CN112296472A - 一种石墨材料的钎焊方法 - Google Patents

Abstract

一种利用添加稀土的钎料真空钎焊连接石墨材料的方法，它属于材料的焊接领域，具体涉及到一种石墨材料自身或与金属材料之间的连接方法。首先用球磨法使BNi75CrSiB镍基钎料与稀土Y粉末混合均匀，利用有机粘剂制成膏状钎料，涂覆在相关母材上形成母材/钎料/母材的三明治结构，再置于真空钼片炉中进行钎焊。此法有效缓解了两相热膨胀系数差过大和钎料湿润性差、在接头局部处变形大引起接头性能差的问题，经济有效的实现了石墨材料的相关焊接。

Description

一种石墨材料的钎焊方法

技术领域

本发明属于石墨材料焊接技术领域，涉及一种用于石墨材料自身以及与其他金属材料的连接方法，采用添加稀土的钎料来连接焊接件。

背景技术

石墨材料具有优异的抗腐蚀、耐烧蚀、高热传导性，化学稳定性良好等特性，在航天、航空、军事、化工以及核能等领域具有重要的工程意义，并且在高温领域具有着广泛的实践应用。在工程应用上使用石墨时需要加工成复杂的大部件，必然要碰上焊接问题，其中包括其自身的焊接及与其它材料的焊接。但由于石墨材料的熔点很高，不可能用熔焊的方法直接进行连接。因此，利用钎焊方法适用于焊接石墨自身以及与其他金属连接。但是，关于石墨材料钎焊的难度在于：(1)石墨化学结构稳定，难以与其他金属或者非金属发生反应；且石墨材料与其他材料物理化学性质相差大，化学相容性差，材料之间存在着很高的界面能，直接连接难以产生很好的冶金结合；(2)石墨与其它金属材料的热膨胀系数相差悬殊，造成界面两侧的热力学不匹配，因此从连接温度冷却下来后会产生很高的残余应力，削弱接头性能，使接头的断裂强度降低，甚至开裂。

文献1“铝基复合金属粉末钎焊石墨的界面结构及性能[J]”.粉末冶金材料科学与工程,2011,16(04):569-574.”提出一种以Al、Ti复合金属粉末为活性钎料对石墨进行钎焊，该方法所获得的接头的抗剪强度为12.96MPa。

中国专利CN 110682029 A“一种石墨与不锈钢的接触反应用活性连接剂及钎焊方法”，利用质量分数，取Ti粉10～20％，CuLi10粉10～60％，粘结剂10％，余量为Cu粉，搅拌均匀后制备成膏状的活性连接剂连接石墨与不锈钢，强度为15MPa以上。

目前，针对钎焊中受钎料成分及钎料成分与母材之间热膨胀系数不匹配产生的残余应力的问题，导致连接强度提高受限，因此，对钎料的选择以及改进在石墨材料的钎焊领域中尤为重要。已有的研究表明，稀土元素具有很高的化学活性，作为金属中“维生素”，可显著的改善金属或合金的组织结构和性能，针对此背景，可考虑利用稀土用来改善钎料的润湿性能、缓解焊缝的热应力，从而对焊件的接头强度进行提高。

发明内容

本发明在真空条件下，通过对合金钎料进行加稀土元素的处理，去改善两相之间的热膨胀系数和焊缝残余应力的问题、从而对接头性能提高提供的一种针对传统的石墨材料连接的真空钎焊方法。

该技术的具体步骤如下：

(1)按权利要求1所述的成分配比称取原材料粉末。将配置好的粉末加入酒精后利用球磨机混合研磨均匀后，进行真空干燥，用有机粘结剂调制成膏状钎料，作为钎焊焊料；

(2)将切割成一定规格的待焊母材的焊接表面区域进行预处理，采用600#、800#和1000#、1200#的金相砂纸磨成一定粗糙度，钎焊连接前将母材在配置的溶液中进行除杂去油处理，清理烘干；

(3)把配置的焊料以500～1000μm均匀的涂覆于步骤(2)制备的待焊母材的连接面上；按照母材/焊料/母材顺序放置，即“三明治”结构，将夹装好的焊件置于真空扩散钼片炉内设置合适的焊接参数，抽真空进行加热钎焊连接；

(4)保温结束后，保持原真空度的条件下，随炉冷却至室温，得到钎焊成型件。

所述的步骤(1)稀土金属Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的0.25～1％。

所述的步骤(2)待焊母材选取为石墨材料与石墨材料或者石墨材料与不锈钢材料或者石墨材料与碳钢材料。

所述的步骤(2)配置的溶液是根据母材不同而配置的相应的溶液(NaOH 75％～83％、NaNO3 17％～25％，浸蚀20～30min)。

所述的步骤(3)钎焊温度为1120～1200℃，保温时间为30～90min。钎焊完成后随炉冷却至室温。升温速率设置为5～8℃/min。

本发明具有的有益之处是：

1、BNi75CrSiB钎料，由于其良好的流动渗透性，具有优秀的填缝性能，能在钎焊过程中，液化之后通过毛细作用渗入到基体中并扩散，能更好的与石墨发生化学反应产生化学键合以及充分的流动凝固后加大了材料之间的机械咬合作用，从而更好的提高了接头性能。

2、稀土元素具有很多独特的性质、被称为金属材料的“维生素”，由于稀土元素原子半径大，溶解在晶内的畸变能远大于溶解在晶界的畸变能，因而大部分稀土元素聚集在晶界和相界处，从而抑制杂质元素在晶界的有害行为，因此，添加少量的稀土元素能够较大地影响材料的组织与性能。在BNi75CrSiB钎料的基础上，添加微量稀土活性元素，以降低钎料的表面张力，增强液态钎料在母材间隙的毛细流动、填充、润湿的能力，能起到相应的改性作用。稀土元素能使钎焊组织得到明显的细化，改善线膨胀系数，缓解残余应力，且能与合金元素发生微合金化作用，获得强的界面结合力，而大大改善接头的裂纹现象。

具体实施方式

实验例1

一：合金膏剂制备：先将粒径大小为200μm的BNi75CrSiB合金粉与稀土Y粉末，加入酒精混合后置于球磨机中球磨，球磨转速为400r/min，时间为16h，稀土Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的0.5％，之后加入有机粘接剂将其调制成膏状。

二：待连接部件处理：先将石墨材料切割成30mm×8mm×5mm与10mm×7mm×5mm，再依次对他们进行砂磨、在配置的溶液中去油处理，超声波丙酮清洗和烘干，然后将配置的合金膏剂涂覆500μm厚度在石墨表面，组成于两个石墨材料之间的填充钎焊焊料的三明治结构，将待焊件置于真空钼片炉中以7℃/min加热到1140℃，保温30min，即焊接参数是在1140℃保温30min。保温结束后，缓慢冷却至室温，打开真空室门，取出成型件。

经实验室测试，接头的室温平均剪切强度为30.1MPa，接头处石墨母材未出现裂纹。

实验例2

一：合金膏剂制备：先将粒径大小为150μm的BNi75CrSiB合金粉与稀土Y粉末，加入酒精混合后置于球磨机中球磨，球磨转速为400r/min，时间为16h，稀土Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的0.25％，之后加入有机粘接剂将其调制成膏状。

二：待连接部件处理：先将石墨材料切割成30mm×8mm×5mm与10mm×7mm×5mm，再依次对他们进行砂磨、在配置的溶液中去油处理，超声波丙酮清洗和烘干，然后将配置的合金膏剂涂覆500μm厚度在石墨表面，组成于两个石墨材料之间的填充钎焊焊料的三明治结构，将待焊件置于真空钼片炉中以7℃/min加热到1140℃，保温30min，即焊接参数是在1140℃保温30min。保温结束后，缓慢冷却至室温，打开真空室门，取出成型件。

经实验室测试，接头的室温平均剪切强度为32.6MPa，接头处石墨母材未出现裂纹。

实验例3

一：合金膏剂制备：先将粒径大小为200μm的BNi75CrSiB合金粉和稀土Y粉末，加入酒精混合后置于球磨机中球磨，球磨转速为400r/min，时间为16h，稀土Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的0.5％，之后加入有机粘接剂将其调制成膏状。

二：待连接部件处理：先将石墨材料和316L不锈钢切割成10mm×7mm×5mm与30mm×8mm×5mm，再依次对他们进行砂磨、在配置的溶液中进行除杂去油处理、超声波丙酮清洗和烘干，然后将配置的合金膏剂涂覆1000μm在连石墨表面，组成于石墨与不锈钢之间的填充合金膏剂的三明治结构，将待焊件置于真空钼片炉中以5℃/min加热到1120℃，保温40min，即焊接参数是在1120℃保温40min。保温结束后，缓慢冷却至室温，打开真空室门，取出成型件。

经实验室测试，接头的室温平均剪切强度为30.2MPa，接头处石墨和不锈钢母材均未出现裂纹。

实验例4

一：合金膏剂制备：先将粒径大小为200μm的BNi75CrSiB合金粉与稀土Y粉末，加入酒精混合后置于球磨机中球磨，球磨转速为400r/min，时间为16h，稀土Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的0.25％，之后加入有机粘接剂将其调制成膏状。

二：待连接部件处理：先将石墨材料与316L不锈钢切割成30mm×8mm×5mm与10mm×7mm×5mm，再依次对他们进行砂磨、在配置的溶液中进行除杂去油处理、超声波丙酮清洗和烘干，然后将配置的合金膏剂涂覆1000μm在石墨表面，组成于石墨与不锈钢之间的填充合金膏剂的三明治结构，将待焊件置于真空钼片炉中以5℃/min加热到1120℃，保温40min，即焊接参数是在1120℃保温40min。保温结束后，缓慢冷却至室温，打开真空室门，取出成型件。

经实验室测试，接头的室温平均剪切强度为32.2MPa，接头处石墨和不锈钢母材均未出现裂纹。

实验例5

一：合金膏剂制备：先将粒径大小为150μm的BNi75CrSiB合金粉与稀土Y粉末，加入酒精混合后置于球磨机中球磨，球磨转速为400r/min，时间为16h，稀土Y的质量分数为BNi75CrSiB合金的粉末质量的1％，之后加入有机粘接剂将其调制成膏状。

二：待连接部件处理：先将石墨材料切割成30mm×8mm×5mm与10mm×7mm×5mm，再依次对他们进行砂磨、在配置的溶液中去油处理，超声波丙酮清洗和烘干，然后将配置的合金膏剂涂覆500μm厚度在石墨表面，组成于两个石墨材料之间的填充钎焊焊料的三明治结构，将待焊件置于真空钼片炉中以7℃/min加热到1200℃，保温30min，即焊接参数是在1200℃保温30min。保温结束后，缓慢冷却至室温，打开真空室门，取出成型件。

经实验室测试，接头的室温平均剪切强度为28.6MPa，接头处石墨母材未出现裂纹。

经过多次对不同的试样尺寸，不同的升温速度(5～8℃/min)，不同的焊接温度(1120～1160℃)及不同的保温时间(30～90min)的各个钎焊连接实验参数的条件下，都取得了良好的连接效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等都包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种利用添加稀土的钎料真空钎焊连接石墨材料的方法，是通过下述步骤实现的：

(1)选择BNi75CrSiB合金粉末以及稀土Y粉末为原料，其中粉末的粒径均为150～250μm，稀土Y粉末的质量分数为BNi75CrSiB合金粉末质量的0.25～1％；

(2)将上述配比的粉末加入酒精后利用球磨机以转速150～300r/min研磨12～24h，混合均匀，经过真空干燥6～10h再用有机粘结剂调制成膏状钎料，作为钎焊焊料；

(3)将待焊母材进行切割加工以及砂纸打磨处理，得到合适的尺寸和粗糙度作为母材，钎焊连接前将母材进行除杂处理并清理烘干；

(4)把步骤(2)配置的钎焊焊料以一定的厚度均匀的涂抹于步骤(3)制备的待焊母材的连接面上，把母材和焊料按母材/焊料/母材顺序放置，即“三明治”结构，将夹装好的焊件置于真空扩散钼片炉内。

(5)抽真空进行加热钎焊连接，真空度不高于2×10^-3Pa，以5～8℃/min的升温速率从室温升温至1120～1200℃，并在该温度下保温30～90min。

(6)保温结束后，保持原真空度的条件下，随炉冷却至室温，得到钎焊成型件。

2.根据权利要求1一种利用添加稀土的钎料真空钎焊连接石墨材料的方法，其特征在于步骤(3)中待焊母材的选取为石墨材料与石墨材料或者石墨材料与不锈钢材料或者石墨材料与碳钢材料。

3.根据权利要求1一种利用添加稀土的钎料真空钎焊连接石墨材料的方法，其特征在于步骤(3)中对母材表面进行除杂处理采用物理处理、化学处理或者先物理处理后化学处理。所述化学处理是根据母材的不同而配制相应的溶液(NaOH 75％～83％、NaNO3 17％～25％，浸蚀20～30min)以去除母材表面的吸附层、杂质或氧化膜，然后用丙酮擦拭待焊母材表面或把母材放在丙酮溶液中用超声波清洗，时间为15min～20min，之后再用无水乙醇进行清洗烘干。

4.根据权利要求1一种利用添加稀土的钎料真空钎焊连接石墨材料的方法，其特征在于步骤(4)中合金膏剂的涂覆厚度为500μm～1000μm。