CN115846926A

CN115846926A - 一种含Sn共晶高熵合金钎料、制备方法及钎焊金刚石

Info

Publication number: CN115846926A
Application number: CN202211440127.6A
Authority: CN
Inventors: 张晖; 魏海峰; 徐东; 崔冰; 陶冶
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-28

Abstract

一种含Sn共晶高熵合金钎料、制备方法及钎焊金刚石，属于钎焊技术领域。该共晶高熵合金钎料的化学成分原子百分比为：Al：16％～20％，Cr：15％～17％，Cu：15％～17％，Fe：15％～17％，Ni：28％～33％，Sn：3％～5％。通过对合金组织及物相分析，共晶高熵合金组织成分均匀，主要由FCC和BCC简单固溶体组成，不含金属间化合物，这使合金兼具较高的强度和良好的塑韧性。本发明所提供的共晶高熵合金流动性好，熔点仅为1020℃，可以在1050℃较低钎焊温度下实现金刚石与基体间的牢固结合。同时，高熵效应减少了钎料/金刚石界面复杂脆性相的生成，显著提高了钎焊金刚石工具的力学性能和使用寿命。钎焊后的金刚石表面形貌完整，未出现腐蚀坑及孔洞，具有70％以上出露度，无明显石墨化、热裂纹等热损伤问题。

Description

一种含Sn共晶高熵合金钎料、制备方法及钎焊金刚石

技术领域

本发明属于钎焊技术领域，具体涉及一种含Sn共晶高熵合金钎料、制备方法及钎焊金刚石。

技术背景

金刚石因其高强度、高耐磨性以及优异的耐腐蚀性能广泛应用于石材、机械、玻璃、陶瓷等领域。相比于热压烧结和电镀法，钎焊金刚石工具具有结合强度高，磨料出露度高等优点。钎焊金刚石工具的质量很大程度上取决于钎料的性能，目前主要有银基、铜基和镍基钎料。银基钎料成本太高而铜基钎料耐磨性不足，镍基钎料熔点较高，在高温下触媒元素Ni对金刚石热损伤较大，金刚石出露度较低，同时在钎焊过程中会形成较多的脆性相，不利于接头性能的提高。

高熵合金易于形成FCC或BCC简单固溶体结构，不倾向于出现金属间化合物，具有高强度、高耐磨性等优异性能。以往有文献尝试采用FCC单相高熵合金作为钎料钎焊高熔点的SiC陶瓷等，但大多高熵合金熔点高，铸造性和流动性较差，而金刚石在1200℃真空条件下即会产生明显的石墨化。因此，工业上急需开发一种熔点低、流动性好且综合性能优异的高熵合金钎料用于钎焊金刚石工具，提高钎焊金刚石工具的加工性能和使用寿命，具有重要的价值和意义。

发明内容

本发明提供了一种含Sn共晶高熵合金钎料及钎焊金刚石的方法，能有效改善钎焊金刚石工具的加工性能。

为了实现上述目的，本发明公开了一种含Sn共晶高熵合金钎料，包含如下原子百分数的元素：Al：16％～20％，Cr：15％～17％，Cu：15％～17％，Fe：15％～17％，Ni：28％～33％，余量为Sn。

本发明还公开了上述含Sn共晶高熵合金钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照原子百分数Al：16％～20％，Cr：15％～17％，Cu：15％～17％，Fe：15％～17％，Ni：28％～33％，Sn：3％～5％的化学成分配料，将原料放入酒精和丙酮溶液中用超声波清洗10min，然后烘干；

(2)将步骤1中配好的原料放入真空电弧熔炼炉中，高真空抽至真空度为5×10-³Pa，通入高纯氩气作为保护气体，反复熔炼5次，待合金随炉冷却后从炉中取出，得到高熵合金铸锭。

优选的，所述步骤(1)中含Sn共晶高熵合金中Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Sn的纯度均为99.9％以上。

优选的，所述步骤(2)中真空电弧熔炼炉的脉冲电弧加热电流范围为50～120A。

本发明还公开了这种含Sn共晶高熵合金钎料的钎焊方法，包括以下步骤：

(1)通过线切割将高熵合金铸锭切割成薄片状，放入丙酮酒精溶液中用超声波清洗10min，烘干；

(2)用400#和600#砂纸对45号钢基体表面进行打磨以去除基体表面氧化物，将金刚石磨粒与45号钢放入丙酮和酒精溶液中用超声波清洗10min，然后烘干；

(3)将步骤(1)得到的薄片状钎料平铺在45号钢基体表面，金刚石磨粒整齐地铺在钎料层的表面，然后放入真空热压炉中进行钎焊，真空度保持在5×10^-3Pa，加热至1050℃并保温10min，待冷却至室温将样品取出。

优选的，所述步骤(1)中，钎料的厚度为0.2mm，尺寸为15mm×6mm。

优选的，所述步骤(2)中，45号钢基体尺寸为为15mm×10mm×6mm。

优选的，所述步骤(3)中，升温速率为10℃/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种含Sn元素的共晶高熵合金钎料，并将之用于钎焊金刚石。含Sn共晶高熵合金结合了高熵合金与共晶合金的优点，具有良好的铸造性和流动性，凝固后组织成分相对均匀，相结构由FCC和BCC简单固溶体组成，不含金属间化合物，兼具良好的塑韧性。

(2)本发明所述含Sn共晶高熵合金，Sn的添加进一步降低了共晶高熵合金的熔点，且共晶点成分无固液两相区，可以在1050℃温度下实现金刚石与基体间的牢固结合，钎焊后金刚石具有较高的出露度。

(3)本发明所述含Sn共晶高熵合金钎料，由于Cu和Ni无限固溶，削弱了触媒元素Ni在高温条件下对金刚石石墨化的催化作用，在一定程度上降低了金刚石的热损伤。

(4)本发明所述含Sn共晶高熵合金钎料，高熵效应可以减少钎焊接头处复杂脆性相的生成，解决了Ni基钎料在钎焊过程中会形成较多的脆性相的问题。

(5)本发明所述含Sn共晶高熵合金钎料的硬度值为570HV，高于传统镍基合金(500HV)，提高了金刚石工具的磨削性能。

附图说明

图1为本发明实施例含Sn共晶高熵合金的DTA曲线；

图2为本发明实施例含Sn共晶高熵合金的X-射线物相分析；

图3为本发明实施例含Sn共晶高熵合金的SEM图；

图4为本发明实施例含Sn共晶高熵合金钎料钎焊金刚石表面形貌图；

图5为本发明实施例含Sn共晶高熵合金钎焊金刚石的拉曼光谱图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明所提供的技术方案，以下结合附图和实例进一步说明本发明内容：

实施案例：将共晶高熵合金钎料的原子百分比Al：18.75％，Cr：15.625.％，Cu：15.625％，Fe：15.625％，Ni：31.25％，Sn：3.125％换算成质量百分比，使用精度为0.0001g电子天平按质量百分比称量单质铝、铬、铜、铁、镍、锡。将称取好的原料放入酒精和丙酮溶液中超声波清洗10min，然后烘干。将配好的原料放入真空电弧熔炼炉中，反复熔炼5次，得到合金铸锭。熔炼过程中，其真空度保持在5×10^-3Pa，脉冲电弧加热电流范围为50～120A，高纯氩气作为保护气体。将熔炼好的高熵合金铸锭用线切割切成厚度为0.2mm，尺寸为15mm×6mm的薄片状，放入酒精丙酮溶液中清洗10min，然后烘干。本实施案例中基体选用为尺寸为15mm×10mm×6mm的45号钢，使用400#和600#砂纸对45号钢基体表面进行打磨以去除基体表面氧化物，将金刚石磨粒与45号钢放入丙酮和酒精溶液中用超声波清洗10min，然后烘干。将片状钎料平铺在45号钢基体表面，金刚石磨粒整齐铺在钎料层的表面，放入真空热压炉中，在1050℃的真空环境中保温10min，待冷却至室温后取出样品。钎焊过程中，真空度保持在5×10^-3Pa，升温速率为10℃/min。

图1为本实施案例中共晶高熵合金的DTA曲线，从图中可以看出该钎料的熔化温度为1020℃，图2为本实施案例中共晶高熵合金的X-射线物相分析，可以看出该共晶高熵合金具有FCC和BCC简单固溶体结构，无金属间化合物，具有良好的塑韧性。图3为本实施案例中共晶高熵合金显微组织图，可以看出合金在凝固后组织成分相对较为均匀，为棒状共晶组织。图4为本实施案例中共晶高熵合金钎焊金刚石的表面形貌图，可以看出钎料向金刚石表面爬升，金刚石与基体牢固结合，金刚石颗粒形貌完整，磨粒出露度较高，表面未出现蚀坑及孔洞。图5为本实施案例中共晶高熵合金钎焊金刚石的拉曼光谱图，从图中可以看出，在1585cm^-1处未出现石墨峰，金刚石表面几乎没有产生石墨化，热损伤得到了有效的抑制。

Claims

1.一种含Sn共晶高熵合金钎料，其特征在于，所述含Sn共晶高熵合金钎料的化学成分按原子百分数组成为：Al：16％～20％，Cr：15％～17％，Cu：15％～17％，Fe：15％～17％，Ni：28％～33％，Sn：3％～5％。

2.根据权利要求1所述的含Sn共晶高熵合金钎料，其特征在于，所述含Sn共晶高熵合金凝固后组织成分相对均匀，相结构由FCC和BCC简单固溶体组成，不含金属间化合物，兼具良好的塑韧性。

3.一种含Sn共晶高熵合金钎料，其特征在于，所述含Sn共晶高熵合金共晶点成分合金熔化后无固液两相区，具有良好的流动性和较低的熔化温度(1020℃)，在1050℃温度钎焊即可实现金刚石与基体间的牢固结合，钎焊后金刚石出露度高于传统Ni基合金钎料。

4.一种含Sn共晶高熵合金钎料，其特征在于，所述含Sn共晶高熵合金，其热力学上的高熵效应减少了钎焊接头处复杂脆性相的生成，同时降低了钎焊时的高温热损伤，提高了钎焊接头性能。

5.一种含Sn共晶高熵合金钎料，其特征在于，所述含Sn共晶高熵合金的硬度值为570HV，高于传统镍基合金(500HV)，提高了金刚石工具的磨削性能。

6.一种含Sn共晶高熵合金钎料的制备方法及其钎焊金刚石，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按质量百分比称取Al、Cr、Cu、Fe、Ni、Sn单质，放入酒精和丙酮溶液中用超声波清洗10min，烘干后放入真空电弧炉中，反复熔炼5次，待合金随炉冷却后取出，得到高熵合金铸锭；

(2)将步骤(1)中得到的合金铸锭用线切割切成15mm×6mm×0.2mm的薄片，用砂纸对45号钢基体表面进行打磨以去除基体表面氧化物，将薄片、基体钢、金刚石磨粒放入酒精和丙酮溶液中用超声波清洗10min，然后烘干；

(3)将片状钎料平铺在15mm×10mm×6mm钢基体表面，金刚石磨粒整齐地铺在钎料层的表面，然后放入真空热压炉中进行钎焊，真空度保持在5×10^-3Pa，加热至1050℃并保温10min，待冷却至室温将样品取出。

7.一种含Sn共晶高熵合金钎料钎焊金刚石可用于砂轮、钻头、锯片、刀具等工具制备，可应用在硬质合金、陶瓷、玻璃等材料的切割磨削加工领域。