CN115351461B

CN115351461B - 一种含微量Zr的铜基复合合金钎料、制备方法及其钎焊方法

Info

Publication number: CN115351461B
Application number: CN202211115183.2A
Authority: CN
Inventors: 崔冰; 严佩佩; 杜全斌; 张黎燕; 柳东明; 彭梦都; 傅玉灿; 从俊强
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2042-09-14
Also published as: CN115351461A

Abstract

本发明涉及一种含微量Zr的铜基合金钎料、制备方法及其钎焊方法，所述的合金钎料元素各组分及其质量百分比分别为63～69％的Cu、18～21％的Sn、8～10％的Ti、1～5％Ga、1～4％的Ge和0～5％的Zr，本发明在Cu基钎料的基础上合理调节合金元素配比，同时添加少量Zr元素，添加适量的Zr元素，促进Cu‑Sn相均匀形核析出，并使之细小弥散。当Zr元素含量过多时反而会使Cu析出，形成粗大的Sn‑Ti相，使用该配方在真空电弧炉熔炼得到的合金钎料，具有价格低廉，合金熔点低以及钎焊金刚石接头耐磨性高等优点。

Description

一种含微量Zr的铜基复合合金钎料、制备方法及其钎焊方法

技术领域

本发明涉及超硬磨料技术领域，具体涉及一种含微量Zr的铜基复合合金钎料、制备方法及其钎焊方法。

背景技术

由于具有较高的硬度和耐磨性以及较好的耐腐蚀性，金刚石一般用于制作金刚石磨具。在研磨和抛光过程中，金刚石可作为有效磨料增加磨削性能。传统金刚石工具使用电镀和树脂粘接技术来连接金刚石与基体，电镀技术是通过电镀一层金属来固结金刚石磨粒和基体的一种方法。由于金刚石与基体之间仅仅是简单的机械式嵌入，并未实现良好的化学冶金结合，当磨削韧性较好的材料时，金刚石磨料容易发生磨损和脱落。通过树脂粘接技术连接的金刚石与基体之间的相互作用力较弱，结合强度低，因而金刚石容易从基体上脱落。然而，采用高温真空钎焊技术和金刚石磨粒排列优化，可以有效提高金刚石与基体之间的化学冶金强度，实现磨粒与基体之间的高强度冶金结合。

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铜基钎料在钎焊过程中流动性差，爬升高度低、润湿性差等问题，并提供了一种含微量Zr的铜基复合合金钎料、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微量Zr的铜基复合合金钎料，按质量百分比包括以下组分：63～69％的Cu、18～21％的Sn、8～10％的Ti、1～5％Ga、1～4％的Ge和0～5％的 Zr。

本发明还公开了上述含微量Zr的铜基复合合金钎料的制备方法，包括以下步骤：

S1：称取质量分数为63～69％的Cu、18～21％的Sn、8～10％的Ti、1～5％Ga、1～4％的Ge 和0～5％的Zr，在超声波下清洗，进一步去除杂质；

S2：将步骤S1中的Cu，Ti，Ge和Zr在2A～5A的电流下真空熔炼得到合金铸锭Cu-Ti-Ge-Zr；

S3：将Sn、Ga放入炉腔中，使用2A～5A的电流在真空下熔炼，得到合金钎料Cu-Sn-Ti- Ga-Ge-Zr。

本发明还公开了这种含微量Zr的铜基复合合金钎料钎焊金刚石试样的钎焊方法，包括以下步骤：

(1)将合金钎料Cu-Sn-Ti-Ga-Ge-Zr放入炉腔的熔坑内，下方安装片状吸铸模具，在 2A～5A的电流下，将合金钎料熔化后，流入下方的片状吸铸模具，冷却后得到片状合金钎料；

(2)取金刚石和45#钢，打磨清洗；

(3)将步骤(1)中得到的片状合金钎料和经步骤(2)处理后的金刚石、45#钢分别用丙酮溶液和无水乙醇超声清洗，在45#钢上涂抹助焊剂，再将片状合金钎料放在助焊剂上，然后在真空度1×10^-3Pa以下进行钎焊，加热温度为1213K，保温360s，冷却到室温取出钎焊样品。

所述步骤(1)中片状合金钎料吸铸后分别需要经过320#，600#，1000#，1500#的砂纸打磨，使用游标卡尺测量，直至厚度为0.3mm左右。

所述步骤(3)中钎焊真空度为1×10^-3Pa，钎焊温度为940℃，钎焊时间为6min。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

(1)本发明得到的合金钎料，相比较其他钎料而言，有利于金刚石与合金钎料达到充分连接的效果，提高焊接接头的强度。同时该钎料在焊接中可以有效地提高合金钎料和金刚石之间的匹配性，还能极大幅度地降低焊接接头的残余应力，使得钎焊金刚石试样耐磨性得到提高。

(2)本发明Cu基复合合金钎料所需的元素中，Sn属于降熔元素，添加到合金钎料后，其润湿性被提高，Ti作为强化合物形成元素，与C形成碳化物，即TiC，TiC的形成可以极大提高合金钎料与金刚石的结合强度；Ga属于降熔元素，能有效降低熔点，因此增加Ga元素，合金钎料的润湿性被增加。Ge可以形成与Cu形成化合物，作为硬质相，为原子扩散提供通道，Zr：细化晶粒，细晶强化，提高耐磨性；添加微量合金元素的主要作用：通过降低合金钎料的熔点从而增加钎料的润湿性；提高钎焊接头的硬度和耐磨性；使合金钎料的成分均匀化，提高性能；

(3)本发明制备了Cu-20Sn-10Ti-1Ga-1Ge-xZr新型Cu基复合合金钎料，基于钎焊原理和合金化理论进行研究，通过对含不同成分的合金钎料性能进行对比和优化，发现加入微量合金元素Zr时钎料的组织得到细化，同时提高了时效强化效果和钎焊接头的力学性能；

(4)本发明所制备的新型Cu基复合合金钎料能显著改变合金组织的微观形态，当含Zr 为1wt.％时，晶粒明显细化，而当Zr含量过高时，晶粒明显粗大；

(5)本发明所制备的新型Cu基复合合金钎料显著提高了合金钎料对金刚石的爬升高度，与不含Zr的钎焊试样相比提高了78μm；

(6)本发明所制备的新型Cu基复合合金钎料极大提高了合金钎料的接头强度，瓷砖磨削量由含Zr为0wt.％时的20mg提高到含Zr为1wt.％时的23mg。

(7)本发明所制备的新型Cu基复合合金钎料极大提高了合金钎料的接头强度，金刚石不均匀磨损率由含Zr为0wt.％时的31.3％提高到含Zr为1wt.％时的18.8％。

附图说明

图1为本发明钎焊金刚石试样示意图；

图2(a)～(e)为含0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr制成的Cu基钎料的SEM示意图；

图3(a)～(e)为含0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr制成的Cu基钎料钎焊金刚石的微观形貌图；

图4(a)～(e)为含0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr制成的Cu基钎料钎焊金刚石的磨损形貌图；

图5为含0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr制成的Cu基钎料钎焊金刚石的瓷砖磨削量图；

图6为含0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr制成的Cu基钎料钎焊金刚石的不均匀磨损率图

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

本实施例的一种含Zr的Cu基复合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、Sn、Ti、Ga、Ge、Zr，用砂纸打磨掉表面杂质后，称取6.75g Cu、2g Sn、 1gTi、0.1g Ga、0.1g Ge以及0.05gZr金属锭，将称取的原料放入烧杯中，加入丙酮溶液在超声波清洗机中下清洗9min，再加入无水乙醇超声清洗9min，达到去除杂质的目的；

(2)将Cu、Ti、Ge、Zr放在真空电弧炉中进行熔炼，抽真空并充入Ar气，在2A～5A 的电流下对金属锭进行熔炼；

(3)取出Cu-Ti-Ge-Zr合金，将Sn和Ga放置在熔坑中，再加入Cu-Ti-Ge-Zr合金，随后在2A～5A的电流下采用电弧加热的方式对合金进行熔炼；

(4)取样：将合金铸锭进行吸铸，随后在砂纸上不断打磨，制成厚度尺寸为0.3mm的片状钎料，用于钎焊金刚石试样。

(5)将过筛后的金刚石置于烧杯中，加入丙酮溶液在超声清洗机中清洗8min后，再放到装有无水乙醇的烧杯中超声清洗8min，达到去除杂质的目的；

(6)钎焊钢基体选取45#钢，用金相砂纸打磨45#钢，尤其是被钎焊面，直到表面平整光滑，随后分别置于装有丙酮溶液和无水乙醇的烧杯中超声清洗10min；

(7)在45#钢的钎焊面上添加助焊剂，并将片状钎料放在助焊剂上，随后进行钎焊；实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。等待炉子冷却后，取出钎焊试样；

(8)将金刚石规则均匀地铺在预钎焊获得的钎焊样品上，然后放入真空感应单向热压炉内进行钎焊，实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。钎焊完成后；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊试样，获得性能优异的钎焊样品。

实施例2

本实施例的一种含Zr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、Sn、Ti、Ga、Ge、Zr，用砂纸打磨掉杂质后，称取6.7g Cu、2g Sn、1g Ti、0.1g Ga、0.1g Ge以及0.1g Zr，将称取的金属锭放在烧杯中，加入丙酮溶液在超声清洗机中清洗9min，再加入无水乙醇超声清洗9min，达到去除杂质的目的；

(2)首先将吹干的备用Cu、Ti、Ge、Zr金属锭放置在真空电弧炉中，抽真空并充入Ar气；

(3)取出Cu-Ti-Ge-Zr合金，将Sn和Ga放置在熔坑中，再加入Cu-Ti-Ge-Zr合金，随后在2A～5A的电流下采用钨极电弧加热的方式对合金进行熔炼。

(4)取样：将合金铸锭进行吸铸，在砂纸上进行打磨，制成厚度尺寸为0.3mm的片状钎料，用于钎焊金刚石试样。

(5)将过筛选取后的金刚石置于烧杯中，加入丙酮溶液在超声清洗机中清洗8min去除杂质后，再放到装有无水乙醇的烧杯中超声清洗8min；

(6)钎焊试样的钢基体选取45#钢，用金相砂纸打磨45#钢，尤其是钎焊面，直到表面平整光滑，随后分别在丙酮溶液和无水乙醇中超声波清洗10min，吹风机吹干；

(7)在45#钢的被钎焊面上添加助焊剂，再将片状钎料放在助焊剂上，进行钎焊；实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。炉冷后，取出钎焊样品；

(8)在清洗干净的45#钢的被钎焊面上添加助焊剂，再将片状钎料放在助焊剂上，实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。钎焊完成后；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，获得具有优异性能的钎焊样品。

实施例3

(1)取Cu、Sn、Ti、Ga、Ge、Zr，用砂纸打磨掉杂质后，称取6.65g Cu、2g Sn、1g Ti、0.1g Ga、0.1g Ge以及0.15g Zr，将原料放在烧杯中，加入丙酮溶液在超声波清洗机中清洗9min，再加入无水乙醇超声清洗9min，达到去除杂质的目的；

(2)将Cu、Ti、Ge、Zr金属锭放在真空电弧炉中，抽真空并充入Ar气；

(3)取出Cu-Ti-Ge-Zr合金，将Sn和Ga放置在熔坑中，再加入Cu-Ti-Ge-Zr合金，随后在2A～5A的电流下采用钨极电弧加热的方式对合金进行熔炼；

(4)取样：将合金铸锭进行吸铸，使用砂纸不断打磨，制成厚度尺寸为0.3mm的片状钎料，用于钎焊金刚石试样；

(5)将过筛后的金刚石置于烧杯中，加入丙酮溶液在超声波清洗机中清洗8min去除杂质后，再放到装有无水乙醇的烧杯中超声清洗8min后吹干，并在干燥箱中将金刚石烘干；

(6)钎焊试样的钢基体选用45#钢，用砂纸打磨45#钢，尤其是被钎焊面，直到表面平整光滑，随后分别在丙酮溶液和无水乙醇中超声清洗10min；

(7)在45#钢的被钎焊面上添加助焊剂，并将片状钎料放在助焊剂上，进行钎焊；实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。炉冷后，取出钎焊样品；

(8)将金刚石颗粒铺在钎焊试样上，放入真空感应单向热压炉内进行钎焊，实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。钎焊完成后；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到具有良好性能的钎焊接头的样品。

实施例4

(1)取Cu、Sn、Ti、Ga、Ge、Zr，用砂纸打磨掉杂质后，称取6.6g Cu、2g Sn、1g Ti、0.1g Ga、0.1g Ge以及0.2g Zr，将称取后的金属锭放在烧杯中，加入丙酮溶液在超声波清洗机中清洗9min，再加入无水乙醇超声清洗9min，达到去除杂质的目的；

(4)取样：将合金铸锭吸铸，随后使用砂纸打磨，制成厚度尺寸为0.3mm的片状钎料，用于钎焊金刚石试样；

(5)将过筛挑选后的金刚石置于烧杯中，加入丙酮溶液在超声下清洗8min去除杂质后，再放到装有无水乙醇的烧杯中超声清洗8min后吹干；

(6)钎焊金刚石试样的钢基体选取45#钢，用金相砂纸打磨45#钢，尤其是被钎焊面，直到表面平整光滑，随后分别在丙酮溶液和无水乙醇中超声清洗10min；

(7)在45#钢的被钎焊面上添加助焊剂，并将片状钎料放在助焊剂上；实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。炉冷后，取出钎焊样品；

(8)将金刚石铺在钎焊样上，放入真空感应单向热压炉内进行钎焊，实验参数：钎焊温度为940℃，保温时间为6min。完成钎焊后；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊样，得到性能优异的钎焊接头的样品。

对比例

(1)取Cu、Sn、Ti、Ga、Ge，用砂纸打磨掉杂质后，称取6.8g Cu、2g Sn、1g Ti、0.1gGa，0.1gGe将称取的金属锭放在烧杯中，加入丙酮溶液在超声下清洗9min，再加入无水乙醇超声清洗9min，达到去除杂质的目的；

(2)将Cu、Ti、Ge金属锭放在真空电弧炉中，抽真空并充入Ar气，熔炼得到合金铸锭；

(3)取出Cu-Ti-Ge合金，将Sn和Ga放置在熔坑中，再加入Cu-Ti-Ge合金，随后在 2A～5A的电流下采用钨极电弧加热的方式进行熔炼；

(4)取样：将合金铸锭采用先吸铸，随后使用砂纸不断打磨，制取0.3mm的片状钎料，用于钎焊金刚石；

(5)将过筛选取得到的金刚石放在烧杯中，加入丙酮溶液在超声波清洗机中清洗8min 去除质后，再放到装有无水乙醇的烧杯中超声清洗8min后吹干；

(6)钎焊金刚石试样钢基体选用45#钢，用砂纸打磨45#钢，尤其是被钎焊面，直到表面平整光滑，随后分别在丙酮溶液和无水乙醇中超声清洗10min；

对实施例1～4、对比例制备得到的铜基复合合金钎料及其钎焊金刚石样品的性能进行测试，测试结果如下：

1、钎料的微观形貌

图2为添加0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr的显微组织图，由图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可知，添加1％Zr时合金钎料的组织均匀细化，结构致密，无缺陷，符合要求；而添加0％、0.5％、1.5％、2％Zr时合金钎料的组织粗大，结构稀疏，尤其是当Zr含量大于等于1.5％时，可以发现组织粗大，呈层片状，这是由于Zr元素在界面处的均匀分布及其与Cu原子的固溶作用，阻碍了原子之间的扩散及Cu-Sn共晶组织的生成。

2、钎焊试样的微观形貌

图3为添加0％、0.5％、1％、1.5％、2％Zr的钎焊金刚石试样图，由图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可知，添加1％Zr时钎料的润湿性能最优，爬升高度较高，金刚石与钎料结合的区域较为紧密，结合程度较佳。同时五组试样的金刚石形状均保留完整，表面平整光滑，无明显热损伤，说明采用添加Zr的Cu基合金钎料钎焊金刚石试样，基本不会产生石墨化现象，达到预期效果。

3、钎焊试样的磨损形貌

实施例1～4及对比例1中制成的钎焊试样进行磨损实验之后，得到如图4所示四种磨损形貌，(a)平台、(b)微破损、(c)大面积破损、(d)脱落，如图(a)所示，金刚石切削刃保持完整，与基体牢固结合，表面磨损程度低。如图(b)所示，金刚石微断口的磨损形态并呈现脆性断口。在图(c)中，金刚石呈现全晶粒断裂。金刚石的基本结构被破坏。而图(d) 显示了金刚石脱落，留下明显的脱落坑，这表明金刚石和焊料之间的结合强度不高，并且在重磨削载荷下会产生脱落现象。

4、钎焊试样磨损实验后瓷砖的被磨削量

将实施例1～4及对比例1中制成的合金钎料钎焊金刚石试样进行磨损实验之后，对瓷砖被磨削量进行统计，由图5的不同Zr含量的瓷砖磨削量显示，Zr含量为1％时，瓷砖的磨削量达到最高值，较未添加Zr的钎焊金刚石试样提高了15％，说明当Zr添加量达到1wt.％时，钎焊金刚石试样磨削性能最优。

5、钎焊金刚石试样的不均匀磨损率

由图6中金刚石的不均匀磨损率与含Zr量关系图可知金刚石的不均匀磨损率随着Zr含量增加先降低后增加，这是由于添加微量的Zr元素可以细化晶粒，进而提高合金的硬度，同时提高金刚石与钎料的结合强度。而当Zr含量增加到一定值时，由于晶粒变粗，同时产生了过多的金属间化合物，导致合金钎料硬度进一步增加，发生脆断的可能性增加，进而金刚石失效。

综上，本发明所提供的一种用于钎焊金刚石的铜基复合合金钎料，该合金钎料的组织均匀细化，硬度耐磨性高，塑韧性好，性能优良。合金钎料熔点低，钎焊时能有效减少金刚石的热损伤，同时对金刚石润湿性良好，钎焊金刚石试样耐磨削性好，在工业应用中前景广泛。

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

1.一种含微量Zr的铜基合金钎料，其特征在于，按质量百分比包括以下组分：63~69%的Cu、18~21%的Sn、8~10%的Ti、1~5%Ga、1~4%的Ge和1%的Zr。

2.一种如权利要求1所述的含微量Zr的铜基合金钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：称取质量分数为63~69%的Cu、18~21%的Sn、8~10%的Ti、1~5%Ga、1~4%的Ge和1%的Zr，在超声波下清洗后风干，从而进一步去除杂质；

S2：将步骤S1中的Cu，Ti，Ge和Zr在2A~5A的电流下真空熔炼得到合金铸锭Cu-Ti-Ge-Zr；

S3：将Sn、Ga放入炉腔中，使用2A~5A的电流在真空下熔炼，得到合金钎料Cu-Sn-Ti-Ga-Ge-Zr。

3.如权利要求2所述的一种含微量Zr的的铜基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1在超声波下清洗后风干具体过程如下：使用丙酮溶液在超声波下对称取好的原料清洗5~10min，再用无水乙醇在超声波清洗机中清洗5~10min，最后自然风干。

4.如权利要求2所述的一种含微量Zr的铜基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中Ar气在熔炼时充入真空电弧炉。

5.如权利要求2所述的一种含微量Zr的的铜基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2、S3中熔炼合金锭的次数均为2~3次。

6.一种如权利要求1所述的含微量Zr的的铜基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将合金钎料Cu-Sn-Ti-Ga-Ge-Zr放入炉腔的熔坑内，并在下方安装吸铸模具，在2A~5A的电流下，将合金钎料熔化后，流入下方的片状吸铸模具，冷却后得到片状合金钎料；

（2）取金刚石和45#钢，打磨清洗；

（3）将步骤（1）中得到的片状合金钎料和经步骤（2）处理后的金刚石、45#钢分别用丙酮溶液和无水乙醇超声清洗，在45#钢上涂抹助焊剂，再将片状合金钎料放在助焊剂上，然后在真空度1×10^-3 Pa以下进行钎焊，加热到1213K，保温360s，冷却到室温取出钎焊样品。

7.如权利要求6所述的一种含微量Zr的铜基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤（1）中片状合金钎料经过吸铸后需要分别经过320#，600#，1000#，1500#的砂纸磨至厚度为0.3mm。

8.如权利要求6所述的一种含微量Zr的铜基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤（1）中进行吸铸前需用无水乙醇将炉腔以及片状吸铸模具擦拭干净。