CN105945449B - 镍锰基无硼钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

镍锰基无硼钎料，涉及一种合金钎料。所述镍锰基无硼钎料按质量百分比的组成为：45％～70％Ni、25％～48％Mn、0.5％～2％Si、0％～10％Fe、0％～7％Co。所述镍锰基无硼钎料的制备方法如下：将全部原材料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护气氛下逐渐加大电流至100～150A，使得原材料熔炼均匀，即得镍锰基无硼钎料。镍锰基无硼钎料可制成块状和薄带。镍锰基无硼钎料锰含量高，熔点低，钎焊接头可获得很高的强度和韧性；不含硼，硅含量低，钎缝组织为单相固溶体；并且制备工艺简单，成本低，具有重要的实际应用价值。

Description

镍锰基无硼钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金钎料，尤其是涉及镍锰基无硼钎料。

背景技术

钎焊为在钎料的帮助下加热以连接金属部件的方法。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，大量应用于机械、化工、石油、航空、航天、能源和原子能等工业领域(熊华平，赵海生，潘晖等.一种高温钎焊用铁镍基钎料[P].CN 201310541371.6)。镍基钎焊材料具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化及高温强度高等特点，在上述工业领域的不锈钢和高温合金的钎焊中得到广泛运用。

传统的镍基钎料普遍含有硼(B)、硅(Si)、磷(P)等降熔元素，尤其是硼元素，在实际钎焊过程中，很容易在接头处析出脆性相，导致接头变脆，强度不高，韧性差(孙计生，刘效方.不锈钢散热器芯体真空钎焊工艺研究[J].材料工程.1997,01)。同时，硼元素的热中子俘获界面大，对中子的吸收能力强，而在有关原子能工业，许多要求低吸收中子的应用实例中不能加入硼元素(秦优琼，孙磊，于治水.一种用于钎焊不锈钢的钎料及其制备方法[P].CN201310606142.8)，同时硼元素是非常重要的降熔元素，且可提高钎料的工艺性能。没有硼元素，将导致钎焊温度升高，焊接性能恶化(张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M].1998)，研究无硼钎料时必须解决这些问题。

《热加工工艺》2004年第6期收录的文章《不锈钢真空钎焊接头组织和力学性能研究》介绍了商用的BNi-5无硼钎料钎焊304不锈钢的力学性能研究。钎焊时采用焊接工艺为：

2×10^-2-4×10^-2Pa真空焊接气氛、焊接温度1180℃、保温10min。测得3个焊接试样的平均室温抗剪强度为136.3MPa，强度值低于本发明多数实验样品。专利CN201110347440.0(专利名称：镍基高温合金钎料及其制备方法)介绍一种无硼的镍基钎料，其成分为单质Cr(5-20wt％)、Si(4-10wt％)、Fe(0.1-3wt％)、Cu(0.1-10wt％)、P(0.1-3wt％)、余量为Ni。该钎料采用真空熔炼、雾化制粉、粘结剂调和制成膏状。添加适量硅、铜、磷，保证钎料有较低的熔点和良好的工艺性能，然而其强度只有80MPa，远低于本发明钎料的抗剪强度。

专利CN200810204175.9(专利名称：一种不锈钢真空钎焊用钎料及其制备方法)介绍了一种不含硼的镍基非晶钎料，其成分为单质Fe(33-37wt％)、Si(8-12wt％)、余量为Ni。该专利制备方法是将各原材料电弧熔炼均匀，然后通过真空甩带技术获得非晶态薄带。该专利利用硅降低钎料熔点；利用铁的固溶来提高强度；制成非晶态使成分更均匀、提高钎料的工艺性能。该专利存在的主要缺点是：①该钎料的熔化温度高于1130℃，这样会使钎焊温度高于大多数不锈钢和镍基高温合金的固溶处理温度1150-1200℃，导致母材性能受损(吴晶，唐欣，廖高兵.一种钎焊高温合金用无硼钎料及其焊接工艺[P].CN 201410337590.7)。②制成非晶薄带，成形尺寸收到限制，制备工艺复杂。

专利CN200410042563.3(专利名称：一种含钯镍基多元合金高温钎焊料)介绍了一种镍基无硼钎料，其成分为单质Pd(20-30wt％)、Au(15-25wt％)、Fe(10-20wt％)、Co(2-8wt％)、W(0.5-6wt％)、余量为Ni。该发明利用钯降低钎料熔点、改善钎料流动性；利用金形成低熔点固溶体，降低钎料熔点，提高钎料的工艺性能；利用其他合金元素提高钎料强度。该专利中添加了大量的贵金属钯和金，这大大地提高了其生产成本。

专利CN93118738(专利名称：一种Ni-P-Cu系镍基钎焊料)、CN201310606142.8(专利名称：一种用于钎焊不锈钢的钎料及其制备方法)、专利CN200910107824.8(专利名称：用于钎焊的低温镍基钎料)介绍了三种镍基无硼钎料。第一种钎料成分为单质P(10-14wt％)、Cu(5-20wt％)、余量为Ni；第二种钎料成分：Fe(33～37wt.％)、Si(8～12wt.％)、Mn(10～25wt.％)，余下为Ni；最后一种成分为：Cr(21.5％-28％wt.％)、Si(2.0％-3.5％wt％)、P(7.0％-9.0％wt％)、Ni余量。这三种钎料都有好的焊接性能，但存在的主要缺点是：①含有大量的P或Si，致使钎料很脆，钎料的成型和加工性能较差。由于P熔点低且易挥发，毒性大，钎料制备时易对人体健康产生危害。②此类钎料往往不得不在熔炼后进行气体雾化制粉，制成粉末状，或再添加粘接剂制成膏状，这样导致制备工艺复杂，增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不含硼，钎焊的接头强度高，熔点较低，低成本的实用型镍锰基钎料。

所述镍锰基无硼钎料按质量百分比的组成为：45％～70％Ni、25％～48％Mn、0.5％～2％Si、0％～10％Fe、0％～7％Co。

所述镍锰基无硼钎料的制备方法如下：

将全部原材料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护气氛下逐渐加大电流至100～150A，使得原材料熔炼均匀，即得镍锰基无硼钎料。

镍锰基无硼钎料可制成块状和薄带。

在制得的镍锰基无硼钎料中按质量百分比镍锰含量为85％～98％，其中锰的含量在25％～48％之间，根据镍-锰二元相图，此成分段的合金在中高温时为单相fcc固溶体。本发明利用Ni、Mn、Fe、Co、Si的多元合金化来降低钎料熔点、提高钎料强度。由于钎料熔点低，钎焊温度低于1120℃；并且焊接时间短、钎焊时通入氩气，使得钎焊过程中锰的挥发得到很好的抑制。与锰基钎料相比，钎焊工件工作温度更高，特别适宜在保护气氛下钎焊在800℃以下长期工作的不锈钢和耐热合金。

本发明的镍锰基无硼钎料锰含量高，熔点低，钎焊接头可获得很高的强度和韧性；不含硼，硅含量低，钎缝组织为单相固溶体；并且制备工艺简单，成本低，具有重要的实际应用价值。

本发明的镍锰基无硼钎料，具有以下优点：

1.本发明的镍锰基无硼钎料钎焊304不锈钢的钎焊接头的室温抗剪强度为120～210MPa，钎焊GH3128镍基合金的钎焊接头室温抗剪强度为110～150MPa，高于常见镍基钎料。

2.本发明钎料的塑性优异，便于加工，钎焊接头有很高的韧性。

3.本发明的钎料熔化温度较低，在1050～1100℃之间。

4.本发明的钎料流动性好，钎焊焊缝平直，钎缝内无脆性化合物。应用本发明的镍锰基无硼钎料钎焊304不锈钢和GH3128镍基高温合金，对钎缝的显微组织观察发现：钎缝组织为单相固溶体，无粗大化合物相，可知本发明的镍锰基无硼钎料能与不锈钢板形成优良的接头。

5.本发明的镍锰基无硼钎料原料价格便宜，制备工艺简单，具有良好的实用价值。

6.本发明的镍锰基无硼钎料适用面较广，可用于奥氏体不锈钢、双相不锈钢、马氏体不锈钢和镍基高温合金等多种材料的钎焊及其异种金属的钎焊。

附图说明

图1是本发明成分为50Ni-48Mn-2Si(wt％)的钎料合金的DSC曲线。在图1中，横坐标为温度(℃)，纵坐标为DSC热功率(mW/mg)，其中，标注的温度为钎料的熔化温度。

图2是本发明成分为67Ni-25Mn-7Co-1Si(wt％)的钎料合金的DSC曲线。在图2中，横坐标为温度(℃)，纵坐标为DSC热功率(mW/mg)，其中，标注的温度为钎料的熔化温度。

图3是本发明成分为50Ni-48Mn-2Si(wt％)的钎料合金钎焊304不锈钢所得焊接接头的横截面组织照片。

图4是本发明成分为50Ni-48Mn-2Si(wt％)的钎料合金钎焊GH3128镍基高温合金所得焊接接头的横截面组织照片。

图5是本发明成分为67Ni-25Mn-7Co-1Si(wt％)的钎料合金钎焊304不锈钢所得焊接接头的横截面组织照片。

图6是本发明成分为67Ni-25Mn-7Co-1Si(wt％)的钎料合金钎焊GH3128镍基高温合金所得焊接接头的横截面组织照片。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：成分为50Ni-48Mn-2Si(wt％)的钎料合金

配比镍为50％、锰为48％、硅为2％的合金1。将上述原料在氩气保护气氛下进行电弧熔炼，熔炼时电流为100-150A，至少熔炼4次，熔炼完成后即得到该镍锰基无硼钎料合金。将上述钎料合金切割成质量为0.2～0.4g的小块，得到本发明要求的DSC试样。

采用德国Netzsch STA 404进行DSC测试，升温速率为10℃/min，样品质量小于30mg，所得到的DSC曲线如图1所示，从图1中可以得到合金1的熔化温度为1050.5℃。

将合金1使用线切割机切成厚为0.2-0.3mm的箔片，打磨并用超声波清洗后，置于304不锈钢、GH3128镍基合金搭接件间隙，装配好后，放入炉中在氩气保护气氛下焊接，得到抗剪强度测试样品。经测得合金1钎焊304不锈钢的接头的抗剪强度为183.4MPa，钎焊GH3128镍基合金的接头的抗剪强度为130.7MPa。按上述步骤制得合金1钎焊304不锈钢、GH3128镍基高温合金的焊接接头，然后使用线切割机将接头沿横截面切成小块状并镶嵌至热固性电木粉中，研磨并抛光至镜面后，使用EPMA对钎缝及近缝区组织进行观察并分析。加速电压设置为20KV，电流为1.00×10^-8A，标准试样的纯度为99.99％。得到的接头组织照片分别如图3、图4所示。从图中可以看出，钎缝组织为单相固溶体，钎缝内无粗大化合物相，也没有针状化合物沿母材的晶界析出。

实施例2：成分为67Ni-25Mn-7Co-1Si(wt％)的钎料合金

配比镍为67％、锰为25％、钴为7％、硅为1％的合金2。将上述原料在氩气气氛中进行电弧熔炼，熔炼完成后得到该镍锰基无硼钎料合金。将上述合金切割成质量为0.2～0.4g的小块，得到本发明要求的DSC试样。

采用德国Netzsch STA 404进行DSC测试，升温速率为10℃/min，样品质量小于30mg，所得到的DSC曲线如图2所示，从图2中可以得到合金2的熔化温度为1075.0℃。

将合金2切成厚0.2～0.3mm的箔片，打磨并清洗后，置于304不锈钢、GH3128镍基合金搭接件间隙，装配好后，放入炉中在氩气保护气氛下焊接，得到抗剪强度测试样品。经测得合金2钎焊304不锈钢的接头的抗剪强度为204.9MPa，钎焊GH3128镍基合金的接头的抗剪强度为143.7MPa。按上述步骤制得合金2钎焊304不锈钢、GH3128镍基高温合金的焊接接头，将接头沿横截面切成小块状并镶嵌至热固性电木粉中，研磨并抛光至镜面后，使用EPMA对钎缝及近缝区组织进行观察并分析。得到的接头横截面组织照片分别如图5、图6所示。从图中可以看出，钎缝组织也为单相固溶体，钎缝内无粗大化合物相，也没有针状化合物沿母材的晶界析出。

实施例3：成分为46.5Ni-43Mn-10Fe-0.5Si(wt％)的钎料合金

配比镍为46.5％、锰为43％、铁为10％、硅为0.5％的合金3。将上述原料在氩气气氛中进行电弧熔炼，得到该镍锰基无硼钎料合金。将上述合金切割成质量为0.2～0.4g的小块，得到本发明要求的DSC试样。将合金3切成厚0.2-0.3mm的箔片，与母材搭接件装配好后，放入炉中焊接，便获得抗剪强度测试样品。

实施例4：成分为58.5Ni-32Mn-5Fe-4Co-0.5Si(wt％)的钎料合金

配比镍为58.5、锰为32％、铁为5％、钴为4％、硅为0.5％的合金4。将上述原料在氩气气氛中进行电弧熔炼，得到该镍锰基无硼钎料合金。同上可获得DSC试样。将合金4切成箔片，与母材装配好并焊接完成后，获得抗剪强度测试样品。

Claims (2)

1.镍锰基无硼钎料，其特征在于按质量百分比的组成为：45％～67％Ni、32％～48％Mn、0.5％～2％Si、0～10％Fe、0～7％Co，总质量为100％。

2.如权利要求1所述镍锰基无硼钎料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

将全部原材料放入电弧熔炼炉中，在氩气保护气氛下逐渐加大电流至100～150A，使得原材料熔炼均匀，即得镍锰基无硼钎料。