NO160723B - Homogene kobberbaserte legeringer loddefolie derav. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår kobberbaserte metallegeringer og mere spesielt et homogent, duktilt loddemateriale som kan benyttes for lodding av metallgjenstander, slik som de som består av kobber og kobberlegeringer.

Lodding er en prosess for sammenføyning av metalldeler,

ofte av ulik sammensetning. Karakteristisk blir et fyllmetall som har et smeltepunkt lavere enn den til metalldelen som skal sammenføyes, anbragt mellom metalldelene for å utgjøre et hele. Dette oppvarmes så til en temperatur tilstrekkelig til å smelte fyllmetallet. Ved avkjøling dannes det en sterk, lekkasjetett skjøt. Fyllmetallene som benyttes, foreligger vanligvis i pulver-, tråd- eller folieform, avhengig av anvendelsen. Folieformen gir den fordel at man kan plassere fyllmetallet på forhånd i sammenføynings-området, noe som tillater lodding av komplekse former med minimalt spill.

Loddelegeringer som er egnet for bruk med kobber og kobberlegeringer, er velkjente under betegnelsen AWS-BAg. Disse legeringer inneholder vesentlige mengder av edelmetallet sølv, nemlig 19 til 86 vekt-%, og er således kostbare. Mesteparten av AWS-BAg sammensetningene fremstilles i folie-form gjennom en langstrakt sekvens av valsing og utglødning, noe som bidrar til de vesentlige prosessomkostninger.

Duktile glassaktige metallegeringer er beskrevet i US-PS 3.856.513. Disse legeringer omfatter sammensetninger med formelen T^X^, der T er minst et overgangsmetall og X er et element valgt blant fosfor, bor, karbon, aluminium, sili-sium, tinn, germanium, indium, beryllium og antimon, "i" ligger innen området 70-87 atom-%, og "j" i området ca.

13-30 atom-%. Slike stoffer fremstilles hensiktsmessig i pulver-, tråd- eller folie-form ved hurtig bråkjøling fra smelte ved bruk av prosessteknikker som nu er velkjente. Imidlertid er det ikke beskrevet noen væskebråkjølte, glassaktige metallegeringer av familien T^X^ som beskrevet oven-

for som inneholder kobber som hovedovergangsmetall. Chen et al., har kun angitt en kobberholdlg blanding (f.eks. Pdw, sCii^Si-^ 5) i US-PS 3.856.513). H. Suto og H. Ishikawa, kar i "Trans. Japan Inst. of Metals", vol. 17, 1976, side 596, angitt fremstilling av glassaktig Cu-Si ved dampavsetning.

Det foreligger fremdeles et behov i denne teknikk for et homogent loddemetall for sammenføyning av kobber og kobberlegeringer, som er fri for edelmetaller og som kan fremstilles i folle-, pulver- eller tråd-form.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en lavtsmeltende kobberbasert metallegering som karakteriseres ved at den 1 det vesentlige består av 2,5-11 atom-% tinn, 0-12 atom-# nikkel og 11-15 atom-# bor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter, hvorved det totale innhold av kobber og tinn ligger fra 85 til 89 atom-#.

Fortrinnsvis er metallegeringen 1 det minste partielt av glassaktig struktur og aller helst er minst 50 % glassaktig ved anvendelse i metastabile, homogene legeringsbånd.

I tilegg tilveiebringer også oppfinnelsen en homogen loddefolie som omfatter en metallegering ifølge krav 1 og denne metallegering karakteriseres ved det innhold som er angitt ovenfor.

Fortrinnsvis er som antydet loddelegeringen i det minste 50 % glassaktig ved anvendelse i metastabile, homogene legeringsbånd og fortrinnsvis består den i det vesentlige av 75-78 atom-# kobber, 10-11 atom-56 tinn, 11-13 atom-# bor, eller den består av 66-71 atom-% kobber, 10-11 e. tom-% tinn, 9-11 atom-# nikkel og 10-12 atom-5é bor.

Det er funnet at tilsetningen av Sn i merkbar grad øker styrken i sammenføyningen som er fremkommet ved bruk av legeringene ifølge oppfinnelsen. Nærværet av metalloidkom-ponenten, B, tjener til å redusere smeltepunktet for Cu-be-

standdelen og gir legeringen seiflussevne.

Den homogene loddefolie ifølge oppfinnelsen fremstilles ved en prosess som omfatter å tildanne en smelte av blandingen og bråkjøling av smeiten på et roterende bråkjølingshjul i en mengde av minst 10<5>oC pr. sekund.

Forbedringene består i, som fyllmetall, å benytte en homogen, kobberbasert folie som har den ovenfor gitte sammensetning.

Fyllmetallfolien kan lett fremstilles som et homogent, duktilt bånd som kan brukes til lodding slik det er formet. Fordelaktig kan den kobberbaserte metallfolie stanses til komplekse former for å gi loddings-preformer.

Videre kan den homogene, duktile loddefolie ifølge oppfinnelsen anbringes på innsiden av sammenføyningsstedet før loddingen. Bruk av den homogene, duktile kobberbaserte folie som tilveiebringes ifølge oppfinnelsen, tillater også at lodding kan gjennomføres ved prosesser slik som dypplodding i smeltede salter, noe som ikke lett kan gjennomføres med fyllstoffer av pulver- eller stavtypen.

Glassaktige metallegeringer tildannes ved avkjøling av en smelte av den ønskede sammensetning, i en hastighet av minst 10<5>oC pr. sekund. Et antall hurtigavkjølingsteknikker, velkjente i, denne teknikk, dreier seg om glassaktige metallegeringer for å fremstille glassaktige metallpulvere, tråder, bånd eller folier. Karakteristisk blir en spesiell sammensetning valgt der pulvere eller granulater av bestand-dels-elementene i de ønskede andeler smeltes og homogen-iseres, og den smeltede legering bråkjøles hurtig på en kjøleflate slik som en hurtigroterende sylinder eller i et egnet fluid medium som vann.

I enhver loddeprosess må loddematerialet ha et smeltepunkt som er tilstrekkelig høyt til å tilveiebringe styrke for å møte brukskravene for metalldelene som loddes sammen. Imidlertid må smeltepunktet Ikke være så høyt at det gjør det vanskelig å gjennomføre loddeoperasjonen. Videre må fyllmaterlalet være kompatibelt, både kjemisk og metall-urgisk, med de sammenloddede materialer. Loddemetallet må være edlere enn metallene som loddes sammen for å unngå korrosjon. Aller helst er loddematerialet i duktil-folie-form slik at komplekse former kan stanses ut. Til slutt må loddefolien være homogen, det vil si at den ikke må inneholde bindemidler eller andre materialer som ellers kunne danne hulrom eller gi forurensende rester under lodding.

Disse blandinger er kompatible med kobber- og kobberbaserte legeringer og spesielt egnet for sammenføyning av slike materialer.

Med homogen menes at folien, slik den fremstilles, er av i det vesentlige enhetlig sammensetning i alle retninger. Med duktil menes at folien kan bøyes til en radius så liten som 10 ganger folietykkelsen uten fraktur.

Eksempler på leddelegeringer innenfor rammen av oppfinnelsen er angitt i tabell I.

Innenfor det brede området som er beskrevet ovenfor, er det et foretrukket sammensetningsområde som er kompatibelt med og tillater lodding av kobber og et vidt spektrum av kobberlegeringer under et vidt spektrum av atmosfæriske betingelser. Slike foretrukne sammensetningsområder tillater at kobber og kobberlegeringer forenes under i det vesentlige alle loddeforhold. To spesielt foretrukne legeringssammen-setninger ifølge oppfinnelsen består i det vesentlige av (1) ca. 77 atom-# Cu, ca. 11 atom-# Sin og ca. 12 atom-# B; og (2) ca. 67,1 atom-# Cu, ca. 10,7 atom-# Ni, ca. 10,6 atom-$ Sn og ca. 11,6 atom-5é B.

Forbedringen som oppnås ifølge oppfinnelsen ligger i, som fyllmetall, å benytte minst en homogen kobberbasert folie med en sammensetning innenfor de ovenfor gitte områder.

Loddefoliene ifølge oppfinnelsen fremstilles fra smeiten på samme måte som glassaktige metallfolier. Under disse bråkjølingsbetingelser, oppnås det et metastabilt, homogent duktilt materiale. Det metastabile materiale kan være glassaktig, i hvilket tilfelle de ikke er noen langtrekkende orden. Røntgen diffraksjons-mønsteret av glassaktige metallegeringer viser kun en diffus ring, tilsvarende det som observeres for uorganiske oksydglass. Slike glassaktige legeringer bør være minst 50% glassaktige for å tilstrekkelig duktile til å tillate etterfølgende behandling, slik som utstansing av komplekse former fra bånd av legeringene. Fortrinnsvis er de glassaktige metallegeringer helt glassaktige for å besitte overlegen duktilitet.

Den metastabile fase kan også være en fast oppløsning av bestanddelselementene. Når det gjelder legeringene ifølge oppfinnelsen, fremstilles slike metastabile faste opp-løsningsfaser ikke vanligvis under konvensjonelle behand-lingsteknikker som benyttes i denne teknikk ved fremstilling av krystallinske legeringer. Røntgen diffraksjonsmønsteret for de faste oppløsningslegeringer, viser skarpe diffrak-sjonssignaler som er karakteristiske for krystallinske legeringer, med en viss bredde av signalene på grunn av den finkornede størrelse av krystallittene. Slike metastabile materialer kan også være duktile når de fremstilles under de ovnefor beskrevne betingelser.

Loddemetallet ifølge oppfinnelsen fremstilles fortrinnsvis i folie eller bånd-form og kan benyttes ved loddeanvendelser slik de er støpt, enten materialet er glassaktig eller i fast oppløsning. Alternativt kan folier av glassaktige metall-legeringer varmebehandles for å oppnå en krystallinsk fase, fortrinnsvis finkornet, for å gi lengre stanseverktøytid når stansing av komplekse former er ønsket.

Folier som fremstilles ved den beskrevne teknikk er karakteristisk 25,4 til 63,5 pm tykke, noe som også er den ønskede avstand mellom gjenstandene som loddes. En slik avstand maksimaliserer styrken av loddeskjøten. Tynnere folier som stables til større tykkelser kan også benyttes. Videre er det ikke nødvendig med flussmidler under lodding, og det er ikke tilstede bindemidler i folien. Således elimineres dannelsen av hulrom og forurensende rester. Således tilveiebringer de duktile loddebånd ifølge oppfinnelsen både lett lodding ved å eliminere behovet for avstandsstykker og minimal etterloddingsbehandling.

Loddefoliene ifølge oppfinnelsen er også overlegne forskjel-lige pulverloddemidler av samme sammensetning, ved å tilveiebringe gode loddeskjøter. Dette skyldes sannsynligvis evnen til å påføre loddefollen der loddingen skal skje, istedet for å være avhengig av kapillarlteten for transport av loddefyllmetall fra kanten av overflatene som skal sammenloddes.

Eksempel 1.

Bånd med en bredde på 2,5-6,5 mm og en tykkelse på 25-60 pm ble dannet ved å sprute en smelte av den angjeldende sammensetning under argon overtrykk på et hurtigroterende kobberkjølehjul med en overflatehasighet på 914,4 til 1828,8 meter/minutt. Metastabile, homogene legeringsbånd med i det minste partielt glassaktig atomstruktur, ble fremstilt og sammensetningen av båndene er angitt i tabell I.

Eksempel 2.

Likvidus- og solidustemperaturene Tl og Ts for de valgte sammensetninger i & tom-% : CvL^^ SnnB^ °S Cu67 ,lSn10 ,6^*10 ,7~ Bll,6 tle bestemt ved differensial termal-analyse, DTA. Temperaturene er angitt i tabell II.

Eksempel 3.

Overlappskjærprøvestykker ble fremstilt i henhold til AWS C 3,2 "Standar Method for Evaluating the Strength of Brazed Joints". Kobberfolie med en tykkelse på 3,175 mm ble benyttet som basismateriale. Bånd av den valgte sammensetning i atom-#, Cu77SnnBi2 med dimensjoner på 25,4 pm til 38,1 pm tykkelse, og ca. 6,35 mm bredde, ble brukt som loddemetall. Loddede skjøter var av overlapptypen, der overlappdimensjonen omhyggelig var kontrollert til 2,35 mm. Prøvene ble deretter avfettet i aceton og skyllet med alkohol. Overflatene som skulle føyes sammen, ble behandlet med borsyre. Overlappsammenføynlnger inneholdende de valgte loddebånd ifølge oppfinnelsen, ble deretter satt sammen ved å legge båndene ved siden av hverandre for å dekke hele lengde av sammenføyningen. Prøvene ble deretter spent fast og flammeloddet ved bruk av en oksyacetylenflamme under et trykk på 0,05512 Mpa både for oksygen og acetylen. Sammenloddede prøver ble deretter luftkjølt til romtemperatur, og fluss-resten ble fjernet ved stålbørsting.

For sammenligningsformål ble identiske skjøter fremstilt ved bruk av 25,4 pm tykk BCuP-5 folie og 0,157 cm dia BAg-2 stav. De nominelle sammensetninger og loddetemperaturområdene for disse fyllmetaller er gitt i tabell HIA henholdsvis UIB.

Når det benyttede fyllmaterialet forelå i stavform, (BAg-

1- og BAg-2-legeringer) ble en klaring på 38,1 (im holdt mellom overflatene ved å anbringe rustfrie stålavstandsstykker ved de to kanter. Det hele ble deretter oppvarmet til loddetemperatur-området for disse legeringer, og fyllmaterialet ble påført kun på en side. Det smeltede fyllmetall ble deretter trukket inn ved kapillarvirkning og dekket hele sammenføyningsflaten. De mekaniske egenskaper for sammenloddede stykker med en overlapp på 12,7 mm er angitt i tabell IVA, mens det mekaniske egenskaper for sammen-føyede stykker med en overlapp på 6,35 mm er angitt i tabell

IVB.

Ved overlapp både på 12,7 mm og 6,3 5 mm oppsto det ved den valgte legering ifølge oppfinnelsen og med atom-% sammensetningen C- u7-] Sn±±B±2 feil i basismetallet, noe som antyder at styrken i den loddede skjøt overskred den for basismetallet. Det motsatte var tilfelle ved identiske loddinger gjennomført ved de sølvholdige legeringer BCuP-5, BAg-1

og BAg-2, der feilen oppsto i de sammenføyde skjøter ved overlapp på 12,7 mm og 6,35 mm. Derfor gir den valgte legering ifølge oppfinnelsen og med atom-% sammensetningen CU77SnliB12 en sterkere sammenføyning sammenlignet med de sølvholdige legeringer BCuP-5, BAg-1 og BAg-2.

Overlappskjærprøvestykkene ble preparert i henhold til AWS

C 3,2 "Standard Method for Evaluating the Strength og Brazed Joints". Kobberfolie med en tykkelse på 3,175 mm ble benyttet som basismetall. Bånd av den valgte atom-% sammensetning Cu,^ ,Sn,_. ,Niir. -,B, , , med dimensjoner på

67,1 10,6 10,7 11,6 J c 25,4 pm til 38,1 pm tykkelse og 6,35 mm bredde ble: benyttet som fyllmetall. Loddede skjøter var av overlapptypen med overlappdimensjoner nøyaktig kontrollert til 15,88 mm. Prøvene ble deretter avfettet i aceton og skylles med alkohol. Sammenføyningsoverflåtene for de rene stykker ble behandlet ved hjelp av borsyre. Overlappsskjøtende inneholdende de valgte loddebånd ifølge oppfinnelsen ble deretter anordnet ved å legge båndene side ved side for å dekke hele lengden av overlappsskjøten. Prøvene ble deretter spent fast og flammeloddet ved bruk av en oksyacetylenflamme med et trykk på 0,05512 MPa både for oksygen og acetylen. De loddede stykker ble deretter luftkjølt til romtemperatur og flussrester ble fjernet ved stålbørsting.

For sammenligningsformål, ble identiske skjøter laget ved

å benytte en 0,157 cm dia BAg-1 stav. Den nominelle sammensetning og loddetemperaturområdet for dette fyllmetall er gitt i tabell HIA og UIB. I det tilfellet det benyttede fyllmetall forelå i stavform (BAg-1 legering) ble det holdt en klaring på 38,1 pm mellom de sammenpassende overflater av stykkene ved å anbringe rustfrie stålavstandsstykker ved de to kanter. Det hele ble deretter oppvarmet til loddetemperaturområdet for disse legeringer og fyllmetallet ble påført på kun en side. Det smeltede fyllmetall ble deretter trukket ved hjelp av kapillarvirkning inn i området og dekket hele sammenføyningsoverflaten. Mekaniske egenskaper for loddede sammenføyninger er gitt i tabell V nedenfor.

Sammenføyningene som ble laget med fyllmetaller bestående av prøve 4 henholdsvis BAg-1, feilet i basismetallet, noe som antydet at styrken for de dannede sammenføyninger som ble oppnådd ved å benytte prøve 4 og BAg-1 som fyllmetaller er sammen1ignbare.

Claims (7)

1. Metallegering, karakterisert ved at den i det vesentlige består av 2,5-11 atom-% tinn, 0-12 atom-# nikkel og 11-15 atom-# bor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter, hvorved det totale innhold av kobber og tinn ligger fra 85 til 89 atom-9É.

2. Metallegering ifølge krav 1, karakterisert ved at minst 5096 er glassaktig ved anvendelse i metastabile, homogene legeringsbånd.

3. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at at den i det vesentlige består av 10-11 atom-56 tinn, 10-12 atom-# nikkel, 11-13 atom-56 bor og 75-78 atom-# kobber.

4. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av ca. 77 atom-# kobber, ca. 11 atom-56 tinn og ca. 12 atom-Æ bor.

5. Metallegering som angitt i krav 1, karakterisert ved at den består av ca. 67,1 atom-# kobber, ca. 10,7 atom-# nikkel, ca. 10,6 atom-56 tinn og ca. 11,6 atom-# bor.

6. Homogen loddefolie omfattende en metallegering ifølge krav 1, karakterisert ved at metallegeringen i det vesentlige består av 2,5-11 atom-56 tinn, 0-12 atom-# nikkel og 11-15 atom-96 bor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter, hvorved det totale innhold av kobber og tinn ligger fra 85 til 89 atom-Sé.

7. Folie ifølge krav 6,karakterisert ved at folien har minst 50% glassaktig struktur.