CN114952070B - 一种铜锡钎料丝及其制备方法和应用 - Google Patents

一种铜锡钎料丝及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钎焊材料领域，具体而言，涉及一种铜锡钎料丝及其制备方法和应用。铜锡钎料丝，包括多股表面具有复合金属层的铜丝；按重量份数计，所述铜锡钎料丝包括：Cu 75～84份、Sn 20～25份和P 0.4～0.5份；所述复合金属层中包括Cu、Sn和P，其中，Cu、Sn和P的质量比为(45～55)：(46～56)：(0.5～1.5)。所述的铜锡钎料丝，合金化程度高，钎料成分均匀度高，Sn含量高于20％，脆性低，液相线熔化温度降低至800℃。

Description

一种铜锡钎料丝及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钎焊材料领域，具体而言，涉及一种铜锡钎料丝及其制备方法和应用。
背景技术
与银基钎料相比(如CN111344105A中公开的药芯银钎料，挥发性元素锌含量为Zn27.0～37.0％)，铜锡钎料具有不含挥发性元素、成本低、钎焊工艺性能好等优点，特别适合保护气氛炉内钎焊，常用于钎焊碳钢、不锈钢、纯铜、白铜等同种或异种材料。
现有铜锡钎料BCu88Sn的熔点较高(825-990℃)，用于钎焊碳钢或不锈钢时，易引发母材热损伤。铜锡钎料中增加锡含量虽然可以降低钎料的熔化温度，但会显著增加钎料的脆性，恶化加工性能。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个方面，涉及一种铜锡钎料丝，包括多股表面具有复合金属层的铜丝；
按重量份数计，所述铜锡钎料丝包括：Cu 75～84份、Sn 20～25份和P0.4～0.5份；
所述复合金属层中包括Cu、Sn和P，其中，Cu、Sn和P的质量比为(45～55)：(46～56)：(0.5～1.5)。
所述的铜锡钎料丝合金化程度高，钎料成分均匀度高，Sn含量高于20％，脆性低，液相线熔化温度降低至800℃。
本发明的另一方面，还涉及一种所述的铜锡钎料丝的制备方法，包括以下步骤：
将Cu、Sn和P的混合熔融液涂覆在铜丝表面，将多股涂覆后的铜丝绞合成一股，得到所述铜锡钎料丝；
其中，所述混合熔融液中Cu、Sn和P的质量比为(45～55)：(46～56)：(0.5～1.5)。
所述的铜锡钎料丝的制备方法，方法简单，容易操作，制备得到的铜锡钎料丝的合金化程度较高，钎料成分均匀度高，熔点低，脆性低，Sn含量高于20％，液相线熔化温度降低至800℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的铜锡钎料丝，以多股超细铜丝为基，与按照一定配比形成的含有Cu、Sn和P的复合金属层发生高温合金化反应，形成多股超细钎料丝，与单股丝合金化反应相比，本发明的铜锡钎料丝的合金化程度高，钎料成分均匀度高。本发明的铜锡钎料丝的Sn含量高于20％，脆性低，液相线熔化温度降低至800℃。
(2)本发明提供的铜锡钎料丝的制备方法，方法简单，无需复杂的设备或工艺，利用超细铜丝的高塑性和表面积大的性质，将按照配比形成、含有Cu、Sn和P的混合熔融液涂覆在超细铜丝的表面，超细铜丝和混合熔融液合金化，形成多股钎料丝，将多股钎料丝绞合成一股，得到的铜锡钎料丝的合金化程度较高，钎料成分均匀度高，熔点低，脆性低，Sn含量高于20％，液相线熔化温度降低至800℃。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的铜锡钎料丝的横截面示意图；
图2为本发明提供的喷金属液后的铜锡钎料丝；
图3为本发明提供的铜锡钎料丝的制备流程示意图；
图4为本发明实施例提供的铜锡钎料丝的铺展形貌黑白图片；
图5为本发明提供的BCu88Sn钎料铺展形貌黑白图片；
图6为本发明提供的钎焊接头钎缝形貌黑白图片。
附图标记：
1-支架、2-放线轮、3-高压金属液喷淋喷嘴、4-铜丝、5-混合熔融液、6-聚形模、7-绞股机、8-导轮、9-整形模、10-金属液槽、11-烧蚀坑、12-复合金属层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面，涉及一种铜锡钎料丝，如图1和图2所示，包括多股表面具有复合金属层的铜丝；
按重量份数计，所述铜锡钎料丝包括：Cu 75～84份、Sn 20～25份和P 0.4～0.5份；
所述复合金属层12中包括Cu、Sn和P，其中，Cu、Sn和P的质量比为(45～55)：(46～56)：(0.5～1.5)。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，Cu例如可以为，但不限于75份、77份、79份、81份、83份或84份。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，Sn例如可以为，但不限于20份、21份、22份、23份、24份或25份。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，P例如可以为，但不限于0.4份、0.42份、0.44份、0.46份、0.48份或0.5份。
在一些具体的实施方式中，所述复合金属层12中包括Cu、Sn和P，其中，Cu、Sn和P的质量比例如可以为，但不限于45：56：0.7、47：54：0.5、49：52：1.5、51：50：1.3、53：48：0.9或55：46：1.1。
本发明利用具有高塑性的超细铜丝4，将含有Cu、Sn和P的复合金属层12与超细铜丝4结合，二者合金化，形成多股表面具有复合金属层的铜丝，多股表面具有复合金属层的铜丝一起形成了所述铜锡钎料丝。
与单股丝合金化反应相比，本发明是多股超细铜丝4参与合金化反应，合金化程度高，钎料成分均匀度高。本发明的铜锡钎料丝，克服了高锡含量的铜锡钎料的脆性问题，获得的铜锡钎料丝熔点低，Sn含量高于20％，液相线熔化温度降低至800℃。
优选地，按重量份数计，所述铜锡钎料丝包括：Cu 78～82份、Sn 21～24份和P0.42～0.48份。
优选地，所述复合金属层12中Cu、Sn和P的质量比为(48～52)：(49～55)：(0.8～1.2)。
优选地，所述铜锡钎料丝包括5～25股(例如5股、7股、9股、11股、13股、15股、17股、19股、21股、23股或25股)表面具有复合金属层的铜丝。
优选地，所述铜丝4的直径为0.018～0.022mm。
在一些具体的实施方式中，所述铜丝4的直径例如可以为，但不限于0.018mm、0.019mm、0.021mm或0.022mm。
优选地，所述铜锡钎料丝由多股表面具有复合金属层的铜丝相互缠绕成。
本发明的另一个方面，还涉及所述的铜锡钎料丝的制备方法，包括以下步骤：
将Cu、Sn和P的混合熔融液5涂覆在铜丝4表面，将多股涂覆后的铜丝绞合成一股，得到所述铜锡钎料丝；
其中，所述混合熔融液5中Cu、Sn和P的质量比为(45～55)：(46～56)：(0.5～1.5)。
在一些具体的实施方式中，所述混合熔融液5中Cu、Sn和P的质量比例如可以为，但不限于45：56：0.7、47：54：0.5、49：52：1.5、51：50：1.3、53：48：0.9或55：46：1.1。
本发明的铜锡钎料丝的制备方法，利用高塑性的超细铜丝4，将含有Cu、Sn和P的混合熔融液5涂覆在超细铜丝4表面，二者合金化，形成多股钎料丝，再利用绞股机7将多股钎料丝拧成一股，通过整形模9，获得低熔的铜锡钎料丝。本发明中，采用多股超细铜丝4参与反应，其表面积大，制得的钎料合金化程度较高，钎料成分均匀度高。本发明突破了传统制备技术的局限，可获得低熔的铜锡钎料丝。
本发明提供的铜锡钎料丝的制备方法，解决了高锡铜锡钎料的脆性的问题，能够制得低熔点且Sn含量高于20％的铜锡钎料丝，液相线熔化温度降低至800℃。
优选地，所述混合熔融液5中Cu、Sn和P的质量比为(48～52)：(49～57)：(0.8～1.2)。
优选地，按重量份数计，所述铜锡钎料丝包括：Cu 75～84份、Sn 20～25份和P 0.4～0.5份。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，Cu例如可以为，但不限于75份、77份、79份、81份、83份或84份。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，Sn例如可以为，但不限于20份、21份、22份、23份、24份或25份。
在一些具体的实施方式中，所述铜锡钎料丝中，按重量份数计，P例如可以为，但不限于0.4份、0.42份、0.44份、0.46份、0.48份或0.5份。
优选地，所述混合熔融液5由Cu、Sn和Cu14P合金熔融混合而成。
优选地，所述熔融的温度为800～950℃。
在一些具体的实施方式中，所述熔融的温度例如可以为，但不限于800℃、820℃、850℃、860℃、870℃、880℃、900℃、920℃、940℃或950℃。
优选地，所述绞合后进行收卷。
优选地，将5-25股(例如5股、6股、8股、10股、12股、14股、16股、18股、20股、22股或25股)涂覆后的铜丝绞合成一股，得到所述铜锡钎料丝后进行收卷。
优选地，所述收卷的速度为8～15mm/s。
在一些具体的实施方式中，所述收卷的速度为8mm/s、9mm/s、10mm/s、11mm/s、12mm/s、13mm/s、14mm/s或15mm/s。
收卷速度控制在一定范围内，有利于收卷后的铜锡钎料丝更加稳定。
本发明的另一个方面，还涉及一种钎焊方法，使用所述的铜锡钎料丝或所述的铜锡钎料丝的制备方法制备得到的铜锡钎料丝。
优选地，用于制备所述铜锡钎料丝的装置，如图3所示，包括：支架1、放线轮2、高压金属液喷淋喷嘴3、聚形模6、绞股机7、导轮8、整形模9、收卷机和金属液槽10。
优选地，所述放线轮2、所述聚形模6、所述绞股机7、所述导轮8、所述整形模9和所述收卷机依次设置在所述支架1上；所述放线轮2和所述聚形模6之间设置所述高压金属液喷淋喷嘴3；所述金属液槽10与所述高压金属液喷淋喷嘴3相连。
下面将结合具体的实施例和对比例对本发明的实施方案进行详细描述。
实施例1
本实施例提供的铜锡钎料丝，按质量份数计，包括：
Cu75份、Sn25份和P0.5份；
本实施例提供的铜锡钎料丝的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过放线轮2，将5股直径为0.02mm的铜丝4一起穿入聚形模6腔，穿过绞股机7的模孔、导轮8和整形模9，最后收卷在收卷机上；
(2)将Cu、Sn、Cu14P合金置于金属液槽10，熔融成金属液备用，按质量比计，Cu：Sn：P＝49：50：1；
(3)通过高压金属液喷淋喷嘴3，将步骤(2)的混合熔融液5持续喷淋在聚形模6腔内部的多股铜丝4的表面，得到多股超细钎料丝；
(4)打开绞股机7电源，将多股超细钎料丝拧成一股钎料丝；
(5)打开收卷机电源，以8mm/s的速度收卷钎料丝，得到铜锡钎料丝。
实施例2
本实施例提供的铜锡钎料丝，按质量份数计，包括：
Cu76份、Sn24份和P0.48份；
本实施例提供的铜锡钎料丝的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)将10股直径为0.02mm的铜丝4一起穿入聚形模6腔，步骤(5)收卷速度为10mm/s。
实施例3
本实施例提供的铜锡钎料丝，按质量份数计，包括：
Cu78份、Sn23份和P0.46份；
本实施例提供的铜锡钎料丝的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)将15股直径为0.02mm的铜丝4一起穿入聚形模6腔，步骤(5)收卷速度为12mm/s。
实施例4
本实施例提供的铜锡钎料丝，按质量份数计，包括：
Cu80份、Sn22份和P0.42份；
本实施例提供的铜锡钎料丝的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)将20股直径为0.02mm的铜丝4一起穿入聚形模6腔，步骤(5)收卷速度为15mm/s。
实施例5
本实施例提供的铜锡钎料丝，按质量份数计，包括：
Cu84份、Sn20份、P0.4份
本实施例提供的铜锡钎料丝的制备方法，与实施例1的区别仅在于，步骤(1)将25股直径为0.02mm的铜丝4一起穿入聚形模6腔，步骤(5)收卷速度为8mm/s。
对比例
现有BCu88Sn钎料。
实验例1
为考察本发明铜锡钎料丝与现有BCu88Sn钎料的钎焊工艺性能，分别以实施例的铜锡钎料丝和对比例的BCu88Sn钎料为对象，采用DTA热分析仪测试钎料的熔化温度，并采用不同钎料在40×40mm的45#碳钢板按照GB/T 11364的规定进行铺展润湿性试验，并测试不同钎料的铺展面积。实施例铜锡钎料丝的铺展形貌见图4(实施例1为图4a，实施例2为图4b，实施例3为图4c，实施例4为图4d，实施例5为图4e)，对比例BCu88Sn钎料的铺展形貌见图5，测试结果见表1。
表1不同钎料的熔化温度及铺展面积
从表1可以看出，本发明提供的铜锡钎料丝的熔化温度较低，液相线温度均不高于900℃，甚至实施例4的液相线温度低至800℃，而对比例BCu88Sn钎料的液相线温度较高，约990℃。说明本发明提供的铜锡钎料丝具有较低的熔点。
从图4、图5和表1还可以看出，本发明提供的铜锡钎料丝在碳钢上的铺展面积较大，润湿性能较好。另外，从铺展形貌可以看出，本发明提供的铜锡钎料丝在碳钢上的铺展形貌保持金属色，而对比例BCu88Sn钎料铺展形貌发黄、发暗，是因为钎料熔化温度较高、表面氧化所导致。总之，铜锡钎料丝的熔化温度越低，铺展润湿性能越好。
实验例2
为验证不同钎料的钎焊效果，采用不同钎料进行邦迪钢管的感应钎焊，并在在万能拉伸试验机上测量接头强度，观察对比焊缝形貌(实施例4的钎缝形貌见图6)。接头强度测试方法按照GB/T 11363的方法进行，测试结果见表2。
表2接头强度试验结果
从表2和图6可以看出，本发明铜锡钎料丝的钎焊接头抗拉强度高于对比例BCu88Sn钎料的接头强度，从钎缝形貌可以看出，BCu88Sn钎缝中碳钢母材热损伤严重，表面出现很多烧蚀坑11，而本发明的铜锡钎料丝没有烧蚀现象，机械性能较好。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (12)

1.一种铜锡钎料丝，其特征在于，所述铜锡钎料丝由多股表面具有复合金属层的铜丝相互缠绕成；
按重量份数计，所述铜锡钎料丝由Cu 75~84份、Sn 20~25份和P 0.4~0.5份组成；
所述复合金属层由Cu、Sn和P组成，其中，Cu、Sn和P的质量比为（45~55）：（46~56）：（0.5~1.5）。
2.根据权利要求1所述的铜锡钎料丝，其特征在于，按重量份数计，所述铜锡钎料丝由Cu 78~82份、Sn 21~24份和P 0.42~0.48份组成。
3.根据权利要求1所述的铜锡钎料丝，其特征在于，所述复合金属层中Cu、Sn和P的质量比为（48~52）：（49~55）：（0.8~1.2）。
4.根据权利要求1~3任一项所述的铜锡钎料丝，其特征在于，所述铜锡钎料丝包括5~25股表面具有复合金属层的铜丝；
所述铜丝的直径为0.018~0.022mm。
5.如权利要求1~4任一项所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Cu、Sn和P的混合熔融液涂覆在铜丝表面，将多股涂覆后的铜丝绞合成一股，得到所述铜锡钎料丝；
其中，所述混合熔融液中Cu、Sn和P的质量比为（45~55）：（46~56）：（0.5~1.5）。
6.根据权利要求5所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，所述混合熔融液中Cu、Sn和P的质量比为（48~52）：（49~57）：（0.8~1.2）。
7.根据权利要求6所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，按重量份数计，所述铜锡钎料丝由Cu 75~84份、Sn 20~25份和P 0.4~0.5份组成。
8.根据权利要求5所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，所述混合熔融液由Cu、Sn和Cu14P合金熔融混合而成；
所述熔融的温度为800~950℃。
9.根据权利要求5所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，所述绞合后进行收卷。
10.根据权利要求9所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，将5-25股涂覆后的铜丝绞合成一股，得到所述铜锡钎料丝后进行收卷。
11.根据权利要求9所述的铜锡钎料丝的制备方法，其特征在于，所述收卷的速度为8~15mm/s。
12.一种钎焊方法，其特征在于，使用权利要求1~4任一项所述的铜锡钎料丝或由权利要求5~11任一项所述的铜锡钎料丝的制备方法制备得到的铜锡钎料丝进行钎焊。
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