CN110193682B - 钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎料及其制备方法，所述钎料按重量百分比计，包含：15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al和0.01％～0.3％的Mg，余量为Cu。

Description

钎料及其制备方法

技术领域

本发明的实施例涉及焊接技术领域，特别涉及一种钎料及其制备方法。

背景技术

可伐合金与TZM合金材料的钎焊器件广泛应用于核工业、航空航天、电力等领域。现有技术中，一般采用银基钎料(例如含银40-70wt％、含钯15-30wt％、含铜15-30wt％的银基钎料)对可伐合金与TZM合金进行焊接。

然而，银基钎料的蒸气压较高，钎焊过程中含银蒸气常在温度相对较低的部位(例如钎焊炉的内壁、焊接器件的其他部位等)沉积，从而造成污染，特别地，在研制精密器件时，由于污染问题难以解决，进而影响器件的整体性能。另外一方面，由于银的中子吸收截面较大，在中子辐照的环境中长期运行时，焊缝的强度和气密性会受到较为严重的影响，这对钎焊器件在核工业领域的应用造成极大困扰。此外，银和钯属于贵金属元素，采用银基钎料会使得焊接成本较高。

因此，有必要研究一种能够替代银基钎料的性能稳定可靠且使用较为经济的钎料。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钎料及其制备方法，以解决上述技术问题中的至少一个方面。

根据本发明的一个方面，提出一种钎料，所述钎料按重量百分比计，包含：15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al和0.01％～0.3％的Mg，余量为Cu。

根据一些实施方式，所述钎料按重量百分比计，包含：22％～27％的Mn、4.2％～7.2％的Ni、0.5％～1.5％的Fe、0.01％～0.05％的Al和0.01％～0.05％的Mg，余量为Cu。

根据一些实施方式，所述钎料的厚度为0.1～1mm。

根据本发明的另一方面，提出一种钎料的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，按照相对总配方的重量百分比计，将15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al、0.01％～0.3％的Mg以及余量的Cu进行配制，并置于加热炉中在1010℃～1310℃熔炼，获得液态合金；步骤2，将液态合金进行浇铸，得到铸锭；以及步骤3，对铸锭进行轧制，制成所需厚度的钎料。

根据一些实施方式，在步骤2之前还包括：将液态合金在950℃～1010℃的温度下保温5～25min。

根据一些实施方式，步骤3包括：步骤31，将铸锭在350℃～550℃进行热轧，得到热轧带材；以及步骤32，将热轧带材进行冷轧，制成所需厚度的钎料。

根据一些实施方式，各金属材料的纯度大于99.9％。

根据本发明的另一方面，提出一种利用所述钎料进行焊接的方法，包括以下步骤：将所述钎料置于第一材料与第二材料的待焊接处，得到待焊件；以及将所述待焊件置于真空度大于1.0×10^-3Pa的钎焊炉中，在940℃～970℃保温1～5min，之后冷却至室温，得到所述第一材料与所述第二材料的焊接件。

在根据本发明的实施例的钎料中，通过选择Mn、Cu、Ni、Fe作为主元素，并加入微量的Al和Mg进行调节，同时将各元素的含量控制在合适范围内，使得所述钎料相较于现有的银基钎料，具有焊接成本低、中子吸收截面相对较小、蒸气压低的特点，能够保证形成的焊缝耐辐照能力强、性能稳定可靠，并且可以避免焊接时引入污染问题而影响器件的整体性能。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的钎料用于焊接第一材料与第二材料时焊接接头的示意图；以及

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的钎料的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的钎料3用于焊接第一材料1与第二材料2时焊接接头的示意图，如图1所示，本发明的钎料3可以用于焊接第一材料1与第二材料2。所述第一材料与所述第二材料可以是同种材料或不同种材料。在优选的实施方式中，所述第一材料可以是可伐合金，所述第二材料可以是TZM合金，当然，除此之外，本发明的钎料还可以根据实际情况用于焊接任何合适的材料。

可伐(KOVAR)合金，又称铁镍钴合金，材料牌号4J29，为含镍29wt％、含钴17wt％的硬玻璃铁基封接合金。该合金在20～450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数，与相应的硬玻璃能进行有效封接匹配。可伐合金广泛用于真空电子、电力电子等行业，例如用于制作电真空元件、发射管、显像管、开关管、晶体管以及密封插头和继电器外壳等。

TZM合金，又称钼锆钛合金、钛锆钼合金，是包含0.50wt％钛、0.08wt％锆、0.02wt％碳的钼基合金。TZM合金具有熔点高、强度大、弹性模量高、线膨胀系数小、蒸气压低、导电导热性好、抗蚀性强以及高温力学性能良好等特点，在军事工业、电子电气工业、核工业等领域得以广泛应用。

钎料是指为实现两种材料(或零件)的结合，在其间隙内或间隙旁所加的填充物，即用来形成焊缝的填充材料。钎料的熔点低于母材熔点，焊接时，将钎料和母材一同加热，在母材不熔化的情况下，通过钎料的熔化及对母材的润湿，液态钎料在毛细作用下填充被连接母材之间的间隙，形成焊缝。

本发明实施例的钎料按重量百分比计，包含：15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al和0.01％～0.3％的Mg，余量为Cu。在根据本发明的实施例的钎料中，通过选择Mn、Cu、Ni、Fe作为主元素，并加入微量的Al和Mg进行调节，同时将各元素的含量控制在合适范围内，使得所述钎料相较于现有的银基钎料，具有焊接成本低、中子吸收截面相对较小、蒸气压低的特点，能够保证形成的焊缝耐辐照能力强、性能稳定可靠，并且可以避免焊接时引入污染问题而影响器件的整体性能。本发明的钎料增强了对难熔合金、可伐合金等的钎焊性，表现在润湿性、铺展性以及界面反向效果等方面的改善。

本发明实施例的钎料尤其适用于真空钎焊。在使用时，可以根据实际的焊接条件，通过在上述成分范围内调整各组分的含量来调节钎料的流动性。所述钎料适用于反应堆及航天器件的导电接头、管接头、发电器件等对洁净度、导电性和抗辐照性要求较高的零部件焊接。

现有技术用于焊接可伐合金与TZM合金的银基钎料包含银(Ag)、钯(Pd)和铜(Cu)，本发明实施例的钎料包含铜(Cu)、锰(Mn)、镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)和镁(Mg)。表1示出了上述几种金属元素的热中子吸收截面参考数据。

表1几种金属元素的热中子吸收截面参考数据

如表1所示，本发明实施例的钎料组成元素的中子吸收截面都显著小于银的中子吸收截面，从而在中子辐照后性能影响较小，能够长时间保持较好的焊缝强度和气密性。

在本发明的实施例中，Mn、Cu、Ni、Fe是无银钎料的主元素，其对钎料的加工性能和焊接性能有较大的影响。通过将各元素含量控制在上述范围内，一方面可以满足钎料在加工性能方面的要求，另一方面可以保证钎料熔点在900～1000℃之间。

Mn和Cu为所述钎料中含量最多的两种元素，在上述比例下形成一定的固溶体，使得钎料的焊接温度可以控制在950～1010℃之间，与现有的银铜钯钎料的焊接温度基本相同。根据表1，Mn和Cu的中子吸收截面与银相比较小，耐辐照能力强。含量相对较多的另一元素是Ni，Ni可以增加钎料的润湿能力，改善液态钎料表面特性和焊缝表面质量，同时可以改善钎料的抗腐蚀能力，其含量优选为4.0～10.0wt％。

少量的Fe元素的加入可以增加钎料在第一材料(例如可伐合金)及第二材料(例如TZM合金)上的铺展性，但是加入量不宜太多，否则会形成铁的独立相，降低钎料的耐腐蚀性，其含量优选为0.1～3.0wt％。微量的Al和Mg的加入能够增加钎料的延展性能，调节钎料的熔流点温度，但是加入量不宜过多，否则会影响钎料的整体性能，其含量控制在0.01～0.30wt％。

在一些实施例中，所述钎料按重量百分比计，可以包含：22％～27％的Mn、4.2％～7.2％的Ni、0.5％～1.5％的Fe、0.01％～0.05％的Al和0.01％～0.05％的Mg，余量为Cu。

本发明实施例的钎料的厚度可以为0.1～1mm，例如0.2mm、0.3mm或0.5mm。所述钎料可以成型为带材或丝材等不同形状规格。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的钎料的制备方法的流程图，如图2所示，所述钎料的制备方法可以包括以下步骤：

步骤1，按照相对总配方的重量百分比计，将15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al、0.01％～0.3％的Mg以及余量的Cu进行配制，并置于加热炉中在1010℃～1310℃熔炼，获得液态合金；其中，各金属材料的纯度大于99.9％，所有原料完全熔化后充分搅拌；

步骤2，将液态合金进行浇铸，得到铸锭；以及

步骤3，对铸锭进行轧制，制成所需厚度的钎料。

在一些实施例中，在步骤2之前还包括：将液态合金在950℃～1010℃的温度下保温5～25min。由此能够保证冶炼工艺达到充分的冶金结合效果。

在一些实施例中，步骤3可以进一步包括：

步骤31，将铸锭在350℃～550℃进行热轧，得到热轧带材；以及

步骤32，将热轧带材进行冷轧，制成所需厚度的钎料。

对铸锭进行热轧时，可以进行预定道次数的轧制，并可在各道次之间进行热处理。在对热轧带材进行冷轧之前，可以对热轧带材进行酸洗，之后可以进行预定道次数的冷轧。冷轧之后可以对所得钎料进行退火处理，以消除冷轧加工硬化。除轧制之外，还可以采用挤压、拉丝等加工方法加工成所需形状规格的钎料。

本发明还提供一种利用所述钎料进行焊接的方法，包括以下步骤：

将所述钎料置于第一材料与第二材料的待焊接处，得到待焊件；其中，可以采用夹具将母材与钎料固定在一起；以及

将所述待焊件置于真空度大于1.0×10^-3Pa的钎焊炉中，在940℃～970℃保温1～5min，之后冷却至室温，得到所述第一材料与所述第二材料的焊接件。

根据以上描述，本发明实施例的钎料至少具有以下几方面的有益效果：

(1)钎料不含贵金属元素Ag、Pd等，成本较低；

(2)钎料的熔点适中，其固相线温度为920～940℃，液相线温度为940～970℃，最低钎焊温度为950～1010℃，适合于焊接可伐合金与TZM合金；

(3)钎料的加工性能良好，可以通过配比、熔炼、浇铸、轧制或挤压、拉丝等加工方法加工成带材或丝材等不同形状规格的钎料；

(4)钎料对可伐合金与TZM合金的润湿性好，焊缝成型较好，钎焊工艺容易操作。

下面通过具体的实施例进行说明。

实施例1

1.制备用于焊接可伐合金与TZM合金的钎料，包括以下步骤：

(1)熔炼：按照相对总配方的重量百分比计，配制24.5％的Mn、5.7％的Ni、1.0％的Fe、0.01％的Al、0.01％的Mg以及余量的Cu，其中各金属材料的纯度大于99.9％，将上述金属材料放入加热炉中加热至1250℃，待完全熔化并充分搅拌后，将温度降至980℃并保温10min，随后浇铸得到铸锭；

(2)热轧：将步骤(1)中所得的铸锭加热到400℃进行热轧，得到规格为2.0mm厚的热轧带材；

(3)冷轧：将步骤(2)中所得到的热轧带材冷轧加工成所需0.5mm、0.3mm和0.2mm厚度的钎料。

2.利用上述所得钎料对可伐合金与TZM合金进行焊接，具体步骤如下：

将所得钎料置于TZM合金与可伐合金器件的待焊接处，得到待焊件；

将所述待焊件置于真空度大于1.0×10^-3Pa的高温钎焊炉中，在955℃保温2min，之后冷却至室温，完成焊接。

3.性能检测

将器件焊接断面采用SEM观测，发现钎料在焊缝中润湿铺展效果良好；采用氦质谱检漏仪对焊接件进行测试，测得漏率小于1.0×10^-10Pa·m³/s，焊缝气密性良好。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (8)

1.一种钎料，其特征在于，按重量百分比计，包含：

15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al和0.01％～0.3％的Mg，余量为Cu；

所述钎料为带材或丝材。

2.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，按重量百分比计，包含：

22％～27％的Mn、4.2％～7.2％的Ni、0.5％～1.5％的Fe、0.01％～0.05％的Al和0.01％～0.05％的Mg，余量为Cu。

3.根据权利要求1所述的钎料，其特征在于，所述钎料的厚度为0.1～1mm。

4.一种钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按照相对总配方的重量百分比计，将15％～30％的Mn、4％～10％的Ni、0.1％～3％的Fe、0.01％～0.3％的Al、0.01％～0.3％的Mg以及余量的Cu进行配制，并置于加热炉中在1010℃～1310℃熔炼，获得液态合金；

步骤2，将液态合金进行浇铸，得到铸锭；以及

步骤3，对铸锭进行轧制，制成所需厚度的钎料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤2之前还包括：

将液态合金在950℃～1010℃的温度下保温5～25min。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤31，将铸锭在350℃～550℃进行热轧，得到热轧带材；以及

步骤32，将热轧带材进行冷轧，制成所需厚度的钎料。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，各金属材料的纯度大于99.9％。

8.一种利用权利要求1～3任一项所述钎料进行焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述钎料置于第一材料与第二材料的待焊接处，得到待焊件；以及

将所述待焊件置于真空度大于1.0×10^-3Pa的钎焊炉中，在940℃～970℃保温1～5min，之后冷却至室温，得到所述第一材料与所述第二材料的焊接件。

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