CN112222676B - 一种微纳米粉体改性活性钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳米粉体改性活性钎料及其制备方法，属于钎焊材料技术领域。其中钎料的重量份数为80–99份，微纳米粉体1–10份，微纳米粉体均匀吸附在钎料表面，用微纳米粉体改性的活性钎料制备的金刚石工具，其表面金刚石蚀坑数量、金刚石表面或周围的微裂纹数量大大减少，钎料合金层强度损失小，金刚石的力学性能提高8％以上，工具的加工性能得到提升，能够避免高温钎焊对金刚石造成的热损伤、Cu–Sn–Ti合金钎料较严重流淌导致钎料层厚度不均等问题，以提高钎焊金刚石工具的加工效率与使用寿命。本发明提供的微纳米粉体改性的活性钎料能减少高温钎焊对金刚石造成的热损伤，同时具有钎料合金层强度损失小等特点，适合于制作高性能金刚石工具。

Description

一种微纳米粉体改性活性钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于钎焊金刚石工具材料，具体涉及一种微纳米粉体改性活性钎料及其制备方法。

背景技术

钎焊金刚石工具由于活性钎料与金刚石能产生化学冶金反应而具备强的结合力，金刚石出露高度能达到自身高度的50％～70％，因而具有对磨料把持强度高、容屑空间大、磨削效率高、磨削比能低等特点，在难加工材料高效、重负荷加工中已显示出传统金刚石工具无法比拟的优异性能。

目前，制备钎焊金刚石工具常用的钎料主要有Ni–Cr合金或Cu–Sn–Ti合金钎料。随着钎焊金刚石工具的逐步推广应用，在使用过程中也暴露出一些问题。例如，Ni–Cr合金高温钎焊会对金刚石造成较大的热损伤，主要表现为金刚石表面发生石墨化、表面呈现较多蚀坑、表面或周围出现微裂纹等。不同粒径的粉体，高温钎焊过程中Cu–Sn–Ti合金钎料较严重流淌导致钎料层厚度不均，钎料层较薄会导致对金刚石磨料把持强度弱，钎料层较厚会导致金刚石磨料被包覆难以出露，这都大大限制了钎焊金刚石工具加工性能的进一步提高。

发明内容

本发明提供一种微纳米粉体改性活性钎料及其制备方法，其目的是能有效解决上述如Ni–Cr合金高温钎焊对金刚石造成的热损伤、Cu–Sn–Ti合金钎料较严重流淌导致钎料层厚度不均等问题，以提高钎焊金刚石工具的加工效率与使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微纳米粉体改性活性钎料，按照质量份数计：包括钎料本体80–99份，微纳米粉体1–10份。

进一步的，钎料本体和微纳米粉体的纯度均大于等于99.9％，钎料本体粒度为50-100目。

进一步的，微纳米粉体采用缺陷石墨烯时取1–2份；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时取5–10份，微纳米粉体采用TiC粉时取4-8份，微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体取1–10份。

进一步的，钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料。

一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、按照质量份数计取钎料本体80–99份和微纳米粉体1–10份；

步骤2)、将微纳米粉体进行球磨使其粒径小于20μm；

步骤3)、采用溶剂将球磨后的微纳米粉体完全分散溶解得到混合液A；

步骤4)、将混合液A在分散剂溶液中混合均匀，然后加入钎料本体进行充分混合均匀后烘干，即可得到微纳米粉体改性的活性钎料。

进一步的，微纳米粉体采用缺陷石墨烯时取1–2份；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时取5–10份，微纳米粉体采用TiC粉时取4-8份，微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体取1–10份；钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料。

进一步的，微纳米粉体采用缺陷石墨烯时，球磨后使其粒径小于20μm，缺陷石墨烯50％以上面积出现结构缺陷；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时，球磨后使其粒径小于10μm；微纳米粉体采用TiC粉时，球磨后使其粒径小于20μm。

进一步的，步骤3)中，溶剂采用二甲基酰胺或液体石蜡，溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(10–50)。

进一步的，步骤4)中，分散剂溶液采用分散剂和有机溶剂的混合液；分散剂采用表面活性剂，分散剂与微纳米粉体的重量比例为1:(5–10)，有机溶剂为丙酮、酒精、甲酸、乙酸或***，有机溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(0.4–0.8)。

进一步的，步骤4)中，将混合液A与分散剂溶液在混料机中混合均匀，混料机转速为50～150r/min，混料时间0.5～2h，球料比为1:(10–20)，球和粉料总体积不超过混料罐体积的50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种微纳米粉体改性活性钎料，按照质量份数计包括钎料本体80–99份，微纳米粉体1–10份，微纳米粉体均匀吸附在钎料表面，用微纳米粉体改性的活性钎料制备的金刚石工具，其表面金刚石蚀坑数量、金刚石表面或周围的微裂纹数量大大减少，钎料合金层强度损失小，金刚石的力学性能提高8％以上，工具的加工性能得到提升，能够避免高温钎焊对金刚石造成的热损伤、Cu–Sn–Ti合金钎料较严重流淌导致钎料层厚度不均等问题，以提高钎焊金刚石工具的加工效率与使用寿命。

进一步的，微纳米粉体粒径小于20μm，有利于微纳米粉体均匀吸附在钎料表面。

进一步的，采用微纳米粉体改性的活性钎料制备的Cu基钎焊金刚石工具，其表面各处的钎料层厚度较均匀，钎料层对金刚石磨料的把持强度较高，金刚石磨料能出露，并增强了钎料层的耐磨性，工具的加工性能得到提升。

本发明一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，按照质量份数计取钎料本体80–99份和微纳米粉体1–10份；采用溶剂将粒径小于20μm的微纳米粉体完全分散溶解得到混合液A，防止微纳米粉体团聚，然后利用分散剂溶液对微纳米粉体进一步分散，然后加入钎料本体进行充分混合，采用球磨后的微纳米粉体先分散防止其团聚，再通过分散液进一步分散能够与钎料本体充分融合，有利于微纳米粉体在钎料本体表面团聚，本发明钎料本体和微纳米粉体添加比例通过物理数学建模方法精准获取，能够针对活性钎料熔化炉冷后形成合金的韧性、强度和耐磨性要求在给定的高温钎焊条件下获得微纳米粉体的最佳添加比例，得到符合要求的微纳米粉体改性的活性钎料，增加堆积密度有利于改善微纳米粉体分布均匀性，根据本发明制备得到的材料表面金刚石蚀坑数量、金刚石表面或周围的微裂纹数量大大减少，钎料合金层强度损失小，金刚石的力学性能提高8％以上，工具的加工性能得到提升

附图说明

图1为本发明实施例中微纳米粉体改性的活性钎料示意图。

图2为本发明实施例中微纳米粉体改性的活性钎料形貌图。

图3为现有Ni–Cr合金钎焊金刚石钻头示意图。

图4为本发明实施例中改性Ni基活性钎料钎焊钻头形貌图。

其中，1、钎料；2、微纳米粉体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种微纳米粉体改性活性钎料，包括钎料本体和微纳米粉体，按照质量份数计：包括钎料本体80–99份，微纳米粉体1–10份。

钎料本体和微纳米粉体的纯度均大于等于99.9％，钎料本体粒度为50-100目，微纳米粉体粒径小于20μm；微纳米粉体均匀吸附在钎料表面。

所述钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料，所述微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体、缺陷石墨烯、Cu–Ce合金或TiC粉；

一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、按照质量份数计取钎料本体80–99份和微纳米粉体1–10份；

微纳米粉体采用缺陷石墨烯时取1–2份；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时取5–10份，微纳米粉体采用TiC粉时取4-8份，微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体取1–10份；钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料；

步骤2)、将微纳米粉体进行球磨使其粒径小于20μm；

具体的，微纳米粉体采用缺陷石墨烯时，球磨后使其粒径小于20μm，缺陷石墨烯50％以上面积出现结构缺陷；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时，球磨后使其粒径小于10μm；微纳米粉体采用TiC粉时，球磨后使其粒径小于20μm。

步骤3)、采用溶剂将球磨后的微纳米粉体完全分散溶解得到混合液A；

步骤4)、将混合液A在分散剂溶液中混合均匀，然后加入钎料本体进行充分混合均匀后烘干，即可得到微纳米粉体改性的活性钎料。

具体的，本申请采用多层石墨烯经过振动球磨得到缺陷石墨烯；

采用振动球磨机对多层石墨烯或Cu–Ce合金进行球磨，振动球磨机振动频率为10-60Hz，工作振幅2-10mm，球磨机转速为20～80r/min，振动球磨时间1～6h，球料比为1:(0.5–2)，球和粉料(多层石墨烯或Cu–Ce合金)总体积不超过球磨罐体积的85％，球磨罐和球均采用耐磨陶瓷材质。使用电镜观察经过振动球磨制的多层石墨烯或者Cu–Ce合金粉，经过球磨的多层石墨烯的结构缺陷(如褶皱、皱折)和Cu–Ce合金粒径大小；得到粒径小于20μm、50％以上面积出现结构缺陷即为缺陷石墨烯；Cu–Ce合金粒径小于10μm。将多层石墨烯进行研磨目的是增加其缺陷数量；将Cu–Ce合金进行研磨目的是减小其粒径。

步骤3)中，溶剂采用二甲基酰胺(DMF)或液体石蜡，溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(10–50)。

步骤4)中，分散剂溶液采用分散剂和有机溶剂的混合液；

分散剂采用表面活性剂，具体为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或季铵化物，分散剂与微纳米粉体的重量比例为1:(5–10)，有机溶剂为丙酮、酒精、甲酸、乙酸或***，有机溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(0.4–0.8)。

步骤4)中，将混合液A与分散剂溶液在混料机中混合均匀，混料机转速为50～150r/min，混料时间0.5～2h，球料比为1:(10–20)，球和粉料总体积不超过混料罐体积的50％，混料罐采用耐磨陶瓷材质。

本发明微纳米粉体改性的活性钎料添加比例通过以下优化方法计算得到：

对微纳米粉体改性的活性钎料进行布料后其形貌可视为二维平面密堆积(当Ni–Cr合金钎料粒度为50目左右时)或空间密堆积(当Ni–Cr合金钎料粒度为100目左右时)，其特性采用堆积密度来表示，增加堆积密度有利于改善微纳米粉体分布均匀性；本发明微纳米粉体添加比例的优化方法采用物理数学建模方法，即以微纳米粉体改性的活性钎料堆积密度最高作为微纳米粉体添加比例优化的目标函数，根据微纳米粉体和钎料本体的实际粒径大小，建立如下数学关系式：

其中，

为微纳米粉体改性活性钎料在考虑松动效应和楔入效应后的堆积密度，

为微纳米粉体在考虑松动效应和楔入效应后的体积分数，与微纳米粉体添加比例直接相关；a为松动效应系数，b为楔入效应系数，

为微纳米粉体的堆积密度，

为钎料本体的堆积密度，y₁为微纳米粉体的体积分数，y₂为钎料本体的体积分数。

同时，以添加的微纳米粉体不影响活性钎料流动铺展性能作为约束条件，根据活性钎料熔化后流动主要驱动力与其粘性剪切力的关系，建立如下约束函数：

其中，μ为与微纳米粉体添加比例相关的流体动力粘度，T为温度，

为表面张力温度系数，u为x方向动量，v为y方向动量，τ为流体单位面积上微纳米粉体对钎料的摩擦阻力，du/dy为速度梯度。

同时联解上述式(1)和式(2)求得

和

针对活性钎料熔化炉冷后形成合金的韧性、强度和耐磨性要求在给定的高温钎焊条件下获得微纳米粉体的最佳添加比例。

实施例1：

步骤1)、按照质量份数计取Ni–Cr合金钎料90份和Cu–Ce合金8份；

步骤2)、将Cu–Ce合金进行球磨使其粒径小于20μm，振动球磨机振动频率为30Hz，工作振幅7mm，球磨机转速为30r/min，振动球磨时间3h，球料比为1:1，球和粉料总体积为球磨罐体积的80％，球磨罐和球均采用耐磨陶瓷材质；

步骤3)、采用二甲基酰胺将球磨后的Cu–Ce合金完全分散溶解得到混合液A，二甲基酰胺与Cu–Ce合金的重量比例为1:10；

步骤4)、将混合液A在分散剂溶液中混合均匀，然后加入Ni–Cr合金钎料进行充分混合均匀后烘干，即可得到微纳米粉体改性的活性钎料；分散剂溶液中分散剂为十二烷基硫酸钠，十二烷基硫酸钠与Cu–Ce合金的重量比例为1:5，有机溶剂为丙酮，丙酮与Cu–Ce合金的重量比例为1:0.5；混料机转速为100r/min，混料时间1h，球料比为1:10，球和粉料总体积为混料罐体积的50％，混料罐采用耐磨陶瓷材质。实施例1中制成的微纳米粉体改性的Ni基活性钎料，如图1所示；其对钎焊金刚石造成的热损伤较少，采用该Ni基活性钎料制备的钎焊金刚石钻头表面金刚石蚀坑数量、金刚石表面或周围的微裂纹数量大大减少(参阅图2、图3和图4)，钎焊金刚石的静抗压强度提高9％，冲击韧性提高7.9％，钻削寿命提高45％，钻削效率提高25.7％。

实施例2：

步骤1)、按照质量份数计取Ni–Cr合金钎料80份和Cu–Ce合金10份；

步骤2)、将Cu–Ce合金进行球磨，振动球磨机振动频率为10Hz，工作振幅10mm，球磨机转速为20r/min，振动球磨时间6h，球料比为1:2，球和粉料总体积为球磨罐体积的75％，球磨罐和球均采用耐磨陶瓷材质；

步骤3)、采用液体石蜡将球磨后的Cu–Ce合金完全分散溶解得到混合液A，液体石蜡与Cu–Ce合金的重量比例为1:10；

步骤4)、将混合液A在分散剂溶液中混合均匀，然后加入Ni–Cr合金钎料进行充分混合均匀后烘干，即可得到微纳米粉体改性的活性钎料；分散剂溶液中分散剂为十二烷基硫酸钠，十二烷基硫酸钠与Cu–Ce合金的重量比例为1:5，有机溶剂为丙酮，丙酮与Cu–Ce合金的重量比例为1:0.5；混料机转速为100r/min，混料时间1h，球料比为1:10，球和粉料总体积为混料罐体积的50％，混料罐采用耐磨陶瓷材质。

实施例2中制成的微纳米粉体改性的Ni基活性钎料，其对钎焊金刚石造成的热损伤同样较少，采用Ni基活性钎料制备的钎焊金刚石钻头表面金刚石蚀坑数量、金刚石表面或周围的微裂纹数量大大减少，钎焊金刚石的静抗压强度提高8.6％，冲击韧性提高8.1％，钻削寿命提高44％，钻削效率提高24.2％。

与上述实施例中其余步骤相同，采用不同组分及配比制备得到的微纳米粉体改性的活性钎料以及采用其制备的钎焊金刚石工具性能如表1所示：

表1不同组分下钎焊金刚石工具性能

由以上实施例可知，本申请制备的微纳米粉体改性的活性钎料能减少高温钎焊对金刚石造成的热损伤，同时具有钎料合金层强度损失小等特点，适合于制作高性能金刚石工具。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种微纳米粉体改性活性钎料，其特征在于，按照质量份数计：包括钎料本体80–99份，微纳米粉体1–10份；钎料本体和微纳米粉体的纯度均大于等于99.9％，钎料本体粒度为50-100目；微纳米粉体采用缺陷石墨烯时取1–2份；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时取5–10份，微纳米粉体采用TiC粉时取4-8份，微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体取1–10份；钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料。

2.一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、按照质量份数计取钎料本体80–99份和微纳米粉体1–10份；

步骤2)、将微纳米粉体进行球磨使其粒径小于20μm；

步骤3)、采用溶剂将球磨后的微纳米粉体完全分散溶解得到混合液A；

步骤4)、将混合液A在分散剂溶液中混合均匀，然后加入钎料本体进行充分混合均匀后烘干，即可得到微纳米粉体改性的活性钎料；

微纳米粉体采用缺陷石墨烯时取1–2份；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时取5–10份，微纳米粉体采用TiC粉时取4-8份，微纳米粉体采用缺陷石墨烯与Cu–Ce合金两者的复合粉体取1–10份；钎料本体采用Ni–Cr合金钎料或Cu–Sn–Ti合金钎料，微纳米粉体采用缺陷石墨烯时，球磨后使其粒径小于20μm，缺陷石墨烯50％以上面积出现结构缺陷；微纳米粉体采用Cu–Ce合金时，球磨后使其粒径小于10μm；微纳米粉体采用TiC粉时，球磨后使其粒径小于20μm。

3.根据权利要求2所述一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，其特征在于，步骤3)中，溶剂采用二甲基酰胺或液体石蜡，溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(10–50)。

4.根据权利要求2所述一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，其特征在于，步骤4)中，分散剂溶液采用分散剂和有机溶剂的混合液；分散剂采用表面活性剂，分散剂与微纳米粉体的重量比例为1:(5–10)，有机溶剂为丙酮、酒精、甲酸、乙酸或***，有机溶剂与微纳米粉体的重量比例为1:(0.4–0.8)。

5.根据权利要求2所述一种微纳米粉体改性的活性钎料制备方法，其特征在于，步骤4)中，将混合液A与分散剂溶液在混料机中混合均匀，混料机转速为50～150r/min，混料时间0.5～2h，球料比为1:(10–20)，球和粉料总体积不超过混料罐体积的50％。

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