CN103302419B

CN103302419B - 一种cvd金刚石钎焊用镍基合金钎料片及其制备方法

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Publication number: CN103302419B
Application number: CN201310223400.4A
Authority: CN
Inventors: 闫焉服; 高志廷; 陈新芳; 李帅; 纠永涛
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: CN103302419A

Abstract

一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片及其制备方法，其中各组成成分的重量占总重量的百分比为：Cr8.0-12%，Si2.5-4.0%，B1.5-2.0%，Sn7.8-11%，Ag0.4-1.0%，镧钕金属0.1-1.0%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni；本发明能够克服现有Ag基钎料成本高、强度低的缺陷，钎料中含有Sn，克服了现有Ni-Cr钎料熔点高，填充能力差的问题；本发明所制得的镍基合金钎料片，将此钎料片用于焊接CVD金刚石时，CVD金刚石与钎料片能够形成碳化铬化合物，使CVD金刚石与钎料片之间的结合强度高；该钎料片熔点较低，对CVD金刚石的热损伤较少，易于钎焊。

Description

一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片及其制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石钎焊技术领域，具体的说一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片及其制备方法。

背景技术

CVD金刚石（化学气相沉积金刚石）工具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数。金刚石与非铁金属亲和力小而且切削的刃口非常锋利，具有刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，切削时不易黏刀，加工表面质量好等优异性能，是制备切削工具的理想材料。CVD金刚石刀具作为工具材料，是将CVD金刚石钎焊到刀体上。

由于CVD金刚石化学结构稳定，与其它金属之间有很高的界面能，在常规的钎焊条件下，CVD金刚石的表面几乎不与普通的钎料润湿，很难实现与其它金属的连接。国内的研究大多数是采用活性金属使得CVD金刚石表面形成化合物，然后进行冶金连接。目前较成熟的CVD金刚石焊接技术是采用Ag72%-Cu（共晶）Ti3%、Ag-Cu-Ti-Co焊料焊接，这些钎料合金中Ag含量高，成本高，强度较低；也有采用Ni-Cr钎料焊接，Ni-Cr钎料熔点高，填充能力差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中Ag基钎料成本高、强度低，Ni-Cr钎料熔点高，填充能力差，以及常规钎焊难以实现钎料与CVD金刚石表面的连接等问题，提供一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片及其制备方法，焊料与CVD金刚石的结合强度较高；对CVD金刚石的热损伤较低，易于钎焊；钎料塑性好，容易加工成片状。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片，所述镍基合金钎料片的组成成分及各成分的重量百分比为：Cr 8.0-12%，Si 2.5-4.0%，B 1.5-2.0%，Sn 7.8-11%，Ag 0.4-1.0%，镧钕金属 0.1-1.0%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。

优选的，一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片，所述镍基合金钎料片的组成成分及各成分的重量百分比为：Cr 8.5-10.5%，Si 3.0-3.8%，B 1.6-1.9%，Sn 8.0-10%，Ag 0.5-0.8%，镧钕金属 0.2-0.5%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。

制备上述的一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片的方法，包括以下步骤：步骤一、按照上述任意一种配比称取各组成成分，备用；

步骤二、将步骤一称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，将其混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中的温度为500-650℃，加热20-40min后制得中间合金，备用；

步骤三、将步骤一所称取的剩余的全部原料置入非自耗真空电弧炉中，然后加入步骤二制得的中间合金，设置非自耗真空电弧炉中温度为1600-1800℃，待原料全部熔化成熔体后，搅拌3-5次，每次搅拌时间为1-2min，然后在1600-1800℃温度下保温，保温20-30min后停止加热，使熔体随炉自然冷却；

步骤四、待熔体冷却至1200-1300℃后，采用真空浇注机将冷却后的熔体浇注入石墨模具中，冷却到150℃以下后取出得到钎料合金锭；

步骤五、将步骤四制得的钎料合金锭放在轧膜机中，轧成厚度为0.1-1.0mm的钎料片。

所述中频感应熔炼炉中的真空度为1×10^-3-1×10^-1Pa。

本发明在制备钎料片的步骤二中，将步骤一称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，在一定条件下制成中间合金，能够减少镧钕金属在步骤三熔炼过程中的烧损；同时，镧钕金属能够增加钎料的热稳定性，能够在保持钎料塑形不变的情况下，细化晶粒，提高强度。

本发明的镍基合金钎料片中，含有的Sn和Ag，能够降低钎料熔点，使得钎料具有良好的流动性，还能够提高钎料填缝能力，提高钎焊强度；含有的Cr，在钎料片对CVD金刚石进行焊接时，能够形成碳化铬化合物，能够很好的润湿金刚石，使钎料片与金刚石形成牢固结合；含有的Si，能够降低钎料熔点，在焊接时能够很好的润湿金刚石；含有的B，可以降低钎料的热膨胀系数，尺寸稳定性好；含有的主要元素Ni，可以提高钎料的强度和润湿性。

有益效果：本发明能够克服现有Ag基钎料成本高、强度低的缺陷，钎料中含有Sn，克服了现有Ni-Cr钎料熔点高，填充能力差的问题；添加镧钕金属，可以显著提高钎料强度；本发明所制得的镍基合金钎料片，将此钎料片用于焊接CVD金刚石时，CVD金刚石与钎料片能够形成碳化铬化合物，使CVD金刚石与钎料片之间的结合强度高；该钎料片熔点较低，对CVD金刚石的热损伤较少，易于钎焊；钎料片塑性好，易于进一步加工。

具体实施方式

一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片，其组成成分及各成分的重量百分比为：Cr 8.0-12%，Si 2.5-4.0%，B 1.5-2.0%，Sn 7.8-11%，Ag 0.4-1.0%，镧钕金属 0.1-1.0%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。最优选择为：Cr 8.5-10.5%，Si 3.0-3.8%，B 1.6-1.9%，Sn 8.0-10%，Ag 0.5-0.8%，镧钕金属 0.2-0.5%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。

实施例1

按表1中的配比称取各组成成分，将称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中温度为600℃，真空度为1×10^-2Pa，加热30min后制得中间合金；将表1中所剩余的全部原料置入非自耗真空电弧炉中，然后加入前述制得的中间合金，设置非自耗真空电弧炉中温度为1700℃，待原料全部熔化成熔体后，搅拌3次，每次搅拌时间为2min，然后在1700℃温度下保温，保温25min后停止加热，使熔体随炉自然冷却；待熔体冷却至1250℃后，采用真空浇注机将冷却后的熔体浇注入石墨模具中，冷却到150℃以下后取出得到钎料合金锭；将制得的钎料合金锭放在轧膜机中，轧成厚度为0.3mm的钎料片。

表1本发明中实施例1的各组分含量

实施例2

按表2中的配比称取各组成成分，将称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中温度为500℃，真空度为1×10^-3Pa，加热40min后制得中间合金；将表2中所剩余的全部原料置入非自耗真空电弧炉中，然后加入前述制得的中间合金，设置非自耗真空电弧炉中温度为1800℃，待原料全部熔化成熔体后，搅拌3次，每次搅拌时间为1.5min，然后在1800℃温度下保温，保温20min后停止加热，使熔体随炉自然冷却；待熔体冷却至1200℃后，采用真空浇注机将冷却后的熔体浇注入石墨模具中，冷却到150℃以下后取出得到钎料合金锭；将制得的钎料合金锭放在轧膜机中，轧成厚度为0.5mm的钎料片。

表2本发明中实施例2的各组分含量

实施例3

按表3中的配比称取各组成成分，将称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中温度为650℃，真空度为5×10^-3Pa，加热20min后制得中间合金；将表3中所剩余的全部原料置入非自耗真空电弧炉中，然后加入前述制得的中间合金，设置非自耗真空电弧炉中温度为1600℃，待原料全部熔化成熔体后，搅拌4次，每次搅拌时间为1min，然后在1600℃温度下保温，保温30min后停止加热，使熔体随炉自然冷却；待熔体冷却至1300℃后，采用真空浇注机将冷却后的熔体浇注入石墨模具中，冷却到150℃以下后取出得到钎料合金锭；将制得的钎料合金锭放在轧膜机中，轧成厚度为0.8mm的钎料片。

表3本发明中实施例3的各组分含量

实施例4

按表4中的配比称取各组成成分，将称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中温度为550℃，真空度为5×10^-3Pa ，加热25min后制得中间合金；将表4中所剩余的全部原料置入非自耗真空电弧炉中，然后加入前述制得的中间合金，设置非自耗真空电弧炉中温度为1650℃，待原料全部熔化成熔体后，搅拌3次，每次搅拌时间为2min，然后在1650℃温度下保温，保温23min后停止加热，使熔体随炉自然冷却；待熔体冷却至1250℃后，采用真空浇注机将冷却后的熔体浇注入石墨模具中，冷却到150℃以下后取出得到钎料合金锭；将制得的钎料合金锭放在轧膜机中，轧成厚度为1 mm的钎料片。

表4本发明中实施例4的各组分含量

对比例

取Ni75CrSiB作为对比例，其中，各组分含量如表5所示。

表5本发明中对比例Ni75CrSiB的各组分含量

传统的镍基合金钎料在制备时，一般采用的是GB/T 10859-2008镍基钎料标准中的各组成成分及其配比，即没有添加Sn、Ag和镧钕金属，本发明所使用的镧钕金属购买自赣州虔东实业(集团)有限公司，也可使用市售的富含镧钕的混合稀土金属，镧钕金属不仅成本比单一稀土金属元素低，而且其在钎料中的性能优于单一稀土金属元素，且本发明的各组成成分含量较为合理，在此配比范围内，可以制得熔点低、强度高的钎料；同时，上述制备工艺中取所称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，在中频感应熔炼炉中制成中间合金，避免其后熔炼时全部原料混合熔炼所产生的的烧损，能够减少镧钕金属在非自耗真空电弧炉中熔炼过程中50%的烧损。

本发明中，所采用的中频感应熔炼炉的型号为ZGJL0.01-40-4型。

本发明制得的钎料片，钎料片的厚度可控，通用性强。

分别取0.3g对比例的钎料及0.3g各实施例的钎料，然后按照GB/T 11364-2008钎料润湿性试验方法，对对比例钎料和各实施例钎料的铺展性进行测试，所测得的各铺展面积如表6所示；对对比例钎料和各实施例钎料的润湿性进行测试，所测得的各润湿角如表6所示。由表6可知：与对比例的Ni75CrSiB相比，在相同实验条件下，实施例1-实施例4的钎料由于添加了适量的Sn，使得钎料的熔点降低，尤其Sn含量为11.0%时（参见实施例2），实施例2钎料的固相线与对比例钎料的固相线相比降低了120℃，液相线相比降低了80℃，钎料的润湿性能得到了明显改善；另外，由于本发明中添加了适量的市售镧钕金属，使所制得的钎料力学性能得到了明显改善。当镧钕金属的含量达到1.0%时（参见实施例3），钎料组织细化，抗拉强度与对比例相比提高了12.3%。本发明中添加的适量的Sn和镧钕金属，使钎料的熔点、铺展性能及力学性能得到了明显改善。

表6本发明中对比例及各实施例的钎料性能

将对比例和实施例1-实施例4制得的钎料片，在VDBF-250型真空钎焊扩散焊机对CVD金刚石进行焊接，焊接工艺参数为：钎焊温度均为1015℃，保温时间为10分钟，真空度＜0.01MPa；然后在室温下，在AG-I250KN精密万能试验机上，分别对使用对比例和实施例1-实施例4制备出的钎料片钎焊的CVD金刚石进行拉伸剪切实验，测定出各剪切强度见表7所示。由表7可知，采用本发明所制备的钎料片进行钎焊时，钎焊接头的剪切强度均有所提高，钎料熔点低。

表7本发明中对比例及各实施例的熔点及剪切强度

Claims

1.一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片，其特征在于：所述镍基合金钎料片的组成成分及各成分的重量百分比为：Cr 8.0-12%，Si 2.5-4.0%，B 1.5-2.0%，Sn 7.8-11%，Ag 0.4-1.0%，镧钕金属 0.1-1.0%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。

2.如权利要求1所述的一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片，其特征在于：所述镍基合金钎料片的组成成分及各成分的重量百分比为：Cr 8.5-10.5%，Si 3.0-3.8%，B 1.6-1.9%，Sn 8.0-10%，Ag 0.5-0.8%，镧钕金属 0.2-0.5%，杂质含量不大于0.05%，余量为Ni。

3.如权利要求1或2所述的一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照权利要求1-2中的任意一种配比称取各组成成分，备用；

步骤二、将步骤一称取的镧钕金属和其9倍质量的Sn，混合后加入到中频感应熔炼炉中，设置中频感应熔炼炉中的温度为500-650℃，加热20-40min后制得中间合金，备用；

4.如权利要求3所述的一种CVD金刚石钎焊用镍基合金钎料片的制备方法，其特征在于：所述中频感应熔炼炉中的真空度为1×10^-3-1×10^-1Pa。