CN113458655B - 一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料、制备方法及其钎焊方法 - Google Patents

一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料、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Hf的多元无硼镍基合金钎料、制备方法及其钎焊方法；这种含Hf的多元无硼镍基合金钎料，包括NiCrSiCuSn合金相和增强相Hf，各组分的质量百分比为51.0％～55.0％的Ni，12.0％～15.0％的Cr，3.0％～5.0％的Si，16.0％～20.0％的Cu，3.0％～5.0％的Sn和0～4％的Hf，通过真空电弧熔炼获得合金钎料，去除B元素，大大提高了钎料的韧性；加入少量Hf元素，在不提高钎焊温度的同时，降低了石墨化、热裂纹等热损伤的问题，减少了脆性相的产生，并提高了钎料对金刚石的把持力，提高了接头的强度和硬度，保证了接头的力学性能。

Description

一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料、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Hf的多元无硼镍基合金钎料、制备方法及其钎焊方法。
背景技术
与传统金刚石工具相比，单层钎焊金刚石工具具有金刚石磨粒固着力强，切削效率高，容屑空间大，使用寿命长等诸多优点，因而常用于硬脆材料的加工。但是仍存在一些不足，由于钎焊金刚石工具制造时，钎焊温度高，金刚石颗粒热损伤较大，导致其强度降低，在重负荷磨削加工过程中，这些热损伤较大的金刚石颗粒发生破碎、断裂，甚至整体脱落的几率相对就会高一些。
目前适于钎焊金刚石的常用活性钎料有镍基活性钎料、铜基活性钎料和银基活性钎料。银基活性钎料具有较低的熔化温度，能很好地润湿金刚石，但较高的含银量增加了钎焊成本。铜基钎料润湿性较好，但强度、硬度及耐磨性都不如Ni基钎料。
Ni基活性钎料具有较高的硬度和强度，抗磨损性能和耐腐蚀性能好，因而制成的金刚石工具可实现重负荷、恶劣环境条件下的操作作业，但其较高的钎焊温度会造成金刚石的石墨化、化学侵蚀、残余应力等热损伤，如金刚石的破损及孔洞等，削弱了金刚石的机械强度和基体对金刚石的把持力，造成金刚石的断裂和脱落。这些都会导致单层钎焊金刚石工具的强度和硬度降低，使用寿命减少。因此而展开Ni基活性钎料全面***的研究，研发熔化温度低，硬度-强度-韧性最优的新型多元镍基活性钎料。
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Ni基活性钎料较高的钎焊温度造成金刚石的石墨化、化学侵蚀、残余应力等热损伤的问题，提供了一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料、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Hf的多元无硼镍基合金钎料，各组分的质量百分比为51.0％～55.0％的Ni，12.0％～15.0％的Cr，3.0％～5.0％的Si，16.0％～20.0％的Cu，3.0％～5.0％的Sn和0～4％的Hf。
本发明还公开了上述含Hf的多元无硼镍基合金钎料的制备方法，包括以下步骤：
S1：称取各元素：依据各元素质量百分比称取相应的Hf、Ni、Cr、Si、Cu、Sn单质原料，将称取后的单质金属用丙酮超声清洗10～20min，烘干；
S2：熔炼制备合金：将步骤S1中得到的烘干后的金属单质置于真空电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为1×10-3～5×10-3Pa，并通入高纯Ar气作为保护气，采用脉冲电弧加热的方法熔炼合金，待合金随炉冷却后从炉中取出，制得合金铸锭，吸铸得到合金钎料。
所述步骤S1中Hf、Ni、Cr、Si、Cu、Sn单质的纯度均为99.5％。
所述步骤S2中脉冲电弧加热电流范围为50～150A。
所述步骤S2中熔炼合金时对钎料合金重熔-凝固-重熔-凝固反复熔炼至少5次。
本发明还公开了上述种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的钎焊方法，包括以下步骤：
(1)分别采用粒度为320#、600#的砂纸打磨钢的钎焊面，然后用丙酮超声清洗5min，烘干；
(2)将合金钎料打磨成钎料片；
(3)将步骤(2)中得到的钎料片铺在步骤(1)中烘干后的钢表面，然后放入真空电阻钎焊炉中进行钎焊，真空度保持在1×10-3，加热至1100℃并保温15min，待冷却至室温时取出，得到钎焊接头。
所述步骤(1)中钢的尺寸为15mm×10mm×6mm。
所述步骤(2)中钎料片的尺寸为15mm×6mm，厚度为100～300μm。
所述步骤(3)中升温速率为10℃/min。
本发明中合金元素的多元化与微量元素的添加主要用于：一是降低钎料合金的液相线温度；二是抑制钎料脆性相的产生；三是减少钎料的高温热损伤；四是具有较好的力学性能，满足钎焊要求。其中添加各种合金元素作用如下：
Cr：提高钎料的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性能，促进钎料的润湿过程；
Si：降低钎料熔点，提高钎料的流动性；
Cu：固溶在Ni基钎料中，起固溶强化的作用；
Sn：降低熔点
Hf：降熔元素，细化晶粒，抑制金属间化合物的生成和长大，减少脆性相的产生。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、本发明首次研发了含Hf元素的Ni基无硼钎料，并基于钎焊原理和合金化理论进行研究，通过合金成分设计和优化，发现Hf元素细化了晶粒，降低了合金钎料的熔点，抑制了金属间化合物的生成，提高了钎焊接头的力学性能，大大提高了钎料和接头的硬度，同时在加入1wt％Hf时提高了钎料合金的耐磨性和对金刚石的把持力。
2、Hf的加入促进了界面化学冶金反应，提高了基体对金刚石的把持强度；同时，Hf原子能与Ni原子反应生成铪镍化合物，消耗了部分镍原子，削弱了触媒元素Ni对金刚石石墨化的催化作用。
3、钎料合金的制备和钎焊的结果表明，在凝固后期枝晶间的富Hf熔体具有很好的流动性、浸润性和趋肤效应，降低了合金热裂纹倾向，提高了钎料合金的焊接性能。
附图说明
图1为本发明吸铸片状矩形钎料的设备和模具示意图；
图2为本发明钎焊金刚石机理流程图；
图3为不含Hf的合金钎料组织和含Hf的合金钎料组织的扫描电镜图，其中(a)为不加Hf的Ni基钎料，(b)为加1.0％Hf的Ni基钎料，(c)为加4.0％Hf的Ni基钎料；
图4为不含Hf的合金钎料组织和含Hf的合金钎料组织的DSC曲线图；
图5为实施例1～3得到的钎焊金刚石的扫描电镜微观形貌图，其中(a)为不含Hf元素的钎料钎焊金刚石，(b)为含1.0％Hf元素的钎料钎焊金刚石，(c)为含4.0％Hf元素的钎料钎焊金刚石，
图6为钎焊接头基体-界面-钎料的显微硬度；
图7为钎焊接头的摩擦磨损试验结果。
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
成分(质量百分比)：Ni：55.0％，Cr：15.0％，Si：5.0％，Cu：20.0％，Sn：5.0％，Hf：0％。
制备方法：
(1)根据各元素质量百分比称取相应单质金属原料：用砂纸打磨相应单质金属原料表面氧化皮和杂质后称取对应的5.5g Ni、1.5g Cr、0.5g Si、2g Cu、0.5g Sn，并用丙酮超声清洗10min左右，烘干待用。
(2)将烘干的金属原料放置于真空电弧炉中，抽至真空度为3×10-3Pa，并通入Ar气作为保护气，将各金属单质原料按熔点高低自上而下放入坩埚中，Sn金属在最底部，有效地避免原料在熔炼时的挥发；随后熔炼合金，使钎料合金重熔-凝固-重熔-凝固3～4遍，待钎料合金随炉冷却后从熔炼炉中取出，制得铸锭状合金钎料。
(3)将炼好的合金钎料吸铸成截面为15×6mm，厚度为0.5mm的矩形片状钎料，吸铸示意图如图一所示。用砂纸打磨片状钎料直至厚度为0.1～0.3mm，随后放入丙酮超声清洗，风干备用。吸铸片状矩形钎料的设备和模具示意图如图1所示，该设备在真空条件下，通入氩气保护，熔化铸锭状钎料，通过铜模具凝固出片状矩形钎料。
(4)试验所用钢为市售45#钢，尺寸为15×10×6mm，分别用150#，320#，600#的砂纸打磨钢块钎焊面和其他表面，去除铁锈和其他杂志，保证钢面的光滑平整；之后在丙酮中超声清洗5min，吹干备用。
(5)选用的金刚石磨粒粒径约为35/40目；将金刚石先用丙酮超声清洗5～10min，去除表面的污渍，之后吹干备用。
将金刚石-钎料合金片-钢基体用粘结剂依次粘结如图2所示，并放入高温真空钎焊炉中进行钎焊；钎焊时，炉内真空保持在1×10-3真空以下，加热速率为10℃/min，直至加热到1150℃，并保温30min以内；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊件，得到钎焊接头的钎焊样品。钎焊金刚石机理流程如图2所示，其中分别从原始状态-升温-熔化-降温凝固来说明金刚石-钎料-基体的各个界面处的元素分布情况。
实施例2
成分(质量百分比)：Ni：54.0％，Cr：15.0％，Si：5.0％，Cu：20.0％，Sn：5.0％，Hf：1.0％。
(1)根据各元素质量百分比称取相应单质金属原料：用砂纸打磨相应单质金属原料表面氧化皮和杂质后称取对应的5.4g Ni、1.5g Cr、0.5g Si、2g Cu、0.5g Sn以及0.1gHf，并用丙酮超声清洗10min左右，烘干待用。
(2)将烘干的金属原料放置于真空电弧炉中，抽至真空度为3×10-3Pa，并通入Ar气作为保护气，将各金属单质原料按熔点高低自上而下放入坩埚中，Sn金属在最底部，有效地避免原料在熔炼时的挥发；随后熔炼合金，使钎料合金重熔-凝固-重熔-凝固3～4遍，待钎料合金随炉冷却后从熔炼炉中取出，制得铸锭状合金钎料。
(3)将炼好的合金钎料吸铸成截面为15×6mm，厚度为0.5mm的矩形片状钎料，吸铸示意图如图一所示。用砂纸打磨片状钎料直至厚度为0.1～0.3mm，随后放入丙酮超声清洗，风干备用。
(4)试验所用钢为市售45#钢，尺寸为15×10×6mm，分别用150#，320#，600#的砂纸打磨钢块钎焊面和其他表面，去除铁锈和其他杂志，保证钢面的光滑平整；之后在丙酮中超声清洗5min，吹干备用。
(5)选用的金刚石磨粒粒径约为35/40目；将金刚石先用丙酮超声清洗5～10min，去除表面的污渍，之后吹干备用。
将金刚石-钎料合金片-钢基体用粘结剂依次粘结如图2所示，并放入高温真空钎焊炉中进行钎焊；钎焊时，炉内真空保持在1×10-3真空以下，加热速率为10℃/min，直至加热到1150℃，并保温30min以内；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊件，得到钎焊接头的钎焊样品。
实施例3
成分(质量百分比)：Ni：51.0％，Cr：15.0％，Si：5.0％，Cu：20.0％，Sn：5.0％，Hf：4.0％
(1)根据各元素质量百分比称取相应单质金属原料：用砂纸打磨相应单质金属原料表面氧化皮和杂质后称取对应的5.1g Ni、1.5g Cr、0.5g Si、2g Cu、0.5g Sn以及0.4gHf，并用丙酮超声清洗10min左右，烘干待用。
(2)将烘干的金属原料放置于真空电弧炉中，抽至真空度为3×10-3Pa，并通入Ar气作为保护气，将各金属单质原料按熔点高低自上而下放入坩埚中，Sn金属在最底部，有效地避免原料在熔炼时的挥发；随后熔炼合金，使钎料合金重熔-凝固-重熔-凝固3～4遍，待钎料合金随炉冷却后从熔炼炉中取出，制得铸锭状合金钎料。
(3)将炼好的合金钎料吸铸成截面为15×6mm，厚度为0.5mm的矩形片状钎料，吸铸示意图如图一所示。用砂纸打磨片状钎料直至厚度为0.1～0.3mm，随后放入丙酮超声清洗，风干备用。
(4)试验所用钢为市售45#钢，尺寸为15×10×6mm，分别用150#，320#，600#的砂纸打磨钢块钎焊面和其他表面，去除铁锈和其他杂志，保证钢面的光滑平整；之后在丙酮中超声清洗5min，吹干备用。
(5)选用的金刚石磨粒粒径约为35/40目；将金刚石先用丙酮超声清洗5～10min，去除表面的污渍，之后吹干备用。
(6)将金刚石-钎料合金片-钢基体用粘结剂依次粘结如图2所示，并放入高温真空钎焊炉中进行钎焊；钎焊时，炉内真空保持在1×10-3真空以下，加热速率为10℃/min，直至加热到1150℃，并保温30min以内；当炉内温度冷却到室温时，取出钎焊件，得到钎焊接头的钎焊样品。
实施例1～3中的不含Hf的合金钎料组织和含Hf的合金钎料组织的扫描电镜图如图3所示，其中(a)为不加Hf的Ni基钎料，(b)为加1.0％Hf的Ni基钎料，(c)为加4.0％Hf的Ni基钎料，对比发现，含Hf的合金钎料组织均匀细化，达到预期要求。
实施例1～3中的不含Hf的合金钎料组织和含Hf的合金钎料组织的DSC曲线图如图4所示，由图可知钎料的液相线温度为937℃，实施例中的钎焊温度在此基础上预设。
实施例1～3中的钎焊金刚石的扫描电镜微观形貌如图5所示。
实施例1～3中的钎焊基体-界面-钎料接头的显微硬度如图6所示，结果表明，界面层＞钎料＞基体硬度值，同时加入Hf元素的硬度值普遍大于不添加Hf的Ni基钎料。
实施例1～3中的钎焊接头摩擦磨损试验，采用多功能摩擦磨损试验机，其中接头受力100N，转盘转速为200转每分钟。结果如图7所示，摩擦系数越低代表金刚石磨粒在磨削过程中所受到的阻力越小，耐磨性越好。结果表明，加入Hf元素的Ni基钎料摩擦磨损性能较好。
综上，本发明所提供的的一种用于钎焊金刚石和合金的含Hf多元Ni基无硼钎料，具有较低的熔点，可以减少金刚石的热损伤；较少的金属间化物可以提高钎料的韧性；同时对金刚石具有较好的把持力，进而增加了钎料的耐磨性。
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Hf的多元无硼镍基合金钎料，其特征在于，包括NiCrSiCuSn合金相和增强相Hf，各组分的质量百分比为51.0％～55.0％的Ni，12.0％～15.0％的Cr，3.0％～5.0％的Si，16.0％～20.0％的Cu，3.0％～5.0％的Sn和0～4％的Hf。
2.一种如权利要求1所述的含Hf的多元无硼镍基合金钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：称取各元素：依据各元素质量百分比称取相应的Hf、Ni、Cr、Si、Cu、Sn单质原料，将称取后的单质金属用丙酮超声清洗10～20min，烘干；
S2：熔炼制备合金：将步骤S1中得到的烘干后的金属单质置于真空电弧熔炼设备中，抽真空至真空度为1×10-3～5×10-3Pa，并通入高纯Ar气作为保护气，采用脉冲电弧加热的方法熔炼合金，待合金随炉冷却后从炉中取出，制得合金铸锭，吸铸得到合金钎料。
3.如权利要求2所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中Hf、Ni、Cr、Si、Cu、Sn单质的纯度均为99.5％。
4.如权利要求2所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中脉冲电弧加热电流范围为50～150A。
5.如权利要求2所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中熔炼合金时对钎料合金重熔-凝固-重熔-凝固反复熔炼至少5次。
6.一种如权利要求1所述的含Hf的多元无硼镍基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别采用粒度为320#、600#的砂纸打磨钢的钎焊面，然后用丙酮超声清洗5min，烘干；
(2)将合金钎料吸铸成钎料片并打磨；
(3)将步骤(2)中得到的钎料片铺在步骤(1)中烘干后的钢表面，然后放入真空电阻钎焊炉中进行钎焊，真空度保持在1×10-3，加热至1150℃并保温25min，待冷却至室温时取出，得到钎焊接头。
7.如权利要求6所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤(1)中钢的尺寸为15mm×10mm×6mm。
8.如权利要求6所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤(2)中钎料片的尺寸为15mm×6mm，厚度为100～300μm。
9.如权利要求5所述的一种含Hf的多元无硼镍基合金钎料的钎焊方法，其特征在于，所述步骤(3)中升温速率为10℃/min。
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