[发明专利]钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，简称c-BN)的硬度仅次于金刚石，具有优越的物理、化学、力学和热稳定性能，在大气中加热至1000℃时不发生氧化，尤其是不存在着金刚石制品和工具加工黑色铁基合金材料发生反应的局限性，成为新一代超硬材料，被国际材料界作为金刚石的替代材料。c-BN制品和工具非常适合加工黑色铁基合金材料，如淬硬钢、高速工具钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢和钛合金等高硬度韧性大的金属材料。特别是近年来随着技术创新与高技术产品的不断涌现，零件的加工精度与表面完整性要求愈来愈高。例如，录像头、影碟机等精密零件的加工精度已提高到0.01um，激光陀螺平面反射镜的平面度误差要求小于0.01um，汽车凸轮轴和发动机内腔的表面粗糙度要求达到Ra0.005um-0.01um。传统技术与加工材料(如采用硬质合金刀具和Al₂O₃砂轮磨削进行生产)难以满足生产需要，超硬材料替代传统硬质材料用于生产日趋明显。而在钻探方面，c-BN对勘探铁矿床、中低温硫化矿床以及含有铁质的氧化带的矿床和在未来高温深井钻探与地热钻探等方面亦具有广阔的应用前景。

c-BN的延性和冲击韧度低，机械加工性能差；同时，c-BN与金属原子键结构的不同，表现出非常稳定的电子配位，很难被熔化的液态金属所润湿，一般焊接材料很难实现c-BN与其他金属的连接，限制其二次开发应用。目前c-BN制品和工具多采用烧结或电镀工艺制造。采用烧结或电镀工艺制造的c-BN制品和工具，c-BN磨粒只是被机械包埋镶嵌在结合层金属中，与基体材料间作用力较弱，当c-BN制品和工具在工作期间受到外部较大的冲击力作用，起耐磨作用的c-BN很容易被敲落下来，降低制品和工具的使用寿命。电镀制备c-BN制品和工具，还会对环境造成严重污染。

采用先进的现代连接技术制备c-BN制品和工具是近几年发展起来的一项高新技术。20世纪90年代末，随着先进的现代连接技术的发展，c-BN之间及其与其它金属的连接成为钎焊界研究的热点和前沿之一，美国、俄罗斯、白俄罗斯、德国和日本等已开始尝试采用钎焊技术制备c-BN制品和工具。国外关于c-BN材料的连接研究的最初报道是在1999年。C.M.Sung、Jan.Felba等人采用真空钎焊技术，使用银基钎料制备c-BN砂轮。研究发现，钎料与c-BN界面上发生了诸如溶解、扩散、化合之类的相互作用，从根本上改善了c-BN、钎料、基体(钢)三者间的结合强度。银基钎料制备的c-BN砂轮与传统烧结或电镀制备的c-BN砂轮比较，c-BN、钎料、基体(钢)三者间的结合强度提高30-40％。德国唯一能够研发、制造和维修各种军用和民用发动机部件的MTU慕尼黑公司，开展了在高压涡轮机中采用永久耐磨防护发动机叶片的可行性研究。MTU慕尼黑公司的研究人员研究了三种不同方法的适应性：1.电镀c-BN细单晶；2.等离子喷涂ZrO2；3.钎焊c-BN细单晶。结果表明，用银基钎料将c-BN细单晶钎焊在钛合金表面可使结合强度最大、最耐腐蚀与耐磨。银基钎料钎焊制备c-BN工具和制品，成本高，工作温度低，制品和工具的高温性能与c-BN的热稳定性不匹配，不能满足c-BN作为高温耐磨材料的要求。尤其是近几年，c-BN用作发动机活塞环、燃气轮机的发动机、压缩机的叶片表面形成具有永久的耐磨性和耐氧化性超硬涂层，因此高温钎料钎焊制备c-BN制品和工具成为发展趋势。中国发明专利200610016981.4介绍了一种(Ti5-15、Sn6-12、Cu余量)含Ti的铜基活性钎料制备c-BN复合材料的方法。Ti是活性极强的元素，钎焊过程中保证活性元素的活性和对活性元素的保护是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是提供熔点较高，综合性能优良，成本低廉的钎焊c-BN制品和工具的高温铜基活性钎料。通过高温钎焊的方法，将c-BN与钢基体连接起来，制造高精度、高效率的制品、工具及高温耐磨复合材料与部件。

本发明的上述目的是这样实现的：

一种钎焊立方氮化硼高温铜基活性钎料，以Cu为基础合金成分，添加Ni、Zr、Ti元素构成高温铜基活性钎料，钎料合金成份按重量百分比计：Cu：90-79.5，Ni：4-5，Zr：1-5.5，Ti：5-10。