CN101879668A - 一种镓系钎料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石墨/不锈钢低温钎焊连接的镓系合金钎焊材料，钎料的成分由Ga和Cu-Sn合金粉末或者是由Ga-Sn合金和Cu粉末组成。组成物在35～45℃条件下混合、搅拌均匀呈膏态使用；钎焊前，石墨和不锈钢表面电镀Ni或Ni和Cu复合镀层，在70～120℃/100h～120h钎焊后，石墨/不锈钢焊缝气密性优良，泄漏率≤10^-6Pa/m³.s，钎焊接头耐热性强，可在250～450℃环境中使用不脱焊。

Description

一种镓系钎料及其应用

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是涉及涡轮泵用的“金属/石墨”摩擦副动态密封组件中，石墨环和不锈钢静环座高可靠气密性连接的一种低温钎焊材料、钎焊方法及其应用。

背景技术

在一些机械工业领域内，某些涡轮泵体基于高速、高温和腐蚀的工作环境，需要采用“金属动环1/石墨静环2”摩擦副结构实现密封腔体4的动态密封(见图1)。在实际应用中，需要把石墨静环2与不锈钢静环座3连接在一起。在现有的技术中，该类型组件的传统连接方法是：采用石墨静环2与不锈钢静环座3过盈装配、再渗入密封胶的方法实现其密封连接。这种方法的不足之处是：构件在≥250℃温升的条件下工作，由于不锈钢与石墨的线膨胀系数差异使石墨环松动或密封胶老化失效，导致动态密封腔体4气密性下降，工作可靠性低。在较高温升使用条件下且要求较高的工作可靠性的此类动态密封组件中，为了保证石墨/不锈钢动态密封的工作性能，不容许钎焊温度超过200℃。因此，需要开发一种适合石墨与不锈钢件可靠性高的连接新材料和新方法。采用钎焊技术可以实现某些金属/非金属的连接，实践表明，钎焊连接比过盈装配连接、特别是在≥250℃条件下工作的接头可靠性高的多。

在现有的技术中，有关石墨(例如高密度石墨)与金属的高温钎焊连接(钎焊温度≥700℃)和适用钎焊材料的报道较多，但钎焊温度低于200℃、焊后钎焊接头且可在在250～450℃工作不脱焊的钎料和钎焊方法及其在石墨/不锈钢动态密封组件领域的应用尚未见诸报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合石墨/不锈钢低温(≤200℃)连接的钎料及其钎焊方法，并实用于某些机械领域中的石墨/不锈钢动态密封组件的钎焊连接。更具体地说，是一种可在低于200℃钎焊、而钎焊接头在250℃～450℃工作不脱焊、焊缝气密性高，实用于金属动环1/石墨静环2摩擦副动态密封组件中的石墨环2和不锈钢静环座3钎焊连接的一种低温钎料及其钎焊方法。

为了达到这类使用的技术要求，本发明采用熔点为29℃、在室温条件下呈液态的金属鎵(Ga)和Cu-(10-12％)Sn合金粉末或者是由Ga-(10-12％)Sn合金(熔点约为25℃)与铜粉末在在35℃～45℃的条件下混合，调制成制成膏状钎料，这类焊膏在≤200℃的钎焊温度下，通过液态金属Ga(或液态Ga-Sn合金)与微细金属粉末颗粒之间的互扩散、固溶、化合反应，使焊膏固化、重熔温度升高、在焊缝中形成熔点高于450℃的新合金，从而可确保焊缝在250℃～450℃工作不脱焊。

本发明的低温膏状钎料质量百分比的组成是：35％～40％Ga、65％～60％Cu-(10～12)％Sn合金粉末或35％～40％Ga-(10～12％)Sn合金、(65％～60％)Cu粉末；Cu-Sn合金粉末和Cu粉末的粒度均为40～50微米。

钎料的制备方法：首先将Ga或Ga-Sn合金预热到35～45℃，然后放入铜粉末或Cu-(10～12％)Sn合金粉末，搅拌均匀即可使用。

本发明采用的金属原料的纯度：Ga≥99.99％；Cu≥99.95％；Sn≥99.99％。

从现有的Cu-Ga和Ni-Ga二元相图可知，在低于200℃的温度条件下，Ga和Ni、Cu均有较大的固溶度。为了提高焊膏和石墨与不锈钢表面的润湿性能，钎焊前，石墨和不锈钢表面上，需要预镀一层厚度为10～20微米的Ni或者Ni、Cu复合镀层。

钎焊在70℃～120℃进行，钎焊总时间为100～120h。

试验表明，采用本发明低温钎料钎焊的石墨/不锈钢钎焊接头钎焊的耐热性≥450℃，接头的气密性高，焊缝的泄漏率≤10^-6Pa/m³.s。

附图说明

图1为金属/石墨摩擦副动态密封结构示意图。

图中：1为金属动环，2为石墨静环，3为不锈钢静环座，4为-密封腔体，5为-石墨静环与不锈钢静环座连接焊缝。

具体实施方式

实施例1

钎料组成：纯度≥99.99％金属Ga：35％；颗粒度45微米的Cu-10％Sn粉末：65％。

高密度石墨和1Cr18Ni9Ti不锈钢镀表面预处理：镀镍6～8微米后，再镀Cu5～6微米形成复合镀层。

首先将金属Ga预热到约35℃，加入Cu-Sn合金粉末，充分搅拌均匀，将调试均匀的焊膏涂在钎焊部位，并用夹具固定，在10^-2Pa的真空炉中进行钎焊，钎焊工艺：70℃/24h+120℃/72h。

实施例2

钎料组成：Ga-10％Sn合金：40％；颗粒度40微米的Cu粉末：60％。高密度石墨和1Cr18Ni9Ti不锈钢镀表面预处理：镀镍10微米镀层。

将Ga-10％Sn合金预热到约45℃，加入Cu粉末，充分搅拌均匀，将调试均匀的焊膏涂在钎焊部位，并用夹具固定，在大气条件下进行炉中钎焊，钎焊温度：110℃～120℃；钎焊时间：110h。

Claims (6)

1.一种石墨/不锈钢组件钎焊用钎料，其特征在于钎料的成分由质量百分比为35％～45％Ga和65％～55％的Cu-Sn合金粉末组成；其中Cu-Sn合金中Sn质量百分比占10～12％，余量为Sn，Cu-Sn合金粉末的粒度为40～50微米。

2.一种石墨/不锈钢组件钎焊用钎料，其特征在于钎料由质量百分比35％～40％Ga-Sn合金和65％～60％的Cu粉末组成，Cu粉末的粒度为40～50微米，Ga-Sn合金中Sn质量百分比占10～12％，余量为Ga。

3.权利要求1或2中的石墨/不锈钢组件钎焊用钎料的钎焊方法是：预先在石墨和不锈钢钎焊表面镀一层Ni或Ni、Cu复合镀层，将权利要求1中的Ga或者权利要求2中的Ga-Sn合金加热至35～45℃熔化，分别加入相应的Cu-Sn合金粉末或Cu粉末，调制成均匀的膏状，涂在钎焊处、夹具固定后，在10^-2Pa真空炉或在大气条件下70～120℃/100～120h完成钎焊。

4.权利要求1或2中的石墨/不锈钢组件钎焊用钎料应用于机械领域内某些涡轮泵内金属/石墨摩擦副组件中的石墨静环与不锈钢静环座高可靠连接。

5.权利要求1或2中的石墨/不锈钢组件钎焊用钎料，其特征在于：采用的金属原料的纯度：Ga≥99.99％；Cu≥99.95％；Sn≥99.99％。

6.权利要求3的石墨/不锈钢组件钎焊用钎料的钎焊方法应用于机械领域内某些涡轮泵内金属/石墨摩擦副组件中的石墨静环与不锈钢静环座高可靠连接。

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