CN104858570B - 钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料及制备和钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料及制备和焊接方法，以重量百分比计的元素成分包括：V10％～12％，Nb3.0％～9.0％，Si3.0％～4.0％，Cu8.0％～16％，Ni9.0％～12％，Cr11％～14％，Sn3.0％～5.0％，余量为Zr。本发明钎料的钎焊温度在1010℃～1090℃，钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀；钎料箔片有利于加速高温连接过程中原子扩散和界面反应，提高钎料的润湿和铺展能力，减小接头中残余应力，提高接头的力学性能；本发明获得的钎料的制备方法，钎料的制备可重复再现，便于推广应用；采用本发明的钎焊工艺，通过真空钎焊连接，样件在加热过程中处于真空气氛中，不会出现氧化、污染等问题，其表面润湿铺展较好，有利于填充钎缝，提高接头强度，因而能获得稳定可靠的焊接接头。

Description

钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料及制备和钎焊方法

技术领域

本发明涉及异种材料连接的钎料，具体涉及一种钎焊钨铜合金与不锈钢的锆基高温钎料及制备方法和钎焊工艺，属于焊接技术领域。

背景技术

钨铜合金材料兼容钨元素和同元素的优异性能，不仅具有高的导热导电率和低的热膨胀系数，还表现出良好的高温强度、抗热震性和耐烧蚀性及尺寸稳定性等优点，常常被作为耐高温连接件、散热基件、热沉材料及触头材料，广泛涉及到电子封装、集成电路、真空开关、加工电极、无线通讯装置等部件；在航空航天和国防军事领域，可作为火箭、导弹尾喷管的喉衬、喷嘴、燃气舵等高温部件。为了进一步发挥钨铜合金材料的优越性能，弥补其弱势缺陷；钨铜合金与不锈钢连接成复合件，可充分发挥钨铜合金高导电导热、耐烧蚀结合不锈钢抗高温抗氧化、耐腐蚀等优良特征，提高了连接构件的整体性能，具有重大的研究意义和使用价值。因此研制一种高性能的连接材料非常有理论和实际价值。

W-Cu合金材料与不锈钢材料连接时，因其熔点、线膨胀系数、热导率相差较大，以出现焊合区晶粒粗大、组织脆化、应力集中等现象，导致接头断裂倾向增大。焊缝金属力学性能降低，严重影响了两者之间的连接性能；此外，W-Cu合金材料对气体杂质敏感性较大，以及易出现脆化物相和微孔，严重影响接头的气密性及承载能力。因此，钨铜合金与不锈钢焊接时，组织结构变化、气体杂质污染、焊接应力等问题导致焊缝性能失效，是钨铜合金与不锈钢焊接面临的主要问题；在实际生产过程中迫切寻求性能优良和性价比高的填充材料，解决这些问题。

对于钨铜合金材料与异种合金材料连接而言，可采用扩散连接、摩擦焊等固相连接方法或钎焊，其中钎焊中特别是真空钎焊方法适合性更好。进过多年的研究，其工艺已经得到较大的改进；但是在连接材料上，仍然只是利用工业生产材料，价格成本比较昂贵，其焊缝性能也仍然难以令人满意。在航空航天和国防军事领域，对于钨铜合金与不锈钢的连接要求越来越高，为了提高其性能，提高连接材料的质量与性能起到至关重要的作用与地位，对其仍然需要进一步研究。

专利号：201210158935.3(一种钨铜合金与不锈钢钎焊用钎料及钎焊工艺)介绍一种钨铜合金与不锈钢钎焊钎料及焊接工艺，但是这种钎料在钨铜合金及不锈钢表面的润湿性和流动性较差；在钎焊过程中元素扩散不均匀，组织粗大，易出现脆性固溶相及脆性化合物，焊接后接头的强度只能达到100MPa左右，严重影响焊接接头的性能。在现代国防领域中，使用该钎料无法满足焊接接头的强度要求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料及制备和钎焊方法，

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料，以重量百分比计的元素成分包括：V10％～12％，Nb3.0％～9.0％，Si3.0％～4.0％，Cu8.0％～16％，Ni9.0％～12％，Cr11％～14％，Sn3.0％～5.0％，余量为Zr。

作为优选，以重量百分比计的元素成分包括：V10％～11％，Nb4.0％～8.0％，Si3.2％～3.8％，Cu10％～15％，Ni10％～12％，Cr11％～13％，Sn3.5％～4.5％，余量为Zr。

作为优选，以重量百分比计的元素成分包括：11％V、6％Nb、3.5％Si、12％Cu、10.5％Ni、12.5％Cr、4.0％Sn，其余为Zr。

一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料的制备方法，包括以下步骤：

1)按成分质量百分比称取V粉、Nb粉、Si片、Cu片、Ni片、Cr颗粒、Sn粉和Zr颗粒制得混合物；

2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封，其中混合物与丙酮体积比为1：10～20；

3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声5～10min，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；

4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；

5)将混合干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；

6)将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；

7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10^-2Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10^-5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至190-210mbar之间；

8)开启电机，使铜辊转速us＝27-31m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体55-65s；

9)将Ar气气压调制P＝20-55kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～80μm。

作为优选，所述步骤(5)中石英玻璃管的喷嘴呈长方形，其长度为10-12mm宽度为0.4-0.8mm。

作为优选，所述步骤(8)中铜辊直径为230mm，铜辊宽度为45mm。

一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料的钎焊方法，包括以下步骤：

1)准备阶段：先对待钎焊的钨铜合金和不锈钢试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，钨铜合金和不锈钢用金相砂纸研磨，将钨铜合金、不锈钢及钎料箔带一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10-15min；

2)装配步骤：将清洗后的钎料箔带置于钨铜合金与不锈钢待焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接处放置一小砝码，产生0.02-0.05MPa的恒定压力；

3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设备中，首先以10-15℃/min的速率升温至300℃，保温20-25min，再以5-10℃/min的速率继续升温至800-810℃，保温时间20-25min，再以8-13℃/min的速率继续升温至钎焊温度1010℃-1090℃，然后以5-8℃/min的速率冷却至500-510℃，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的锆基高温合金钎料的钎焊温度在1010℃～1090℃，钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀；钎料箔片有利于加速高温连接过程中原子扩散和界面反应，提高钎料的润湿和铺展能力，细化晶粒，减小接头中残余应力，提高接头的力学性能；

(2)本发明获得的钎料的制备方法，工艺简单，实施方便快捷，钎料的制备可重复再现，便于推广应用；

(3)采用本发明的钎料连接钨铜合金和不锈钢的钎焊工艺，通过真空钎焊连接，样件在加热过程中处于真空气氛中，不会出现氧化、污染等问题，其表面润湿铺展较好，有利于填充钎缝，提高接头强度，因而能获得稳定可靠的焊接接头；

(4)本发明的锆基高温合金钎料主要相组成是锆基γ固溶体和γ′相；锆基γ固溶体和γ′相分别起到固溶强化和第二相强化作用，使得本发明钎料具有优异常温和高温性能，获得的钨铜合金与不锈钢性能稳定可靠，扩大了钨铜合金与异种材料连接的应用范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料，所述钎料组分包含V、Nb、Si、Cu、Ni、Cr、Sn和Zr，Cu含量的增加有利于提高合金的塑性能力，而加入的Cr含量的增加有利于提高抗氧化性和固溶能力，一定含量的Si、Sn有利于降低钎料的熔点，Ni、V和Nb含量的添加提高了该钎料的耐蚀性，同时适量的V和Nb有利于细化晶粒，提高钎料合金的强度性能。

实施例1

钨铜合金与奥氏体不锈钢对接接头真空钎焊：W-Cu合金试样尺寸为20mm×20mm×5mm，奥氏体不锈钢为1Cr18Ni9不锈钢，尺寸大小为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

钎料的成分及质量百分比配比为：V：10％；Nb：4.0％；Si：3.2％；Cu：10％；Ni：10％；Cr：11％；Sn：3.5％；其余为Zr，钎料厚度为20μm。

上述钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取100gV粉、40gNb粉、32gSi片、100gCu片、100gNi片、110gCr颗粒、35gSn粉和483gZr颗粒制得混合物，测得出混合物的体积约为150cm3；

2)向装有混合物的容器中加入400ml的丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封；

3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声5～10min，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；

4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；

5)将混合干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；

6)将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；

7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-2Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至190-210mbar之间；

8)开启电机，使铜辊转速us＝27-31m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体55-65s；

9)将Ar气气压调制P＝20-55kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～80μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)先将W-Cu合金与不锈钢的待焊接表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，钨铜合金和1Cr18Ni9不锈钢用金相砂纸研磨，将W-Cu合金、1Cr18Ni9不锈钢及钎料箔片一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10min后烘干；

(2)将清洗后的钎料箔片置于W-Cu合金与1Cr18Ni9不锈钢待钎焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接件上放置一小砝码，产生0.05MPa的恒定压力；

(3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以5℃/min的速率继续升温至焊800℃，保温时间20min，再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1010℃，然后以5℃/min的速率冷却至500℃，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。

结果：钎焊获得的钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，室温四点弯曲强度为345MPa。

实施例2：

钨铜合金与奥氏体不锈钢对接接头真空钎焊：钨铜合金试样尺寸为20mm×20mm×5mm，奥氏体不锈钢为1Cr18Ni9不锈钢，尺寸大小为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

钎料的成分：V：110g；Nb：80g；Si：38g；Cu：150；Ni：120g；Cr：130g；Sn：45g；其余为327g,按照实施例1中的制备方法，制备的钎料厚度为80μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)先将：钨铜合金与不锈钢的待焊接表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，钨铜合金和1Cr18Ni9不锈钢用金相砂纸研磨，将钨铜合金、1Cr18Ni9不锈钢及钎料箔片一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min后烘干；

(2)将清洗后的钎料箔片置于钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢待钎焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接件上放置一小砝码，产生0.05MPa的恒定压力；

(3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以15℃/min的速率升温至500℃，保温20min，再以10℃/min的速率继续升温至800℃，保温时间20min，再以13℃/min的速率继续升温至钎焊温度1090℃，然后以8℃/min的速率冷却至500℃，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。

结果：钎焊获得的钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，室温四点弯曲强度为415MPa。

实施例3：

钨铜合金与奥氏体不锈钢对接接头真空钎焊：钨铜合金试样尺寸为20mm×20mm×5mm，奥氏体不锈钢为1Cr18Ni9不锈钢，尺寸大小为20mm×20mm×5mm，待钎焊面为20mm×5mm截面。

钎料的成分及质量百分比配比为：V：110g；Nb：60g；Si：35g；Cu：120g；Ni：105g；Cr：125g；Sn：40g；Zr:405g，按照实施例1中的制备方法制得的钎料厚度为50μm。

钎焊工艺步骤为：

(1)先将：钨铜合金与不锈钢的待焊接表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢用金相砂纸研磨，将钨铜合金、1Cr18Ni9不锈钢及钎料箔片一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10min后烘干；

(2)将清洗后的钎料箔片置于钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢待钎焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接件上放置一小砝码，产生0.05MPa的恒定压力；

(3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10-3Pa的钎焊设备中，首先以11℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以6℃/min的速率继续升温至800℃，保温时间20min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1050℃，然后以5℃/min的速率冷却至500℃，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。

结果：钎焊获得的钨铜合金与1Cr18Ni9不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，室温四点弯曲强度为480MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料，其特征在于：以重量百分比计的元素成分包括：V10％～12％，Nb3.0％～9.0％，Si3.0％～4.0％，Cu8.0％～16％，Ni9.0％～12％，Cr11％～14％，Sn3.0％～5.0％，余量为Zr。

2.根据权利要求1所述的钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料，其特征在于：以重量百分比计的元素成分包括：V10％～11％，Nb4.0％～8.0％，Si3.2％～3.8％，Cu10％～15％，Ni10％～12％，Cr11％～13％，Sn3.5％～4.5％，余量为Zr。

3.根据权利要求2所述的钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料，其特征在于：以重量百分比计的元素成分包括：11％V、6％Nb、3.5％Si、12％Cu、10.5％Ni、12.5％Cr、4.0％Sn，其余为Zr。

4.一种权利要求1至3任一项所述的钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按成分质量百分比称取V粉、Nb粉、Si片、Cu片、Ni片、Cr颗粒、Sn粉和Zr颗粒制得混合物；

2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封，其中混合物与丙酮体积比为1：10～20；

3)对步骤2得到的装有悬浊液的容器在20～40℃条件下进行超声清洗，超声5～10min，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；

4)将步骤3超声清洗后的混合物在室温到60℃的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；

5)将混合干燥的混合物采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；

6)将石英玻璃管夹装在高真空单辊甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为1-2mm；

7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10^-2Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10^-5Pa，然后向石英玻璃管内充满高纯Ar气至190-210mbar之间；

8)开启电机，使铜辊转速us＝27-31m/s，开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体55-65s；

9)将Ar气气压调制P＝20-55kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20～80μm。

5.根据权利要求4所述的钎料的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中石英玻璃管的喷嘴呈长方形，其长度为10-12mm宽度为0.4-0.8mm。

6.根据权利要求4所述的钎料制备方法，其特征在于：所述步骤(8)中铜辊直径为230mm，铜辊宽度为45mm。

7.根据权利要求1至3任一项所述的钎焊钨铜合金与不锈钢的高温锆基钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备阶段：先对待钎焊的钨铜合金和不锈钢试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，钨铜合金和不锈钢用金相砂纸研磨，将钨铜合金、不锈钢及钎料箔带一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10-15min；

2)装配步骤：将清洗后的钎料箔带置于钨铜合金与不锈钢待焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接处放置一小砝码，产生0.02-0.05MPa的恒定压力；

3)钎焊连接：将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5×10^-3Pa的钎焊设备中，首先以10-15℃/min的速率升温至300℃，保温20-25min，再以5-10℃/min的速率继续升温至800-810℃，保温时间20-25min，再以8-13℃/min的速率继续升温至钎焊温度1010℃-1090℃，然后以5-8℃/min的速率冷却至500-510℃，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。