CN102554508B

CN102554508B - 一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料

Info

Publication number: CN102554508B
Application number: CN201210039828.9A
Authority: CN
Inventors: 薛鹏; 薛松柏; 顾立勇; 顾文华
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: CN102554508A

Abstract

一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料，属于金属材料类的焊接材料。其特征在于，按质量百分数配比是：1.5%～25.0%的Ag，4.5%～9.0%的P，0.01%～0.2%的Se，0.005%～0.1%的S，0.01%～0.1%的Hf，余量为Cu。本发明的钎料是一种对无铅易切削铜合金具有良好的润湿铺展性能、固-液相线温度适中、银含量较低，钎缝具有优良塑性、强度、切削性能良好的无镉低银钎料。

Description

一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料

一、技术领域

本发明属于金属材料类的焊接材料，具体涉及一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料。

二、背景技术

自RoHS指令正式生效以来，无铅无镉钎焊材料的研究和使用越来越多。尽管RoHS指令对“铅黄铜”中含铅量可以允许不超过4%，但是，出于对保护人类健康的考虑，无铅易切削铜合金的研究越来越多，替代“铅黄铜”是大势所趋。

随着我国制造业的快速发展，制造水平的不断进步，生产量稳步增长，特别是近年来铜制品产量的大幅度提高，在许多领域，无铅易切削铜合金正在逐步取代“铅黄铜”。由于无铅易切削铜合金成分的特殊性和对无铅易切削铜合金钎缝“易切削性”的特殊要求，迫切需要研发出适用于无铅易切削铜合金的钎料。本项发明“一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料”，即是在上述技术背景下完成的。

三、发明内容

本发明的任务在于提供一种对无铅易切削铜合金具有良好的润湿铺展性能、固-液相线温度适中、银含量较低，钎缝具有优良塑性、强度、切削性能良好的无镉低银钎料。

为达到上述目的，本项发明——一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料，经过优化后确定的化学成分按质量百分数配比为：1.5%～25.0%的Ag，4.5%～9.0%的P，0.01%～0.2%的Se，0.005%～0.1%的S，0.01%～0.1%的Hf，余量为Cu。先采用中频冶炼炉冶炼好Cu-Ag-P三元合金之后，用市售的“铜箔”包覆市售的Hf-Cu合金、Cu-Se合金、CuS，加入液态Cu-Ag-P三元合金中。浇铸或水平连铸、挤压、拉拔，即得到所需的钎料丝材。将铸锭先挤压成带材，再经粗轧、精轧，可制备成带材（薄带）。钎缝具有优良的塑性、强度、切削性能，可用于无铅易切削铜合金的钎焊。

本发明提供的适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料与已有技术相比具有以下技术效果：对含Bi的无铅易切削铜合金、含Si的无铅易切削铜合金、含Sb的无铅易切削铜合金以及含Mg的无铅易切削铜合金等材料均具有良好的润湿铺展性能，固相线温度为640-650℃，液相线温度为770-780℃，钎料伸长率≥15%，钎料抗拉强度≥300MPa，钎缝抗拉强度≥220MPa，钎料导电率（IACS）≥80%，钎缝切削性能达到铅黄铜HPb62-2（参见现行有效版本GB/T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》）的切削性能。

四、说明附图

图1 本发明实施例的性能试验数据

五、具体实施方式

与以往研究相比，本发明的创造性在于：

1）发现了向银钎料中加入适量“硒元素”和“硫元素”对银钎料“切削性能”的影响规律：即银钎料中“硒元素”和“硫元素”含量对银钎料“切削性能”的影响在Se（即硒元素）与S（即硫元素）的添加量达到Se:S =1.8～2.2:1时，银钎料具有良好的切削性能。而在Se:S = 2:1时，银钎料具有最佳的切削性能。

2）研究发现，采用铪铜合金作为脱氧剂和晶粒细化剂，除了能够“准确控制”银钎料中的“硒元素”和“硫元素”含量之外，脱氧剂脱氧后残留的铪元素，具有优良的“合金化”性能，它们的“协同作用”，可以使银钎料的塑性与强度同时得到提高，从而发明出了银含量约在1.5%～25.0%范围、对含Bi的无铅易切削铜合金、含Si的无铅易切削铜合金、含Sb的无铅易切削铜合金以及含Mg的无铅易切削铜合金等材料均具有良好的润湿铺展性能、固-液相线温度适中、具有优良塑性与强度的银钎料。

3）对现有文献的分析发现，尽管在铜合金中，有时会允许微量的S元素存在（参见现行有效版本GB/T 5231-2001中表1和表3（续）），但是并不是为了提高铜合金的“易切削”性能。与此相反，在“铅黄铜”中（参见现行有效版本GB/T 5231-2001中表2（续）），对铅黄铜“杂质总和”的允许量虽然规定为0.5%～1.2%,但是，并未列出S元素的允许量，换句话说，GB/T 5231-2001标准并不认为在铅黄铜中加入微量S元素可以显著提高黄铜的切削性能。

经过成分优化发现，Se、S的添加量应该分别控制在0.01%～0.2%、0.005%～0.1%范围。当Se、S的添加量分别超过0.2%、0.1%范围后，会使银钎料加工、制备变得困难，使钎缝的表面成型变得粗糙。本试验还发现，对于无铅易切削铜合金来说，控制Se（即硒元素）与S（即硫元素）的添加量达到Se:S =1.8～2.2:1时，可以使银钎料以及钎缝均具有良好的切削性能。其中Se：S = 2：1时切削性能最佳。

4）研究还发现，在加入0.01%～0.1%的Hf时，不仅由于Hf与Se、S产生“协同作用”，能够提高银钎料对含Bi、含Si、含Sb以及含Mg无铅易切削铜合金的润湿铺展能力，还可以使新发明的银钎料中P的加入量提高至9.0%。由于P元素在铜合金的冶炼过程以及钎焊过程中具有“脱氧作用”（如P脱氧铜，参见现行有效版本GB/T 5231-2001中表1），这一发现，不仅对于批量生产时的产品质量的控制提供了方便，而且大大提高了钎料的流动性，更加有利于焊工操作。

本发明在系统、深入的试验基础上，通过成分优化、确定的银钎料成分范围按质量百分数配比是：1.5%～25.0%的Ag，4.5%～9.0%的P，0.01%～0.2%的Se，0.005%～0.1%的S，0.01%～0.1%的Hf，余量为Cu。在上述成分范围，银钎料具有优良的性能（参见图1）。

切削性能对比试验按照如下方法进行：

选用直径为30mm、长度为50mm的棒材，使用火焰钎焊方式对接钎焊，母材分别采用含Bi、含Si、含Sb、含Mg无铅易切削铜合金以及HPb62-2铅黄铜，钎料分别对应采用实施例1～实施例10，配合FB102钎剂钎焊，得到直径为30mm、长度约为101mm的钎焊接头（钎焊间隙为1.0～1.5mm）。以HPb62-2铅黄铜（直径为30mm、长度为100mm的棒材）为对比试样，进行切削试验。

将矫直试样（钎焊接头1～钎焊接头5）在国产C6136卧式普通车床切削。刀具材料为YW1，后角为8°，主偏角为50°，副偏角为15°，副后角为3°，刃倾角为-3°，刃尖圆弧半径为0.4 mm，主轴转速为600rpm。加工车削量为外圆1mm（HPb62-2铅黄铜对比试样），钎焊接头1～钎焊接头5则车削间隙为1.0～1.5mm的钎缝深度为4mm。由于HPb62-2铅黄铜的可切削性定为100％，切屑短、细而脆，H62黄铜棒为40％，切屑成连续状或螺旋状，比较两者间的切屑形状，即可大概估计其切削性能（参见赵祖德. 铜及铜合金材料手册. 北京：科学出版社，1993）。比较“切屑”尺寸大小，可以看出钎缝1～钎缝5的切屑与HPb62-2铅黄铜的切屑都较小，呈小片状，但钎缝1～5的切削断屑更细小些，由此可认为新发明银钎料其钎缝的切削性能等于或优于HPb62-2铅黄铜。

根据本发明的“一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料”的质量配方比，叙述本发明的具体实施方式。

实施例1：

1.5%的Ag，9.0%的P，0.01%的Se，0.005%的S，0.1%的Hf，余量为Cu。

由本实施例所得到的一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料除了对含Bi、含Si、含Sb以及含Mg无铅易切削铜合金的具有良好的润湿铺展性能外，以HPb62-2铅黄铜为参照物，还具有图1所示的诸项优异的技术指标。

实施例2 ：

25.0%的Ag，4.5%的P，0.2%的Se，0.1%的S，0.01%的Hf，余量为Cu。

实施例3 ：

15.0%的Ag，6.5%的P，0.1%的Se，0.05%的S，0.05%的Hf，余量为Cu。

其余描述与实施例1的描述相同。

实施例4 ：

4.5%的Ag，5.5%的P，0.05%的Se，0.025%的S，0.02%的Hf，余量为Cu。

其余描述与实施例1的描述相同。

实施例5 ：

21.5%的Ag，7.8%的P，0.16%的Se，0.08%的S，0.08%的Hf，余量为Cu。

其余描述与实施例1的描述相同。

实施例6：

1.5%的Ag，9.0%的P，0.01%的Se，0.01%的S，0.1%的Hf，余量为Cu。

由本实施例所得到的一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料除了对含Bi、含Si、含Sb以及含Mg无铅易切削铜合金的具有良好的润湿铺展性能外，以HPb62-2铅黄铜为参照物，切削性能比HPb62-2铅黄铜差。

实施例7 ：

25.0%的Ag，4.5%的P，0.1%的Se，0.1%的S，0.01%的Hf，余量为Cu。

实施例8 ：

15.0%的Ag，6.5%的P，0.09%的Se，0.05%的S，0.05%的Hf，余量为Cu。

实施例9 ：

4.5%的Ag，5.5%的P，0.055%的Se，0.025%的S，0.02%的Hf，余量为Cu。

实施例10 ：

21.5%的Ag，7.8%的P，0.17%的Se，0.08%的S，0.08%的Hf，余量为Cu。

Claims

1.一种适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料，其特征在于，按质量百分数配比是：1.5%～25.0%的Ag，4.5%～9.0%的P，0.01%～0.2%的Se，0.005%～0.1%的S，0.01%～0.1%的Hf，余量为Cu；上述Se与S的质量百分数配比是： Se：S =1.8～2.2：1。

2.根据权利要求1所述的适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料，其特征在于，所述Se与S的质量百分数配比是： Se：S = 2：1。

3.根据权利要求1所述的适用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料的制备方法，其特征在于包括以下过程：根据所述质量百分数配比关系，先采用中频冶炼炉冶炼好Cu-Ag-P三元合金之后，用市售的“铜箔”包覆市售的Hf-Cu合金、Cu-Se合金、CuS，加入已熔炼为液态的Cu-Ag-P三元合金中，即得到所需要的可用于无铅易切削铜合金钎焊的银钎料。