CN102198570A - 一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂，属于钎焊材料和焊接材料的适当选择技术领域。所述放热焊剂具有比母材金属高的熔化温度，可以保证接头与母材构成的接地体具有均一的组织和更高的可靠性。放热焊剂的组分及其重量百分比为：氧化铜20～36％、氧化铁红(Fe2O3)1～31％、氧化铁黑(Fe3O4)8～20％、金属铝粉末12.5～16％、金属铜粉末20～24％、硅钙粉1～2％和萤石粉末2.5～5.8％。本发明焊剂熔点为1150℃-1310℃，可以保证接头与母材构成的接地体具有均一的组织和更高的可靠性，在电阻满足要求的前提下，氧化铜比例降低到40％以下，从而大幅降低材料成本。
Description
技术领域
本发明属于钎焊材料和焊接材料的适当选择技术领域，具体讲涉及一种铜覆钢/铜质接地网低成本放热焊剂。
背景技术
随着经济的发展，生产建设对于电力的依赖愈发加强，故在输变电领域，对于电网运行可靠性的要求逐年递增。其中，接地网是防止故障电流损害设备、保障人员安全与电力设施稳定运行的重要设施。
在以往的接地材料中，我国普遍采用镀锌钢作为接地材料，这是由于以下原因造成的1、我国铜资源不充裕，金属铜是作为战略资源使用的，故在一般建筑、制造等行业尽量以其他金属代替；2、沿用苏联技术体系，普遍采用镀锌钢作为接地材料；3、镀锌钢的成本低廉。鉴于上述原因，镀锌钢普遍存在于我国接地领域，但在一些重点项目或可靠性有更高要求建设中，镀锌钢已经逐渐被铜质或铜覆钢接地网所取代。
针对特定的铜质或铜覆钢材料，一般采用放热焊(也称为铝热焊，但在接地领域常常称为放热焊，以下称为放热焊)进行焊接，接头的熔点、导电率、机械性能主要取决于接头成分。而接头成分取决于放热焊焊粉成分。焊粉中主要由三部分构成，氧化剂、还原剂、其它添加剂。现有的铜质/铜覆钢材料用放热焊粉，往往为追求接头的高导电率以及满足接头接近铜的熔点采用氧化铜作为氧化剂，生成接头以铜为主要成分。
衡量接头导电性能应满足标准EJT887-1994，含接头导体电阻不得大于同等长度导体电阻1.1倍。
此外，接头熔点也应满足高于母材熔点要求，母材如采用纯铜接地材料，可达到1083℃，如采用铜覆钢接地材料，虽然芯部为铁基材料，熔点高于金属铜，但表层铜层熔点为1083℃，故无论采用纯铜或铜覆钢接地材料，母材熔点均按1083℃考虑。即接头材料熔点应高于1083℃。
为满足高熔点及电阻要求，目前采用的放热焊粉焊制接头往往追求高的铜含量，达到较高铜含量必然要求原料成分大量使用铜粉及氧化铜，此外，还要求铜粉及氧化铜具有较高纯度，这都导致焊粉成本居高不下。由于工业用氧化铜成本基本在75元/kg以上，而目前大部分焊粉配方，氧化铜含量均在50％以上。这就难以控制焊粉成本，导致放热焊接成本居高不下，造成推广的壁垒。
例如申请号为200910092155.1、名称为《一种高安全性铜包钢/钢质接地网放热焊剂》的发明专利申请，其技术方案提供了一种放热焊剂，放热焊剂含氧化铜组分重量百分比为45％-65％，金属锡粉末重量百分比为1％-3％，其中氧化铜含量高于45％且含有昂贵的金属锡使得放热焊剂的成本增加。
申请号为200910092153.2、名称为《一种高熔点铜包钢/钢质接地网放热焊剂》的发明专利申请，其技术方案提供了一种放热焊剂，放热焊剂含氧化铜组分重量百分比为50-60％，金属锡粉末重量百分比为2％-3％，金属镍粉末为0-5％，其中氧化铜含量高达50％且含有金属锡粉末，可能含有金属镍粉末，这也导致放热焊剂的成本的增加。其技术方案提供的放热焊剂熔点在1080℃-1104℃之间。由此可见，通过提高铜含量提高材料熔点的途径已经达到瓶颈，这就需求从其它材料途径寻找突破口。
在满足标准前提下，适当以其他成分代替氧化铜，可以有效降低材料成本，其中氧化铁就是比较优良的代替成分。无论氧化铁红或氧化铁黑，其成本均在7.5元/kg左右，仅为氧化铜成本的十分之一。
在Cu-Fe二元相图中可知，铜与铁形成共晶成分，且形成成分非常宽泛，此类组织机械性能稳定，具有良好的韧性，并且熔点高于铜的熔点。这恰恰满足了接头的性能。但铁的比例不宜过高，如铁的成分控制不精确，极易导致接头的导电性能下降，从而超出标准要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂，所述放热焊剂熔点为1150℃-1310℃，可以保证接头与母材构成的接地体具有均一的组织和更高的可靠性，电阻可以满足标准EJT887-1994，即含接头导体电阻小于同等长度母材电阻的1.1倍；焊剂中氧化铜比例降低到40％以下，从而大幅降低材料成本。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂，其改进之处在于所述放热焊剂的组分及其重量百分比为：氧化铜20～36％、氧化铁红Fe2O31～31％、氧化铁黑Fe3O48～20％、金属铝粉末12.5～16％、金属铜粉末20～24％、硅钙粉1～2％和萤石粉末2.5～5.8％；所述氧化铜的氧化度≥85％，所述氧化铁红纯度≥95％，所述氧化铁黑纯度≥95％，所述金属铜粉末的纯度≥99.5％，所述金属铝粉末的纯度≥99.5％。
本发明的另一优选技术方案为：所述氧化铜、氧化铁红Fe2O3、氧化铁黑Fe3O4、金属铝粉末、金属铜粉末、硅钙粉和萤石粉末的粒度为100～200目。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、高熔点
所述放热焊剂熔点为1150℃-1310℃，高于母材金属熔点(1083℃)，可以保证接头与母材构成的接地体具有均一的组织和更高的可靠性；
2、低成本
使用本发明焊剂得到的含接头导体电阻小于同等长度母材电阻的1.1倍，在满足焊接接头性能的前提下，焊剂组分中以氧化铁代替氧化铜，使得氧化铜比例降低到40％以下，此外放热焊剂还不含有Ni、Sn等昂贵的有色金属，从而大幅降低焊剂材料成本。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
本发明在电阻满足标准EJT887-1994的前提下，以Fe-Cu相图为依据，采用氧化铁(包括氧化铁红Fe2O3和氧化铁黑Fe3O4)代替焊剂中氧化铜组分。放热焊技术的原理是应用金属铝与氧化剂之间发生氧化还原反应(3MO+2Al＝3M+Al2O3+Q，其中Q表示热烈)放出大量热量，产生足够高的温度，使焊接部位金属及相关辅料熔融达到焊接效果。
本发明发热焊剂中各组分作用如下：
氧化铜(CuO)与金属铝粉末(Al)：是起氧化还原反应的关键配料，是反应中的热源，放热焊(铝热焊)剂中二者所占重量百分比起到调节铜含量的作用。
氧化铁红(Fe2O3)、氧化铁黑(Fe3O4)：是替代氧化铜的重要成分，它们与铝反应生成大量热量，起到氧化铜与金属铝反应类似的效果，但生成物为金属铁，金属铁与铜共同生成共晶产物，精确控制铁的氧化物比例可以控制接头金属铁的比例，从而满足电阻的国标要求。
金属铜粉末：是焊缝金属的主要成分，在铜覆钢接地网焊接中，主要起导通作用，在放热过程中金属铜粉末全部熔化。大比表面积的铜粉末处于高能量状态，在熔化中消耗氧化还原的能量小，利于提高反应温度。
萤石(CaF2)粉末：是反应中的主要造渣剂，起到助熔造渣、消除气孔的作用。
硅钙粉末：合金粉末的作用主要为脱氧，造渣，合金中元素以Ca、Si、Mg等为主，具有还原性。
采用引燃剂引燃本发明放热焊粉时，放热焊粉与引燃剂的质量比可以按50～65∶1使用。
下述实施例中所述的氧化铜的氧化度≥85％，粒度为100～200目；所属的氧化铁红纯度≥95％(即Fe2O3含量≥95％)，粒度为100～200目；所属的氧化铁黑纯度≥95％(即Fe3O4含量≥95％)，粒度为100～200目；所述的金属铜粉末的纯度≥99.5％，粒度为100～200目；所述的金属铝粉末的纯度≥99.5％，粒度为100～200目；所述的辅料硅钙粉末的粒度为100～200目；所述的辅料萤石粉末的粒度为100～200目；
实施例1
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊粉，组分及其重量百分比为：
实施例2
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊粉，组分及其重量百分比为：
实施例3
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊粉，组分及其重量百分比为：
实施例4
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊粉，组分及其重量百分比为：
实施例5
一种铜覆钢/铜质接地网放热焊粉，组分及其重量百分比为：
实施例1-5的放热焊剂与母材的焊接工艺为：将需进行焊接母材(母材指需进行焊接的铜质或铜覆钢导体)、放热焊粉、引燃剂及附件置于焊接专用模具内，装配妥当后点燃引燃剂，引燃剂反应点燃焊粉，焊粉反应生成高温液态金属，完成焊接过程。
实施例1-5中的放热焊粉的焊接效果如表1所示。
用热分析法测量材料熔点，有差热分析法(DTA)及示差扫描量热法(DSC)两种方法。其原理是在一台适用的DTA或DSC仪器上，以规定的升温速率对试样及一个对应的参照材料同时进行加热，由于试样的熔化过程是一种吸热现象，而参照材料是选用在样品的熔化温度范围内对热不敏感的物质，因此在样品熔化时，试样的温度低于参照材料的温度(DTA法)或输入到试样的能量大于输入到参照材料的能量(DSC法)，其温度的差值(DTA)或能量的差值(DSC)被仪器在加热过程中连续记录的曲线反映出来，曲线上出现了明显的峰(典型的DTA或DSC曲线)。从被仪器记录下来的曲线中即可得到试样开始熔融的温度To及熔融峰的温度Tp。To及Tp这两个温度值就表示为试样开始熔融的温度及最终的熔融温度。表1中DTA测定熔点值为To。
与母材电阻对比方法为：含有接头导体电阻值除以同等长度导体电阻值。
表1
| 实施例 | DTA测定熔点 | 开裂情况 | 与母材电阻对比 |
| 实施例1 | 1310℃ | 轻微 | 1.09 |
| 实施例2 | 1280℃ | 无 | 1.08 |
| 实施例3 | 1214℃ | 无 | 1.03 |
| 实施例4 | 1193℃ | 无 | 1.01 |
| 实施例5 | 1150℃ | 无 | 0.98 |
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (2)
1.一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂，其特征在于所述放热焊剂的组分及其重量百分比为：氧化铜20～36％、氧化铁红Fe2O31～31％、氧化铁黑Fe3O48～20％、金属铝粉末12.5～16％、金属铜粉末20～24％、硅钙粉1～2％和萤石粉末2.5～5.8％；所述氧化铜的氧化度≥85％，所述氧化铁红纯度≥95％，所述氧化铁黑纯度≥95％，所述金属铜粉末的纯度≥99.5％，所述金属铝粉末的纯度≥99.5％。
2.如权利要求1所述的一种铜覆钢/铜质接地网放热焊剂，其特征在于所述氧化铜、氧化铁红Fe2O3、氧化铁黑Fe3O4、金属铝粉末、金属铜粉末、硅钙粉和萤石粉末的粒度为100～200目。
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