粘结剂层和钎料层的厚度均为0.5~1mm，超硬磨料体积的30%~40%暴露于空气中。
9.如权利要求5所述的一种含有Ti3AlC2的铜基活性复合钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤S4中真空环境的真空度为8.0×10-3～5.0×10-2MPa，升温速率为8～10℃/min，降温速率为5～8℃/min。
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