CN101100023A - 用于高温应用的铁基硬钎焊焊料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对于镍/钴/铁基基底金属具有优异浸润性并产生出具有高强度和热/腐蚀耐受性的硬焊接头的硬钎焊焊料组合物。本发明的铁基硬钎焊焊料包括大约20-35wt％的铬，大约3-12wt％的硅和大约3-12wt％的磷；余量为铁。这些焊料适用于以相对于目前已知的硬钎焊焊料组合物来说显著更低的成本制造若干不同类型的热交换器和催化转换器。

Description

用于高温应用的铁基硬钎焊焊料
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技术领域
本发明涉及铁基硬钎焊焊料(brazing filler metal)组合物。更具体地，这些硬焊合金适用于以相对于目前已知的硬钎焊焊料组合物来说显著更低的成本制造若干不同类型的热交换器和催化转换器。
背景技术
具有高铬含量的镍基硬钎焊焊料由于其高的耐腐蚀性和耐热性而得到普遍使用。例如，镍基填料可用于制造和修补要求在高温、腐蚀性和/或苛刻环境下运行的设备和部件。更具体地，镍基或钴基硬钎焊焊料可用于某些类型的热交换器，例如汽车应用中的废气调节(EGR)冷却器。用于这些应用的焊料(filler metal)必须具有某些适合使用的性能。这样的性能包括对于高温氧化的耐受性；耐腐蚀性；对基底金属良好的浸润性；以及在硬焊期间不会引起基底金属的脆化。
America Welding Society(ANSI/AWS A5.8)标准定义了若干不同级别的镍基硬钎焊焊料。这些硬钎焊焊料中的许多均被用于热交换器的制造。例如，BNi-2是具有Ni-Bal、Cr-7、B-3、Si-4.5、Fe-3的标称组成的镍基硬钎焊焊料，其公知为能够制造具有高强度的硬焊接头的硬钎焊焊料。该焊料的主要缺点是由于硼扩散进入基底金属而使得强度劣化(尤其是在例如热交换器的薄片材中)以及基底金属的腐蚀。其它含硼镍基焊料(例如BNi-1、BNi-1A、BNi-3、BNi-4和BNi-9)由于其接近3％的高硼含量而具有类似的缺点。
为了克服硼扩散的缺点，已经考虑到了其它不含硼的合金。这些为BNi-6(Ni-10P)、BNi-7(Ni-14Cr-10P)合金。这些合金含有大约10％的磷并由于接头中的易脆相而产生不具有所需强度的接头。另一不含硼的镍基硬焊合金是BNi-5(Ni-Bal；Cr-19，Si-10)。尽管这些合金在制造不具有硼扩散进入基底金属带来的有害效果的接头方面表现优异，然而存在其它缺点。
美国专利No 6,203,754和6,696,017教导了Ni-Cr-Si-P组成类型的镍基焊料，其满足对于硬焊热交换器的数项要求并具有优异的耐腐蚀性。但是，这些以及所有上述镍基焊料的一个主要缺点就在于昂贵的镍的高含量。这些合金含有至少60％的镍。更典型地，它们含有70-90％的镍。这些合金中的镍含量提高了硬钎焊焊料的成本并由此使得热交换器的成本增加至不具吸引力的水平。此外，世界市场上对于镍原料的供应是不稳定的，且因此其价格以不可预测的方式进行增长。
因此，根据以上所述的因素，本领域对满足用于热交换器环境的具体要求同时排除硼扩散并实现低成本的硬钎焊材料存在需求。
发明内容
本发明涉及对镍-、钴-和铁-基的基底金属具有优异浸润性的硬钎焊焊料组合物；其产生出具有高强度和热/腐蚀耐受性的硬焊接头；并且相对于镍基焊料来说成本显著降低。更具体地，这些焊料适合以相对于目前已知的硬钎焊焊料组合物来说显著降低的成本用于制造若干不同类型的热交换器和催化转换器。
上述硬钎焊焊料的典型用途为暴露于高温的组件。这些应用的实例为若干类型的用于汽车应用中的废气再循环的热交换器(板式和管式类型)。还可以预见在汽车和商业排放装置(例如催化转换器)中的类似用途。这些应用将要求硬焊合金耐受高温并还能耐受硫酸冷凝物的腐蚀。
本发明的上述目的通过具有下列组成的硬钎焊焊料合金实现：
铬-大约20-35wt％；
硅-大约3-12wt％；
磷-大约3-12wt％；和
余量的铁、附带成分和痕量杂质。
所述合金任选地含有镍(Ni)(直至25％)；钼(Mo)(直至5％)；钒(Va)(直至5％)；以及铝(Al)、钙(Ca)、钇(Y)或稀土金属混合物(misch metal)中的一种或多种(总计直至0.2％)。
本发明提供了制造铁基硬钎焊焊料粉末的方法，包括如下步骤：提供大约20-35wt％的铬、大约3-12wt％的硅、大约3-12wt％的磷以及余量的铁、附带成分和杂质的均匀合金；并使用雾化方法以形成和收集来自所述均匀合金的粉末状颗粒。来自上述方法的粉末也可以通过常规方法转化为膏状焊料或转移条(transfer tape)。
上述粉末、膏状或条状形式的硬钎焊焊料可以通过炉内硬焊方法在热交换器的制造中使用。因此，本发明还提供了形成牢固的、耐腐蚀性硬焊接头的方法，其包括提供待接合的第一表面和第二表面的步骤。另一步骤包括将硬钎焊焊料应用于第一和第二表面之间的所需位置，其中所述硬钎焊焊料包括大约20-35wt％的铬、大约3-12wt％的硅、大约3-12wt％的磷以及余量的铁、附带成分和杂质的均匀合金。所述方法的后续步骤包括在高于所述硬钎焊焊料熔点的温度下炉内硬焊所述硬钎焊焊料以及所述第一和第二表面。所述硬钎焊焊料可以以粉末、膏状焊料和转移条中的一种或多种形式施加到第一和第二表面。
本发明的一个方面是以相对于镍基硬钎焊焊料来说显著降低的成本提供硬钎焊焊料以用于大体积的商业应用。本发明的另一方面是提供可以成功用于催化转化器或热交换器的制造中的硬钎焊焊料组合物。本发明的又一方面是提供具有低于1200℃的熔点并具有对不锈钢基底金属的优异浸润性的硬钎焊焊料组合物。本发明还提供了具有优异的耐腐蚀性和耐热性的硬钎焊焊料。
本发明的再一方面是提供具有显著减少量的镍的硬钎焊焊料。本发明的另一方面是提供处于粉末、条状、膏状或其它有用形式从而能够硬焊热交换器组件和催化转化器的上述焊料。最后，本发明的另一方面是提供以显著降低的成本硬焊热交换器和催化转化器的方法。
本发明的其它目的和优点将以下描述中指出，并且其一部分将根据所述描述而变得显而易见，或者可以通过对本发明的实践而认识。本发明的目的和优点可以通过特别在以下指出的手段及结合的方式而认识到和达到。
附图说明
附图例举了本发明的实施方式并且连同说明书一起用来解释本发明的原理，其中所述附图被包含在说明书中以提供对本发明的进一步理解并且并入和构成本申请文件的一部分。在所述附图中：
图1提供了一种典型应用中硬焊接头的实例。
具体实施方式
现在，将详细参考本发明的优选实施方案，其实例在附图中例示。
图1提供了对使用本发明填充材料的硬焊接头的典型应用的说明。第一金属片1和第二金属片2在硬焊接头3处连接。接头3使用本发明的铁基硬钎焊焊料4形成。所述硬焊接头可以为高温循环环境中EGR冷却器的一部分，例如汽车应用中的EGR冷却器。
为了实现上述要求的热和腐蚀耐受性，硬钎焊焊料通常具有大约20-35wt％的铬含量。如果铬含量低于大约20％，所需的耐腐蚀性将降低，而如果铬含量超过大约35％，则合金将损失接头强度和/或可硬焊性。
磷和硅含量是熔点抑制剂。过量的这些元素增加接头的脆性，然而必须存在足够的这些元素以帮助熔点降低至大约1100℃。因此，磷和硅的量通常各自不超过约12％，这些元素更典型的量为磷大约3-8％，而硅大约3-8％。
若干其它元素也可用作氧气吸收剂(getter)。这些为铝(Al)、钙(Ca)、钇(Y)和/或稀土金属混合物。这些元素中的任意均可任选地以大约0.2％的最大量单独或组合使用。
所述硬钎焊焊料主要包含铁作为主要元素。然而在实践中，包括少量镍以适应原料上的考虑可能是必要的。在这些情况中，镍含量可以至多为大约25％。对于特定的性能要求，例如为了改进的耐酸性，其它任选元素如钼或钒的含量也可各自至多为5％。
硬钎焊焊料合金可以以粉末形式提供。用于本发明填充材料的粉末形成可以使用本领域已知的方法完成。例如，具有上述组成的粉末可以通过使均匀合金熔化并通过雾化方法将其转化为粉末而制得。粉末颗粒大小可以为150微米-10微米，对于热交换器应用来说典型的大小为100微米-10微米。
上述粉末还可以通过常规方法转化为膏状焊料或转移条。例如，可以通过上述组成的粉末与粘合剂材料混合来形成膏状焊料。转移条可以例如通过使上述组成的粉末与粘合剂衬垫组合形成。上述处于粉末、膏状或条状形式的硬钎焊焊料可以在炉内硬焊方法中使用以在例如热交换器和催化转化器中制造耐腐蚀性接头。
其它优点和修改对于本领域技术人员来说可以容易地进行。因此，本发明的更广方面并不限于此处显示和描述的具体细节和代表性实施方案。相应地，在不背离所附权利要求及其等同范围所限定的本发明一般概念的精神或范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (15)

1.一种具有基本上均匀的组成的铁基硬钎焊焊料，包括：
大约20-35wt％的铬；
大约3-12wt％的硅；
大约3-12wt％的磷；和
余量基本上为铁。
2.权利要求1所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约0.2wt％的铝(Al)、钙(Ca)、钇(Y)和稀土金属混合物中的一种或多种。
3.权利要求1所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约25wt％的镍。
4.权利要求1所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约25wt％的钴和/或镍。
5.权利要求1所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约5wt％的钼和直至5wt％的钒中的一种或多种。
6.权利要求1所述的铁基硬钎焊焊料，其中铬为大约25-35wt％；硅为大约3-8wt％；以及磷为大约3-8wt％。
7.权利要求6所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约0.2wt％的铝(Al)、钙(Ca)、钇(Y)和稀土金属混合物中的一种或多种。
8.权利要求7所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约25wt％的镍。
9.权利要求8所述的铁基硬钎焊焊料，进一步包括直至约5wt％的钼和直至5wt％的钒中的一种或多种。
10.一种铁基硬钎焊焊料，包括：
大约25-35wt％的铬；
大约3-12wt％的硅；
大约3-12wt％的磷；
总计直至约0.2wt％的铝、钙、钇和稀土金属混合物中的一种或多种；
直至约25wt％的镍；
对于每种元素而言直至约5wt％的钼和钒中的至少一种；和
余量基本上为铁。
11.权利要求10所述的铁基硬钎焊焊料，其中铬为大约28-30wt％；硅为大约3-8wt％；以及磷为大约3-8wt％。
12.一种制备铁基硬钎焊焊料粉末的方法，包括如下步骤：
提供大约20-35wt％的铬、大约3-12wt％的硅、大约3-12wt％的磷以及余量的铁、附带成分和杂质的均匀合金；和
使用雾化方法以形成和收集来自所述均匀合金的粉末状颗粒。
13.一种形成牢固的、耐腐蚀性硬焊接头的方法，包括如下步骤：
提供待接合的第一表面和第二表面；
将硬钎焊焊料施加于第一和第二表面之间的所需位置，其中所述硬钎焊焊料包括大约20-35wt％的铬、大约3-12wt％的硅、大约3-12wt％的磷、以及余量的铁、附带成分和杂质的均匀合金；和
在高于所述硬钎焊焊料熔点的温度下炉内硬焊所述硬钎焊焊料以及所述第一和第二表面。
14.权利要求13的方法，其中所述硬钎焊焊料以粉末、膏状焊料和转移条中的一种或多种形式施加。
15.权利要求13的方法，其中所述第一和第二表面为热交换器和催化转化器中的一种或多种的部件。
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