CN105750759B - 一种铜基钎料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种铜基钎料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基钎料，所述铜基钎料为0.1mm～0.3mm的片状结构，其总质量以100份计，由8份～12份的锰，7份～11份的镍，2份～4份的铬，1份～3份的硅以及70份～82份的铜组成。本发明还公开了该铜基钎料的制备方法及其在真空钎焊中的应用。本发明在钎料中添加了镍、锰、铬和硅元素，增加了钎料的润湿性、强度、熔点和耐腐蚀性，从而提高了钎料的连接强度，应用该钎料成功实现了Ti(C,N)基金属陶瓷与钢可靠连接，接头的最大剪切强度达到301.5MPa，平均剪切强度达到276.8Mpa，比现有技术得到的铜基钎料其剪切强度提高了约30％。

Description

一种铜基钎料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于硬钎料的制备领域，更具体地，涉及一种铜基钎料及其制备方法与应用。
背景技术
随着工业发展对材料性能的要求越来越高，在很多情况下金属材料已不能满足需求。陶瓷与金属的可靠连接可获得兼具陶瓷与金属材料各自优异性能的复合构件，使其具有广阔的应用前景，真空钎焊可以有效的解决这个问题。其中，铜基钎料具有润湿性和填充能力好，成本比银基钎料成本低等优点，因此广泛应用于Ti(C,N)基金属陶瓷与金属的焊接工艺中。
然而，现有技术中的铜基钎料通常含有Ag、Zn元素，Ag由于价格贵，提高了钎料的成本，而Zn的饱和蒸气压大，真空钎焊时易挥发，导致钎料的成分发生变化，恶化接头的力学性能。例如文献《Ti(C,N)基金属陶瓷与3Cr13不锈钢的真空钎焊》(四川大学学报(工程科学版)》2012年第S1期)中公开了一种铜基钎料，这种钎料的成分为Cu，Ag，Zn和Ni，其最大剪切强度为154Mpa。然而该钎料一方面在Ti(C,N)基金属陶瓷与Cu基钎料一侧没有形成可靠的冶金结合界面，另一方面其中含有的Ag导致钎料较软，强度不高，因此其接头强度不够，连接质量不稳定，从而在很多场合下难以满足使用要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铜基钎料及其制备方法与应用，其目的在于通过改善铜基钎料的成分，从而提高其接头强度和质量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铜基钎料，以总质量为100份计，由8份～12份的锰，7份～11份的镍，2份～4份的铬，1份～3份的硅以及70份～82份的铜组成。
优选地，所述铜基钎料为厚度0.1mm～0.3mm的片状结构。
按照本发明的另一方面，提供了上述铜基钎料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，将8份～12份的锰粉，7份～11份的镍粉，2份～4份的铬粉，1份～3份的硅粉以及70份～82份的铜粉组成的金属粉末均匀混合；
(2)将所述步骤(1)中获得的混匀的金属粉末压制为压坯片；
(3)将所述步骤(2)中获得的压坯片烧结；
(4)将所述步骤(3)中获得的烧结的压坯片退火轧制为厚度0.1mm～0.3mm的钎料薄片。
优选地，所述步骤(1)中金属粉末的粒径为100目～200目。
优选地，所述步骤(1)具体为：在球磨罐中加入金属粉末、磨球以及能够覆盖金属粉末和磨球的乙醇，充分球磨并干燥后获得混匀的金属粉末。
作为进一步优选地，所述步骤(1)中球磨的转速为200rpm～220rpm，时间为180min～240min。
优选地，所述步骤(2)中压制的压力为300MPa～400Mpa。
优选地，所述步骤(3)中烧结的温度为810℃～830℃，时间为20min～30min。
按照本发明的另一方面，还提供了所述铜基钎料在真空钎焊中的应用。
优选地，所述铜基钎料用于钎焊Ti基金属陶瓷与钢。
优选地，所述铜基钎料的钎焊温度为1050℃～1070℃，钎焊时间为25min～35min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比具有下列有益效果：
1、本发明在铜基钎料中添加了镍元素，用于改善钎料的耐高温性能和耐腐蚀性能；添加了锰元素，用于改善钎料的润湿性和铺展性；添加了铬元素，用于提高钎料的强度和耐腐蚀性，同时降低了钎料的熔点；添加了硅元素，用于防止锰元素氧化，同时改善钎料的流动性；从而整体改善了钎料的润湿性、强度、熔点和耐腐蚀性；
2、利用本发明制备的铜基钎料，成功实现了Ti(C,N)基金属陶瓷与钢可靠连接，接头的最大剪切强度达到301.5MPa，平均剪切强度达到276.8Mpa，比现有技术得到的剪切强度提高了约30％。
附图说明
图1为本发明实施例8的钎焊工艺曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种铜基钎料，所述铜基钎料为0.1mm～0.3mm的片状结构，其总质量为100份计，由8份～12份的锰，7份～11份的镍，2份～4份的铬，1份～3份的硅以及70份～82份的铜组成。
其中，镍元素用于改善钎料的耐高温性能和耐腐蚀性能，然而含量过高的镍元素容易升高钎料的熔点；锰元素用于改善钎料的润湿性和铺展性，然而含量过高的锰元素会使钎料的塑性变差；添加了铬元素，用于提高钎料的强度和耐腐蚀性，同时降低了钎料的熔点，使钎焊温度处于适合钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的温度区间；硅元素用于防止锰元素氧化，同时改善钎料的流动性。
本发明还提供了上述铜基钎料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在球磨罐中加入金属粉末、磨球以及能够覆盖金属粉末和磨球的乙醇，充分球磨并干燥后获得混匀的金属粉末，其中，乙醇过少则金属粉末流动性差，过多则金属粉末混合效果不佳；所述金属粉末的粒径为100目～200目，其质量以份数计，由8份～12份的锰粉，7份～11份的镍粉，2份～4份的铬粉，1份～3份的硅粉以及70份～82份的铜粉组成；球磨的转速为200rpm～220rpm，时间为180min～240min，球料比为5:1～9:1；
(2)以300MPa～400Mpa的压力，将所述步骤(1)中获得的混匀的金属粉末压制为压坯片，压力过小，压坯强度不高，热处理后的铜基钎料强度不高，压力过大，会使铜基钎料产生弹性后效；
(3)将所述步骤(2)中获得的压坯片810℃～830℃烧结20min～30min，以使增加压坯片的强度；
(4)将所述步骤(3)中获得的烧结的压坯片退火轧制为0.1mm～0.3mm的钎料薄片。
上述铜基钎料可应用于真空钎焊，尤其是Ti基金属陶瓷与钢之间的钎焊，其具体步骤包括：
(1)将待焊接的第一基体材料、第二基体材料和铜基钎料打磨后清洗干燥，使其表面变得粗糙；
(2)依次放置第一基体材料、铜基钎料以及第二基体材料，并使三者之间充分接触且相对位置固定；
(3)在小于10-2Pa的真空下，以1050～1070℃钎焊25～35min，冷却后即完成真空钎焊，当钎焊温度为1060℃时，钎焊强度最佳。
实施例1
(1)按质量百分比：Cu粉76％，Mn粉10％，Ni粉9％，Cr粉3％，Si粉2％，其粒度分别为100目，100目，100目，100目，100目，在全方位行星球磨机中进行球磨，球磨介质为完全覆盖金属粉末和磨球的酒精，球料比为7:1，球磨转速210rpm，球磨时间为210min，在真空干燥箱中烘干，得到50g的合金粉末；(2)将合金粉末采用模压成型的方式双向压制，压制压力为350MPa，保压时间为60秒；(3)将压制的合金压坯放入真空烧结炉中，烧结温度为820℃，保温时间为25min；(4)将烧结的块体退火轧制成厚度为200μm，面积为48mm2的钎料箔片。
实施例2
(1)按质量百分比：Cu粉82％，Mn粉8％，Ni粉7％，Cr粉2％，Si粉1％，其粒度分别为200目，200目，200目，200目，200目，在全方位行星球磨机中进行球磨，球磨介质为完全覆盖金属粉末和磨球的酒精，球料比为7:1，球磨转速200rpm，球磨时间为180min，在真空干燥箱中烘干，得到50g的合金粉末；(2)将合金粉末采用模压成型的方式双向压制，压制压力为300MPa，保压时间为60秒；(3)将压制的合金压坯放入真空烧结炉中，烧结温度为810℃，保温时间为20min；(4)将烧结的块体退火轧制成厚度为300μm，面积为48mm2的钎料箔片。
实施例3
(1)按质量百分比：Cu粉70％，Mn粉12％，Ni粉11％，Cr粉4％，Si粉3％，其粒度分别为100目，100目，100目，100目，100目，在全方位行星球磨机中进行球磨，球磨介质为完全覆盖金属粉末和磨球的酒精，球料比为7:1，球磨转速220rpm，球磨时间为240min，在真空干燥箱中烘干，得到50g的合金粉末；(2)将合金粉末采用模压成型的方式双向压制，压制压力为400MPa，保压时间为60秒；(3)将压制的合金压坯放入真空烧结炉中，烧结温度为830℃，保温时间为30min；(4)将烧结的块体退火轧制成厚度为100μm，面积为48mm2的钎料箔片。
实施例4
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，在所述步骤(1)中Cu粉、Mn粉、Ni粉、Cr粉和Si粉的粒径为150目，球料比为9:1。
实施例5
以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，在所述步骤(1)中Cu粉和Mn粉的粒径为100目，Ni粉、Cr粉和Si粉的粒径为150目，球料比为5:1。
实施例6
(1)采用电火花线切割的方法分别将Ti(C,N)基金属陶瓷与低碳钢切成长24mm，宽8mm，高6mm的块体，真空钎焊前，将基体材料和实施例1钎料箔片用金相水砂纸打磨，然后将其放置在丙酮溶液中进行超声波清洗，去除杂质和油污，时间为30min，温度为30℃，最后用酒精冲洗并吹干。
(2)将Ti(C,N)基金属陶瓷、钎料箔片和低碳钢依次搭接放置，并为了保持待焊件完全接触，在装配好的试样上放置～200g压块。
(3)真空钎焊炉从室温开始升温，第一段升温速率为8℃/min，加热到580℃保温20min；第二段升温速率为4℃/min，加热到900℃保温15min；第三段升温速率为4℃/min，加热到钎焊温度1050℃，保温时间为25min；降温速率为5℃/min，降温到400℃保温20min，然后自然炉冷至室温出炉。此工艺条件下得到的剪切强度值为263.8MPa。
(4)真空钎焊过程中，真空度维持在10-2Pa。
实施例7
(1)采用电火花线切割的方法分别将Ti(C,N)基金属陶瓷与低碳钢切成长24mm，宽8mm，高6mm的块体，真空钎焊前，将基体材料和实施例2的钎料箔片用金相水砂纸打磨，然后将其放置在丙酮溶液中进行超声波清洗，去除杂质和油污，时间为30min，温度为30℃，最后用酒精冲洗并吹干。
(2)将Ti(C,N)基金属陶瓷、钎料箔片和低碳钢依次搭接放置，并为了保持待焊件完全接触，在装配好的试样上放置～200g压块。
(3)真空钎焊炉从室温开始升温，第一段升温速率为12℃/min，加热到620℃保温30min；第二段升温速率为7℃/min，加热到900℃保温25min；第三段升温速率为7℃/min，加热到钎焊温度1070℃，保温时间为35min；降温速率为7℃/min，降温到450℃保温30min，然后自然炉冷至室温出炉。此工艺条件下得到的剪切强度值为265.1MPa。
(4)真空钎焊过程中，真空度维持在10-2Pa。
实施例8
(1)采用电火花线切割的方法分别将Ti(C,N)基金属陶瓷与低碳钢切成长24mm，宽8mm，高6mm的块体，真空钎焊前，将基体材料和实施例3所制备的钎料箔片用金相水砂纸打磨，然后将其放置在丙酮溶液中进行超声波清洗，去除杂质和油污，时间为30min，温度为30℃，最后用酒精冲洗并吹干。
(2)将Ti(C,N)基金属陶瓷、钎料箔片和低碳钢依次搭接放置，并为了保持待焊件完全接触，在装配好的试样上放置～200g压块。
(3)真空钎焊炉从室温开始升温，第一段升温速率为10℃/min，加热到600℃保温25min；第二段升温速率为6℃/min，加热到910℃保温17min；第三段升温速率为6℃/min，加热到钎焊温度1060℃，保温时间为30min；降温速率为6℃/min，降温到425℃保温25min，然后自然炉冷至室温出炉，其温度曲线如图1所示。此工艺条件下得到的剪切强度值为301.5MPa。
(4)真空钎焊过程中，真空度维持在10-2Pa。
实施例9
以和实施例8相同的方法，以实施例4-实施例5作为钎料，进行Ti(C,N)基金属陶瓷与低碳钢之间的焊接，也可得到与实施例6-实施例8类似的结果，剪切强度值为263.8MPa～301.5Mpa。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于金属陶瓷与钢钎焊的铜基钎料，其特征在于，以总质量为100份计，由8份～12份的锰，7份～11份的镍，2份～4份的铬，1份～3份的硅以及70份～82份的铜组成。
2.如权利要求1所述的铜基钎料，其特征在于，所述铜基钎料为厚度0.1mm～0.3mm的片状结构。
3.如权利要求1或2所述的铜基钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，将8份～12份的锰粉，7份～11份的镍粉，2份～4份的铬粉，1份～3份的硅粉以及70份～82份的铜粉组成的金属粉末均匀混合；
(2)将所述步骤(1)中获得的混匀的金属粉末压制为压坯片；
(3)将所述步骤(2)中获得的压坯片烧结；
(4)将所述步骤(3)中获得的烧结的压坯片退火轧制为0.1mm～0.3mm的钎料薄片。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：在球磨罐中加入金属粉末、磨球以及能够覆盖金属粉末和磨球的乙醇，充分球磨并干燥后获得混匀的金属粉末。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中球磨的转速为200rpm～220rpm，时间为180min～240min。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中压制的压力为300MPa～400Mpa。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中烧结的温度为810℃～830℃，时间为20min～30min。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中金属粉末的粒径为100目～200目。
9.如权利要求1或2所述的铜基钎料在真空钎焊中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，用于钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与钢。
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