CN105385889B - 一种带状铜基钎焊材料及其制备方法 - Google Patents

一种带状铜基钎焊材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带状铜基钎焊材料及其制备方法，该材料重量百分比组分：Zn为34～36，Ni为8～9，Mo为1.5～1.8，Si为2～3，Mn为3～5，B为0.8～1.5，C为0.2～0.3，其余为Cu，制备步骤：(1)按上述组分配料；(2)混料；(3)加入成型剂，压制成型；(4)在真空条件下脱除成型剂；(5)对压制成型的压坯进行真空烧结；(6)在550‑570℃下，将烧结体轧制成带状钎焊材料；本发明的带状铜基钎焊材料适合于Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间的钎焊连接，制造成本低廉；适宜的钎焊温度不高，对被焊材料，特别是金属陶瓷基体的显微组织和力学性能基本没有影响，且接头变形小；通过真空钎焊可以实现Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间的牢固连接，接头的剪切强度≥220MPa。

Description

一种带状铜基钎焊材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种带状铜基钎焊材料，具体是一种应用于Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间焊接的铜基钎焊材料。本发明还涉及上述带状铜基钎焊材料的制备方法。
背景技术
Ti(C,N)基金属陶瓷不但具有较高的硬度、耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性，而且还具有一定的强韧性，与金属间的摩擦系数也很低。另外，制备Ti(C,N)基金属陶瓷所需原材料较易获得，价格低廉，具有较高的性价比，适合于制作工模具、耐磨耐蚀工件、高温零部件等，在加工制造、重工机械、石油化工等领域具有广泛的应用前景。但金属陶瓷硬度高、可加工性较差，因而金属陶瓷零部件常用粉末冶金方法制造。即使采用粉末冶金方法制造，其难度也大大高于常用的铁基、铜基等粉末冶金零件，使其不容易制作形状较为复杂的结构件。实现Ti(C,N)金属陶瓷与钢之间的连接，可以综合钢和Ti(C,N)金属陶瓷两种材料的优良性能。若能实现金属陶瓷与钢之间的可靠连接，必将大大扩大金属陶瓷的应用范围，因而，解决金属陶瓷与钢之间的连接问题具有重要的意义。
由于Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间的热膨胀系数相差较大，使得金属陶瓷与钢焊接后残余应力较大，另外金属陶瓷与大部分牌号的钢之间的相容性也较差，因而使得金属陶瓷与钢之间的焊接难度较大。目前国内外关于金属陶瓷与钢之间连接的研究较少，主要研究了采用真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等技术实现金属陶瓷与钢之间的连接。其中扩散焊和钎焊是目前研究最为广泛的两种连接技术。与扩散焊相比，钎焊连接具有焊接时间短、对基体性能影响较小、工件变形小、焊缝质量高等优点。在实施金属陶瓷与钢之间的钎焊时，目前采用的钎料有铜基钎料和银基钎料。已有研究报道指出，采用常用的铜基钎料，通过惰性气体保护钎焊和火焰钎焊，金属陶瓷与钢之间的连接强度普遍较低(1.李先芬、丁厚福、徐道荣、刘宁、许育东，Ti(C,N)基金属陶瓷与45号钢钎焊的试验研究，热加工工艺，2003，6：22-26)；尽管有研究报道指出，采用特制的铜基钎料，通过真空钎焊，可以使焊接接头获得较高的连接强度，但该类钎料熔点较高，致使钎焊温度较高，接头变形较大，且金属陶瓷基体显微组织和力学性能明显恶化(2.叶大盟，Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的钎焊连接及其界面结构研究，华中科技大学博士学位论文，2009)。另外，采用银基钎料，通过真空钎焊和感应钎焊实现了Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢的连接，接头的连接性能相对较高，但是银基钎料中银含量较高，生产成本较高。因此研制成本较低、钎焊温度不高、性能优良的铜基钎焊材料对于促进该领域的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本较低、熔点低于950℃、性能优良的铜基钎焊材料，解决目前Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间实施钎焊时，要么钎焊温度较高，要么钎料成本较高的问题，实现Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间低成本牢固连接。本发明还提供一种铜基钎焊材料的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种带状铜基钎焊材料，包括以下重量百分比组分：
本发明带状铜基钎焊材料的制备方法包括如下步骤：
(1)按照以下重量百分比组分配制混合料：
(2)将上述组分混料。混料在球磨机中进行，球料比为4:1，球磨机转速设为160rpm，球磨时间为3-4h。
(3)加入成型剂，压制成型，成型剂加入的比例为混合料的0.6wt％。所述成型剂优选硬脂酸锌，压制成型的压力优选为600～700MPa。
(4)在真空条件下脱除成型剂，成型剂脱除在真空度为1～10Pa的条件下进行，在200～500℃之间的升温速度为0.8～1.2℃/min。
(5)对压制成型的压坯进行真空烧结，真空烧结的真空度为1.0×10-2～1.0×10- 1Pa，烧结温度为820～860℃，保温时间为20～30min；
(6)在550～570℃下，将烧结体轧制成带状钎焊材料。
本发明钎焊材料组成成分中，在常用铜基钎焊材料的基础上，添加了Ni、Mo元素，在实施钎焊时，液相钎料中溶入Ni、Mo可改善钎焊材料对Ti(C,N)基金属陶瓷的润湿性。添加Mn可以降低钎料熔点，同时改善钎料对金属陶瓷的润湿性。添加Si可以明显降低钎料的熔化温度，提高钎料的抗氧化能力，细化晶粒，改善钎料在液相状态时的流动性，同时防止Mn的蒸发。添加B可降低钎料的熔点。微量C的加入可以在烧结过程中去除其它元素粉末表面的吸附氧，有利于提高钎料烧结体的致密度。
本发明的一种带状铜基钎焊材料适合于Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间的钎焊连接。其制造成本低廉；适宜的钎焊温度不高，对被焊材料，特别是金属陶瓷基体的显微组织和力学性能基本没有影响，且接头变形小；通过真空钎焊可以实现Ti(C,N)基金属陶瓷与钢之间的牢固连接，接头的剪切强度≥220MPa。
具体实施方式
表1为3种钎焊材料的成分配方，分别采用不同的工艺参数将其制备成带状钎焊材料。
表1 3种混合料的成分配比
采用综合热分析仪测定所制备钎料的固、液相线温度；在真空条件下于960℃，保温20min，实现金属陶瓷和45钢之间的钎焊，测定钎焊接头的剪切强度。
实施例1
(1)按表1中3种成分配方配比配制混合料。
(2)混料工序中球磨机转速为160rpm，球磨时间为3h，球料比为4:1。
(3)加入成型剂硬脂酸锌，加入量为混合料的0.6wt.％，压制成型所用的压力为600MPa。
(4)脱除成型剂工序在真空度为1～10Pa的条件下进行，在200～500℃之间的升温速度为0.8℃/min。
(5)真空烧结的真空度高于1.0×10-2～1.0×10-1Pa，烧结温度为820℃，保温时间为30min。
(6)在550℃下轧制成厚度为0.3mm的带状钎焊材料。
采用上述工艺所制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度见表2。
表2 实施例1制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度
实施例2
(1)按表1中3种成分配方配比配制混合料。
(2)混料工序中球磨机转速设为160rpm，球磨时间为4h，球料比为4:1。
(3)成型剂硬脂酸锌的加入量为混合料的0.6wt.％，压制成型所用的压力为700MPa。
(4)脱除成型剂工序在真空度为1～10Pa的条件下进行，在200～500℃之间的升温速度为1.2℃/min。
(5)真空烧结的真空度为1.0×10-2～1.0×10-1Pa，烧结温度为860℃，保温时间为20min。
(6)在570℃下轧制成厚度为0.3mm的带状钎焊材料。
采用上述工艺所制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度见表3。
表3 实施例2制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度
实施例3
(1)按表1中3种成分配方配比配制混合料。
(2)混料工序中球磨机转速设为160rpm，球磨时间为4h，球料比为4:1。
(3)成型剂硬脂酸锌的加入量为混合料的0.6wt.％，压制成型所用的压力为650MPa。
(4)脱除成型剂工序在真空度为1～10Pa的条件下进行，在200-500℃之间的升温速度为1.0℃/min。
(5)真空烧结的真空度为1.0×10-2～1.0×10-1Pa，烧结温度为840℃，保温时间为25min。
(6)在560℃下轧制成厚度为0.3mm的带状钎焊材料。
采用上述工艺所制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度见表4。
表4 实施例3制备出的钎料的固、液相线温度以及钎焊接头的剪切强度
在权利要求书取值范围内，当钎焊材料中Ni和Mo的加入量较高时，所得钎焊材料的固、液相线温度相对较高。制备工艺参数中，烧结温度对性能的影响相对较大，当烧结温度处于中间值，比如为840℃时，所制备出的上述各成分配方的钎焊材料，通过真空钎焊所得金属陶瓷与钢之间连接接头的剪切强度相对较高。总之，在权利要求书取值范围内，上述因素其对材料性能的影响有限。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带状铜基钎焊材料，其特征在于包括以下重量百分比组分：
2.一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)按照以下重量百分比组分配制混合料：
(2)将上述组分混料；
(3)加入成型剂，压制成型；
(4)在真空条件下脱除成型剂；
(5)对压制成型的压坯进行真空烧结，真空烧结的真空度高于1.0×10-2～1.0×10-1Pa，烧结温度为820～860℃，保温时间为20～30min；
(6)将烧结体轧制成带状钎焊材料。
3.根据权利要求2所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中混料在球磨机中进行，球料比为4:1，球磨机转速设为160rpm，球磨时间为3～4h。
4.根据权利要求2所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中成型剂加入的比例为混合料的0.6wt％。
5.根据权利要求2或4所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中加入的成型剂为硬脂酸锌。
6.根据权利要求2所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中压制成型的压力为600～700MPa。
7.根据权利要求2所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，成型剂脱除在真空度为1～10Pa的条件下进行，在200～500℃之间的升温速度为0.8～1.2℃/min。
8.根据权利要求2所述的一种带状铜基钎焊材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在550～570℃下，将烧结体轧制成带状钎焊材料。
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