CN103537821A - 一种高温钎焊用铁镍基钎料 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种高温钎焊用铁镍基钎料，其化学成份及重量百分比为：Ni：20.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～10.0，Ti：0.5～3.0，Fe余量。本发明钎料具有成本低，钎焊接头强度高的优点。在1090℃～1120℃的钎焊温度下获得了高强度的不锈钢钎焊接头，室温强度达到320～500MPa，远高于常规镍基钎料接头和纯铜钎料接头。若使用该钎料代替传统的镍基钎料钎焊热交换器等结构件，能够解决镍基钎料接头强度不高的问题；若代替纯铜钎料钎焊油冷却器等能够解决因“失铜”造成的失效。本发明钎料适于各类不锈钢材料自身及其与铜合金、普通碳钢或镍基、铁基高温合金的钎焊连接，也适于普通碳钢或镍基、铁基高温合金自身的钎焊连接。

Description

一种高温钎焊用铁镍基钎料
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种高温钎焊用铁镍基钎料。
背景技术
不锈钢按其组织不同，可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。在各种类型的不锈钢中奥氏体不锈钢的应用最为广泛，品种也最多，广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、石油、化工、汽车、航空和航天等工业领域。钎焊技术可用来连接不同种类、形状特殊、结构复杂的工件，其接头具有较佳的综合性能，且钎焊生产率高，易于实现自动化生产，是近年来最活跃、最具发展潜力的专业领域之一。不锈钢用钎料通常有Au基钎料、Ag基钎料、Cu基钎料以及Ni基钎料等，通常根据不锈钢材料种类、使用介质、温度等条件选择适宜的钎料。
本发明旨在研制一种更为经济、高性能的铁镍基钎料，相比Au基钎料、Ag基钎料以及Ni基钎料具有更低的成本，相比纯铜钎料具有更佳的耐蚀性，并且接头强度远高于上述钎料。如目前油冷却器、热交换器等主要采用纯铜钎料和镍基钎料钎焊。采用纯铜钎焊车用发动机不锈钢油冷却器，钎焊接头在高温高压工作下容易发生腐蚀现象，使油中的铜含量和颗粒数大幅升高，即“失铜”现象，最终导致车辆发动机零部件的磨损和温度升高，造成发动机失效，给企业带来了重大的经济损失（《焊接》，2011年第2期，作者徐荣华、张文锋等）；采用镍基钎料钎焊不锈钢热交换器最大的问题是，钎料中含有较多的B、Si、P等降熔元素，易于与Fe、Ni等形成多种共晶体，导致钎焊接头脆，强度不高，仅为190MPa（《材料工程》1997年第1期，作者孙计生、刘效方。），且生产成本相对较高。
发明内容
本发明的目的正是针对经济性、钎焊接头高性能的需求，以及上述纯铜和镍基钎料钎焊冷却器和散热器具体应用中存在的不足而设计提供一种高温钎焊用铁镍基钎料。该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～10.0，Ti：0.5～3.0，Fe余量。本发明的技术解决方案是在钎料中加入Cu、Ti元素，由Cu-Ti二元相图可知，在Ti元素重量百分比为18～25时，Cu、Ti可以形成低熔点的共晶，起到降低钎料熔化温度的作用，从而减少钎料中Si、B元素含量，有效降低钎焊接头脆性，提高接头强度。在此基础上，对该铁基钎料的配比还进行了如下调整：
该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～22.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～5.0，Ti：0.5～2.0，Fe余量。
该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：22.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～5.0，Ti：0.5～2.0，Fe余量。
该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～5.0，B：1.5～2.5，Cu：5.0～10.0，Ti：2.0～3.0，Fe余量。
该铁镍基钎料的使用形式为粉状、急冷态箔带、切片、轧制带材、粉末轧制成的带状。
本发明技术方案的优点是：本发明铁镍基钎料最大的优点在于经济性和可获得高性能的钎焊接头。本发明钎料具有低廉的成本，并能在较低的钎焊温度下实现不锈钢等材料的高性能连接，这对于提高企业批量生产的经济效益和贯彻执行节能减排政策具有重要的意义。传统的镍基钎料中往往纯粹依靠加入Si+B作为降熔元素，使得镍基钎料对应的不锈钢钎焊接头存在明显的脆性，强度较低。本发明向钎料中联合加入Cu、Ti元素，通过近似的Cu-Ti二元共晶成分，可以与Si、B元素一起，起到联合降熔的作用，有效减少钎料中Si、B元素含量，从而降低钎焊接头脆性，提高接头强度。本发明钎料在1090℃～1120℃的钎焊温度下获得了高强度的不锈钢钎焊接头。钎焊接头室温抗拉强度可达320～500MPa，远高于常规镍基钎料接头和纯铜钎料接头。相比镍基钎料，其成本优势十分显著，一般镍基钎料约600元/公斤，而本发明铁基钎料根据使用形式的不同，价格约150～300元/公斤，仅为镍基钎料的1/4～1/2，进一步降低Ni、Cu、Ti元素重量百分比至20.0～22.0、2.5～5.0、0.6～2.0，有利于进一步降低钎料成本。若代替传统的镍基钎料钎焊不锈钢热交换器等结构件，能够解决镍基钎料接头强度不高的问题，并能显著降低钎料使用成本。相比美国专利铁基钎料（US4410604，最低熔化铺展温度约1138℃。），本发明钎料具有更低的熔化温度，液相线温度低于1052℃，能够在较低的钎焊温度下获得高强度的钎焊接头，这对于降低批量生产的能耗成本是十分显著的；并且在Cu、Ti重量百分比为5.0～10.0和1.5～3.0时能够获得更低的熔化温度，在1080℃的保温温度下即可实现熔化和铺展，润湿角约30°。本发明钎料和纯铜钎料在1100℃、1110℃和1120℃钎焊的不锈钢接头强度如表1所示，接头强度相比纯铜钎焊接头提高63%～255%。采用纯铜钎料钎焊的油冷却器，接头在高温高压工作下容易发生腐蚀现象，使油中的铜含量和颗粒数大幅升高，即“失铜”现象，最终导致车辆发动机零部件的磨损和温度升高，造成发动机失效；针对油冷却器钎焊，本发明钎料在保证熔化温度较低的情况下，尽可能降低Cu元素含量，将其重量百分比降至5%以下，以此代替纯铜钎焊油冷却器等不但能够解决因“失铜”现象造成的失效，将极大程度地降低因此带来的发动机损毁造成的损失，而且能够提高钎焊接头强度，并且能在更低的钎焊温度下钎焊油冷却器，降低生成成本。本发明钎料不仅适于各类不锈钢材料自身及其与铜合金、普通碳钢或镍基、铁基高温合金的钎焊连接，也适于普通碳钢或镍基、铁基高温合金自身的钎焊连接。
表1本发明某实施例钎焊接头强度及其与纯铜钎焊接头强度对比
钎焊温度，℃ 本发明钎料接头强度，MPa 纯铜接头强度，MPa 提高百分比，%
1100℃ 320～355 100～120 167～255
1110℃ 450～500 210～229 97～138
1120℃ 391～430 233～240 63～85
附图说明
图1为本发明钎料分别在1080℃和1090℃下熔化并铺展的照片
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
表2给出了本发明技术方案所述高温钎料的20个实施例及其每一个实施例中的化学成份及重量百分比组成。
表2本发明的实施例成分及重量百分比
Figure BDA0000408460760000041
上述实施例所述的高温钎料按如下工艺路线制备：
（1）选择纯度不低于99.0%的高纯Fe、Ni、Cr、Si、B、Cu、Ti，其中Cu、Ti元素在有条件的情况下可以以Fe-Si、Fe-B、Cu-Ti合金的形式添加，并按重量配比称量；
（2）在氩气保护条件下采用电弧熔炼方法将此合金熔炼成合金锭。
（3）采用下述方法之一制备钎料：
A、采用氩气雾化制粉设备制备合金粉末状钎料；
B、在氩气保护条件下采用急冷态箔材制备设备制备急冷态箔带钎料。对于单辊法快速凝固过程，单辊需以1000～10000r/min的高速度旋转，钎料锭块熔化形成液态后冷却速率介于103～106K/s之间。
C、从合金锭上采用电火花线切割方法切出薄片再正反面机械磨光后使用。
D、由合金锭通过多次室温轧制、热处理的工艺直接制成合金带材。
E、由粉末状钎料通过添加粘结剂并轧制，制成较薄的、具有柔性的带状钎料。
本发明钎料也可以以合金块体或由高纯度元素粉按配比混合后直接使用。根据连接接头的要求进行不锈钢材料之间的装配，在连接界面一侧或之间加入本发明钎料，装配后连同夹具一起放入真空加热炉中，或气体保护的感应加热室中，按工艺要求保温后再冷却至室温。
采用表2所示的实施例1～20的成分钎料，分别以合金粉末状钎料形式、钎料合金复合轧制带、急冷箔带、从钎料合金锭上切出钎料薄片、钎料合金带材使用，在1090℃～1120℃的钎焊温度下获得了高强不锈钢钎焊接头。钎焊接头室温抗拉强度达到320～500MPa。采用真空钎焊炉对实施例1-8分别在1080℃和1090℃进行了熔化实验，典型的熔化结果如图1所示，钎料在该温度下熔化良好并铺展。

Claims (5)

1.一种高温钎焊用铁镍基钎料，其特征在于：该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～10.0，Ti：0.5～3.0，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的高温钎焊用铁镍基钎料，其特征在于：该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～22.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～5.0，Ti：0.5～2.0，Fe余量。
3.根据权利要求1所述的高温钎焊用铁镍基钎料，其特征在于：该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：22.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～7.0，B：1.5～3.5，Cu：2.0～5.0，Ti：0.5～2.0，Fe余量。
4.根据权利要求1所述的高温钎焊用铁镍基钎料，其特征在于：该钎料的化学成分及重量百分比为：Ni：20.0～24.0，Cr：5.0～10.0，Si：3.0～5.0，B：1.5～2.5，Cu：5.0～10.0，Ti：2.0～3.0，Fe余量。
5.根据权利要求1所述的高温钎焊用铁镍基钎料，其特征在于：该铁镍基钎料的使用形式为粉状、急冷态箔带、切片、轧制带材、粉末轧制成的带状。
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