CN101327551A - 一种钎焊材料及其制备方法以及用其进行钎焊的方法 - Google Patents

Abstract

一种钎焊材料及其制备方法以及用其进行焊接的方法，属于钎焊材料的制备方法及其应用，解决现有Ti(C，N)基金属陶瓷与金属连接中存在的连接强度和工作温度偏低的问题，实现Ti(C，N)基金属陶瓷与钢的牢固连接，且使连接接头具有较好的连接强度和较高的工作温度。本发明钎焊材料各成分质量百分比为：40≤Cu≤45，20≤Ag≤25，21≤Zn≤23，5≤Ni≤10，1≤Ti≤3，1≤Si≤5。制备方法包括混合、压制成型、烧结和轧制步骤，轧制成钎焊材料薄片。用钎焊材料进行钎焊的方法包括：焊前准备、装配、升温和降温步骤。本发明采用的钎焊材料和钎焊工艺成功实现了Ti(C，N)基金属陶瓷与45钢的牢固连接，接头的最大室温剪切强度达到268.5MPa，平均剪切强度达到240.9MPa。

Description

一种钎焊材料及其制备方法以及用其进行钎焊的方法

技术领域

本发明属于钎焊材料的制备方法及其应用，具体涉及一种应用于Ti(C，N)基金属陶瓷与钢焊接的钎焊材料及其制备方法以及用其进行焊接的方法。

背景技术

现代工业的发展对材料性能的要求越来越苛刻，在很多场合下金属材料已经不能满足需求。与之相比，金属陶瓷材料具有一系列优良的物理和化学性能，如良好的高温强度、高硬度和优良的耐腐蚀性。但由于金属陶瓷材料的脆性、不可变形性和加工性能差，难以制造结构复杂的金属陶瓷零件，故大尺寸和结构复杂的金属陶瓷零件，采用连接技术是不可避免的。通过连接技术可以实现低成本制造形状复杂、多组分部件，同时还可以提高金属陶瓷结构的可靠性。因此金属陶瓷材料的连接技术已成为近年来材料连接领域的一个重要研究课题。

Ti(C，N)基金属陶瓷是一种颗粒型复合材料，是在TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的新型金属陶瓷。Ti(C，N)基金属陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等一系列优良综合性能，它在相同硬度时耐磨性高于WC-Co硬质合金，其密度却只有硬质合金的一半。因此，Ti(C，N)基金属陶瓷已被广泛用作工具材料。这种新型金属陶瓷工具材料的广泛应用是以其成功的连接技术为前提的，但由于Ti(C，N)基金属陶瓷属于脆性材料，熔点比金属高，其线膨胀系数与金属相差较大，使得Ti(C，N)基金属陶瓷与金属焊接后接头中的残余应力很高，加之与金属的相容性较差，使得Ti(C，N)基金属陶瓷与金属的焊接性较差，国内外对于Ti(C，N)基金属陶瓷与金属的连接技术研究较少，缺乏合适的钎焊材料且存在连接强度不高等问题，限制了Ti(C，N)基金属陶瓷材料在工业生产中的广泛应用。目前，对Ti(C，N)基金属陶瓷与金属焊接的方法包括真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等连接技术，其中钎焊、扩散焊连接方法比较成熟，应用较广泛，对Ti(C，N)基金属陶瓷与钢进行钎焊连接已取得了一些进展，李先芬等对Ti(C，N)基金属陶瓷与45钢采用铜基、银基钎焊材料分别进行了火焰钎焊试验和在氩气保护炉中钎焊试验，获得的接头最高剪切强度为114MPa，平均剪切强度为51MPa，但钎焊连接强度普遍不高，且连接质量不稳定；见李先芬、丁厚福、徐道荣、刘宁、许育东，“Ti(C，N)基金属陶瓷与45号钢钎焊的试验研究”热加工工艺，2003.(2)：24。

发明内容

本发明提供一种钎焊材料，同时提供其制备方法以及用其进行钎焊的方法，解决现有Ti(C，N)基金属陶瓷与金属连接中存在的连接强度和工作温度偏低的问题，实现Ti(C，N)基金属陶瓷与钢的牢固连接，且使连接接头具有较好的连接强度和较高的工作温度。

本发明的一种钎焊材料，包含Cu、Ag、Zn、Ni成分，其特征在于：

其还包含Ti和Si；所述各成分质量百分比为：40≤Cu≤45，20≤Ag≤25，21≤Zn≤23，5≤Ni≤10，1≤Ti≤3，1≤Si≤5；各成分混合、压制成型、经烧结、退火轧制成钎焊材料薄片。

本发明的钎焊材料制备方法，包括：

(1)混合步骤：将Cu、Ag、Zn、Ni、Ti和Si金属粉末按所述质量百分比放入行星球磨机中混合球磨，得到合金粉末；

(2)成型步骤：将合金粉末采用模压压制成型，压力为450～550Mpa；

(3)烧结步骤：对压制成型的压坯采用真空烧结或保护气氛烧结，烧结温度750℃～800℃，烧结时间15～30min；

(4)轧制步骤：烧结体退火轧制成钎焊材料薄片。

所述的钎焊材料制备方法，其特征在于：

所述混合步骤中，Ag、Cu金属粉末粒度为200目，Zn、Ni、Ti、Si金属粉末粒度为300目，在行星球磨机中混合球磨60～120min。

本发明的钎焊材料进行钎焊的方法，包括：

(1)焊前准备步骤：用金相砂纸打磨金属陶瓷、钢待焊接表面以及钎焊材料薄片，再将它们放在丙酮溶液中进行超声波清洗，最后用酒精冲洗并吹干；

(2)装配步骤：将待焊接的金属陶瓷、钢互相搭接，搭接部位放置钎焊材料薄片，搭接部位上放置质量为100～150g的压块，再将所述各部件放入真空加热炉中；

(3)升温步骤：真空加热炉升温，升温速率为10～15℃/min，升温至250～300℃保温20～30min；再升温至500～550℃保温20～30min，升温至钎焊温度800℃～1000℃，保温10～15min；真空度小于5×10^-2Pa；

(4)降温步骤：真空加热炉从钎焊温度降温到350～400℃保温60～120min，降温速率8～10℃/min，温度降到100℃后，自然冷却至室温后出炉。

本发明在铜基钎焊材料的基础上添加镍和钛元素，改善钎焊材料对Ti(C，N)基金属陶瓷的润湿性，采用粉末冶金方法制备该种钎焊材料，并选择合理的钎焊工艺提高Ti(C，N)基金属陶瓷与钢钎焊接头的连接强度。

以本发明制备的钎焊材料及钎焊工艺成功实现了Ti(C，N)基金属陶瓷与钢的牢固连接，接头最大剪切强度达到268.5MPa，平均剪切强度达到240.9MPa，这是迄今为止Ti(C，N)基金属陶瓷与钢连接接头的最高剪切强度。

附图说明

图1为钎焊各部件装配结构示意图；

图2为钎焊方法实施例1中升温和降温步骤的工艺曲线。

具体实施方式

以下结合实施例进一步说明本发明的技术工艺及过程。

制备方法实施例1：

(1)按质量百分比：Cu 45％，Ag 25％，Zn 23％，Ni 5％，Ti 1％，Si1％，称取均为200目的Ag、Cu粉，300目的Zn、Ni、Ti、Si粉，在行星球磨机中进行球磨混合60min，球料比5∶1，球磨机转速为200r/min～300r/min，得到合金粉末。(2)将球磨后的合金粉末使用粉末成形压力机压制得到压坯，压力为450Mpa；(3)钎焊材料压坯采用真空烧结，烧结的温度选择在750℃左右，并保温15min，得到厚度大约为1～3mm的钎焊材料片；(4)然后退火轧制成厚度为0.2mm左右的钎焊材料薄片。

制备方法实施例2：

(1)按质量百分比：Cu 43％，Ag 23％，Zn 21％，Ni 8％，Ti 2％，Si 3％，称取均为200目的Ag、Cu粉，300目的Zn、Ni、Ti、Si粉，在行星球磨机中进行球磨混合90min，球料比5∶1，球磨机转速为200r/min～300r/min，得到合金粉末。(2)将球磨后的合金粉末使用粉末成形压力机压制得到压坯，压力为500Mpa；(3)钎焊材料压坯采用真空烧结，烧结的温度选择在780℃左右，并保温20min，得到厚度大约为1～3mm的钎焊材料片；(4)然后退火轧制成厚度为0.2mm左右的钎焊材料薄片。

制备方法实施例3：

(1)按质量百分比：Cu 40％，Ag 20％，Zn 22％，Ni 10％，Ti 3％，Si 5％，称取均为200目的Ag、Cu粉，300目的Zn、Ni、Ti、Si粉，在行星球磨机中进行球磨混合120min，球料比5∶1，球磨机转速为200r/min～300r/min，得到合金粉末。(2)将球磨后的合金粉末使用粉末成形压力机压制得到压坯，压力为550Mpa；(3)钎焊材料压坯的烧结采用真空烧结，烧结的温度选择在800℃左右，并保温30min，得到厚度大约为1～3mm的钎焊材料片；(4)然后退火轧制成厚度为0.2mm左右的钎焊材料薄片。

钎焊方法实施例1：

(1)用电火花线切割的方法分别将Ti(C，N)基金属陶瓷和45钢切成35mm×8mm×6mm试片，钎焊前，Ti(C，N)基金属陶瓷和钎焊材料待连接表面用金相砂纸打磨，随后将连接试样和钎焊材料片放在丙酮溶液中用超声波清洗15min，最后用酒精冲洗并吹干。

(2)钎焊连接在真空炉中进行。钎焊结构如图1，钎缝宽度约为0.2mm。钎焊时为了保证试样和钎焊材料的良好接触，在装配好的试样上放置质量为100g的模具钢压块。

(3)钎焊连接过程中真空度始终保持在5×10^-2P以下，升温速率为10℃/min，升温到250℃和500℃分别保温20min，作为双级预热过程，然后升温至钎焊温度800℃后，保温10min作为焊接时间，(4)开始降温，降温到350℃时保温60min，降温速率8℃/min，当降温到100℃后随炉冷却至室温后出炉。升温和降温的工艺曲线如图2所示。

钎焊方法实施例2：

(1)用电火花线切割的方法分别将Ti(C，N)基金属陶瓷和45钢切成35mm×8mm×6mm试片，钎焊前，Ti(C，N)基金属陶瓷和钎焊材料待连接表面用金相砂纸打磨，随后将连接试样和钎焊材料片放在丙酮溶液中用超声波清洗15min，最后用酒精冲洗并吹干。

(2)钎焊连接在真空炉中进行。钎焊结构如图1，钎缝宽度约为0.2mm。钎焊时为了保证试样和钎焊材料的良好接触，在装配好的试样上放置质量为120g的模具钢压块。

(3)钎焊连接过程中真空度始终保持在5×10^-2P以下，升温速率为12℃/min，升温到280℃和530℃分别保温25min，作为双级预热过程，然后升温至钎焊温度850℃后，保温15min作为焊接时间，(4)开始降温，降温到400℃时保温120min，降温速率9℃/min，当降温到100℃后随炉冷却至室温后出炉。

钎焊方法实施例3：

(1)用电火花线切割的方法分别将Ti(C，N)基金属陶瓷和45钢切成35mm×8mm×6mm试片，钎焊前，Ti(C，N)基金属陶瓷和钎焊材料待连接表面用金相砂纸打磨，随后将连接试样和钎焊材料片放在丙酮溶液中用超声波清洗15min，最后用酒精冲洗并吹干。

(2)钎焊连接在真空炉中进行。钎焊结构如图1，钎缝宽度约为0.2mm。钎焊时为了保证试样和钎焊材料的良好接触，在装配好的试样上放置质量为150g的模具钢压块。

(3)钎焊连接过程中真空度始终保持在5×10^-2P以下，升温速率为15℃/min，升温到300℃和550℃分别保温30min，作为双级预热过程，然后升温至钎焊温度1000℃后，保温12min作为焊接时间，(4)开始降温，降温到380℃时保温90min，降温速率10℃/min，当降温到100℃后随炉冷却至室温后出炉。

Claims (4)

1.一种钎焊材料，包含Cu、Ag、Zn、Ni成分，其特征在于：

其还包含Ti和Si；所述各成分质量百分比为：40≤Cu≤45，20≤Ag≤25，21≤Zn≤23，5≤Ni≤10，1≤Ti≤3，1≤Si≤5；各成分混合、压制成型、经烧结、退火轧制成钎焊材料薄片。

2.权利要求1所述的钎焊材料制备方法，包括：

(1)混合步骤：将Cu、Ag、Zn、Ni、Ti和Si金属粉末按所述质量百分比放入行星球磨机中混合球磨，得到合金粉末；

(2)成型步骤：将合金粉末采用模压压制成型，压力为450～550Mpa；

(3)烧结步骤：对压制成型的压坯采用真空烧结或保护气氛烧结，烧结温度750℃～800℃，烧结时间15～30min；

(4)轧制步骤：烧结体退火轧制成钎焊材料薄片。

3.如权利要求2所述的钎焊材料制备方法，其特征在于：

所述混合步骤中，Ag、Cu金属粉末粒度为200目，Zn、Ni、Ti、Si金属粉末粒度为300目，在行星球磨机中混合球磨60～120min。

4.用权利要求1所述钎焊材料进行钎焊的方法，包括：

(1)焊前准备步骤：用金相砂纸打磨金属陶瓷、钢待焊接表面以及钎焊材料薄片，再将它们放在丙酮溶液中进行超声波清洗，最后用酒精冲洗并吹干；

(2)装配步骤：将待焊接的金属陶瓷、钢互相搭接，搭接部位放置钎焊材料薄片，搭接部位上放置质量为100～150g的压块，再将所述各部件放入真空加热炉中；

(3)升温步骤：真空加热炉升温，升温速率为10～15℃/min，升温至250～300℃保温20～30min；再升温至500～550℃保温20～30min，升温至钎焊温度800℃～1000℃，保温10～15min；真空度小于5×10^-2Pa；

(4)降温步骤：真空加热炉从钎焊温度降温到350～400℃保温60～120min，降温速率8～10℃/min，温度降到100℃后，自然冷却至室温后出炉。