CN114571137A - 一种铜基钎膏、铜基预合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜基钎膏、铜基预合金及其制备方法。其中，铜基钎膏，包括以下成分：铜基预合金，65质量份‑75质量份；钎剂，10质量份‑20质量份；有机粘结剂，5质量份‑18质量份；无机粘结剂，1质量份‑10质量份；其中，所述无机粘结剂为硅酸钠。在本发明提供的技术方案中，添加了无机粘结剂替代部分有机粘结剂，使得有机粘结剂在钎焊的过程中更加稳定，不容易着火。

Description

一种铜基钎膏、铜基预合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及钎焊技术领域，具体而言，涉及一种铜基钎膏、铜基预合金及其制备方法。
背景技术
钎焊是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。钎焊时，首先要去除母材接触面上的氧化膜和油污，以利于毛细管在钎料熔化后发挥作用，增加钎料的润湿性和毛细流动性。铜锌锰/铜锌锰镍合金钎料广泛应用于钢与硬质合金钎焊领域，其中在建工钻钎焊领域消耗量巨大。当前建工钻行业使用铜锌锰/铜锌锰镍钎料以丝材、片材为主，但丝材、片材无法实现建工钻大规模快速自动化钎焊。因此部分企业尝试采用铜锌锰/铜锌锰镍钎膏焊接替代以实现大规模建工钻自动化快速生产。
但是，在实际的使用过程中，铜锌锰/铜锌锰镍钎膏往往依赖于进口，市面上存在少量的铜锌锰/铜锌锰镍产品，但不论是国产还是进口的钎膏，均存在问题，例如：1）采用多种元素单质冶炼进行合金化，熔炼耗能大成本高；2）低熔点的锌及易挥发的锰元素成分控制不准确；3）流动性差且钎焊时容易着火；基于上述问题难以满足建工钻自动化的钎焊工艺。
发明内容
本发明首先要解决的问题是目前铜基钎膏在焊接过程中容易着火因而需要气保，导致工艺繁琐。
因此，本发明实施例提供一种铜基钎膏，包括以下成分：铜基预合金，65质量份-75质量份；钎剂，10质量份-20质量份；有机粘结剂，5质量份-18质量份；无机粘结剂，1质量份-10质量份；其中，所述无机粘结剂为硅酸钠。
在本实施例中，加入了无机粘结剂，有机粘结剂往往使用有机粘结剂，在钎焊的过程中容易着火，为了避免上述形况，一般采用气保的手段，避免钎膏和空气接触。虽然使用惰性气体保护的这一技术手段已经比较成熟，但还是会增加作业的负担，因此本实施例通过增加无机粘结剂，抑制了钎膏的燃烧，使得本实施例提供的铜基钎膏可以直接在大气中进行焊接，不容易着火，从根源上解决问题，也节省了后续钎焊的工艺成本。
进一步地，钎剂包括无水氟化钾、氟硼酸钾、硼酐中的一种或多种；和/或有机粘结剂包括聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇、环氧树脂中的一种或多种；和/或无机粘结剂包括硅酸钠。
在本实施中，钎剂优选无水氟化钾、氟硼酸钾和硼酐的混合物，其中，无水氟化钾和氟硼酸钾可以有效改进硼酐的润湿能力，并且提高其清除氧化物的能力，降低钎剂的熔化温度。有机粘结剂优选聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇和环氧树脂的混合物。无机粘结剂优选硅酸钠。
进一步地，铜基预合金包括铜、锌、锰；或铜基预合金包括铜、锌、锰、镍。
在本实施例中，铜基预合金为铜锌锰预合金或铜锌锰镍预合金，其中，铜为主要的基体占比较大，其质量份为57份-59份；锌的作用在于降低钎膏的钎焊温度，其质量份在35.2份-41.8份之间；锰和镍的作用在于增强钎膏的强度，起修饰和辅助的作用，因此含量不宜过高，锰的质量份为1.2份-4.3份；镍的质量份小于1.5份。
另一方面，本发明还提供一种铜基预合金的制备方法，包括以下步骤：
S10：获取铜粉，溶剂润湿铜粉的表面，加入锰粉搅拌均匀得到金属粉A；
S20：获取铜锌合金粉，将铜锌合金粉和金属粉A混合均匀得到金属粉B；
S30：对金属粉B进行球磨操作，得到铜基预合金。
在相关技术中，铜锌锰/铜锌锰镍钎膏往往依赖于进口，国内少有研究；国内市场上存在少量的铜锌锰/铜锌锰镍产品，均参照铜锡钎膏的制备方法进行制备，具体的，采用合金细粉加钎剂、有机粘结剂制备得到，其流动性差且易着火，难以满足钎焊工艺。最关键的是，1）作为原材料的铜基预合金的熔炼成本是非常高的，2）低熔点的锌和易挥发的锰不容易准确控制，因而导致低成本高质量的铜基预合金难以获得。基于上述原因，因此本实施例提供了一种铜基预合金的制备方法。
进一步地，铜粉的质量为锰粉质量的8-12倍。
在本实施例中，为了提高锰粉的分散程度，将少量的锰粉先混合至大量的铜粉中；在一个具体实施例中，铜粉的质量为锰粉的8-12倍，优选为9-11倍，更优选为10倍。在一个具体实施方式中，溶剂为酒精。
进一步地，铜锌合金粉可以替换为铜粉和锌粉的混合物；和/或将锰粉替换为锰铁合金粉。
在本实施例中，原料的来源没有特别要求，铜锌合金粉可以替换为铜粉和锌粉的混合物，只要满足各个组分的配比即可。同时，为了降低成本，原料粉末的粒度没有过多的要求，铜锌合金粉的小于200μm。铜粉可以采用直接气雾化生产未经筛粉的铜粉，其价值较低，且粒度小于250μm。锰粉可以是电解锰粉，也可以替换为锰铁合金粉，其中，锰铁合金粉中锰的质量分数为78%左右；不论是锰粉还是锰铁合金粉，粒度在200μm以下即可。
进一步地，铜基预合金还包括镍；将锰粉替换为锰粉和镍粉的混合物。
在本实施例中，铜基预合金为铜锌锰镍；在制备的过程中直接将锰粉替换为锰粉和镍粉的混合物即可。具体如下：使用溶剂润湿铜粉，然后加入锰粉和镍粉混合均匀；溶剂优选酒精；铜粉的质量为锰粉和镍粉质量之和的8-12倍。镍粉的来源和粒度也没有过多要求，其粒度在200μm以下即可。
进一步地，球磨操作包括以下步骤：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的球料比为（3-7）：1。
在本实施例中，由于原材料的粒度没有特别限定，因此最后需要对金属合金粉进行球磨操作，使得铜基预合金的粒度达到工艺要求。通过球磨操作使得粗大的粉末颗粒被破碎为小颗粒，从而使粉末的粒径趋于均匀。球料比指的是研磨介质和物料之间的质量比。研磨介质一般为钢球，本实施例中的物料为金属粉B。球磨机选用高能球磨机。
进一步地，研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2。
在本实施例中，研磨介质包括大小不一的钢球，通过大球和小球的不断锤击，促使各种粉末产生机械合金化，最后形成铜基合金粉末。
再一方面，本发明还提供一种铜基预合金，由上述任一实施例提供的方法制备得到，可用于制备铜基钎膏。在本实施例中，铜基预合金具备上述任一实施例的有益效果，在此不作赘述。
综上所述，本发明提供的技术方案具备至少以下有益效果其中之一：
1、钎膏中的各元素含量容易精确控制，有利于焊膏质量的控制；
2、利用了铜粉或低价值的粉制备铜基预合金，并且使用铜基预合金制备铜基钎膏，其成本仅为市场价格的50-60%。
3、加入的无机粘结剂替代部分有机粘结剂抑制了钎膏的燃烧，本发明提供的钎膏可在大气中进行焊接不易着火，不需要惰性气体保护，节省后续钎焊工艺成本。
4、本发明提供的钎膏性能优秀，钎焊抗拉强度为400-500MPa。
附图说明
图1为本发明部分实施例提供的铜基钎膏焊接的焊缝。
图2为本发明部分实施例提供的铜基钎膏的焊接钻头。
图3为本发明部分实施例提供的铜基钎膏的焊接钻头。
图4为本发明部分实施例提供的铜基钎膏的焊接钻头。
图5为本发明部分实施例提供的铜基钎膏的焊接钻头。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在相关技术中，铜锌锰/铜锌锰镍钎膏往往使用有机粘结剂，在建工钻焊接过程中容易着火，需要惰性气体保护，从而导致焊接工艺变得复杂；因此，针对上述问题，本发明实施例提供一种铜基钎膏，包括以下成分：铜基预合金，65质量份-75质量份；钎剂，10质量份-20质量份；有机粘结剂，5质量份-18质量份；无机粘结剂，1质量份-10质量份。
在本实施例中，提供了一种铜基钎膏，在铜基预合金的基础上加入钎剂和有机粘结剂，其中，钎剂的作用在于去除母材和钎料表面的氧化物，从而保护母材和钎料；另一方面，可以提高母材的润湿能力，避免形成氧化膜。有机粘结剂的作用在于将各个组分粘结形成膏状钎料，同时使得各个组分在钎膏中的分散更加均匀。值得一提的是，在本实施例中加入了无机粘结剂，有机粘结剂往往使用有机粘结剂，在钎焊的过程中容易着火，为了避免上述形况，一般采用气保的手段，避免钎膏和空气接触。虽然使用惰性气体保护的这一技术手段已经比较成熟，但还是会增加作业的负担，因此本实施例通过增加无机粘结剂，抑制了钎膏的燃烧，使得本实施例提供的铜基钎膏可以直接在大气中进行焊接，不易着火，从根源上解决问题，也节省了后续钎焊的工艺成本。
在本实施例的具体实施方式中，铜基预合金在铜基钎膏中的质量占比为70%左右，具体为65-75%。
进一步地，钎剂包括无水氟化钾、氟硼酸钾、硼酐中的一种或多种；和/或有机粘结剂包括聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇、环氧树脂中的一种或多种；和/或无机粘结剂包括硅酸钠。
在本实施中，钎剂优选无水氟化钾、氟硼酸钾和硼酐的混合物，其中，无水氟化钾和氟硼酸钾可以有效改进硼酐的润湿能力，并且提高其清除氧化物的能力，降低钎剂的熔化温度。有机粘结剂优选聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇和环氧树脂的混合物。无机粘结剂优选硅酸钠。
进一步地，铜基预合金包括铜、锌、锰；或铜基预合金包括铜、锌、锰、镍。
在本实施例中，铜基预合金为铜锌锰预合金或铜锌锰镍预合金，其中，铜为主要的基体占比较大，其质量份为57份-59份；锌的作用在于降低钎膏的熔点，其质量份在35.2份-41.8份之间；锰和镍的作用在于增强钎膏的强度，起修饰和辅助的作用，因此含量不宜过高，锰的质量份为1.2份-4.3份；镍的质量份小于1.5份。
另一方面，本发明还提供一种铜基预合金的制备方法，包括以下步骤：
S10：获取铜粉，溶剂润湿铜粉的表面，加入锰粉搅拌均匀得到金属粉A；
S20：获取铜锌合金粉，将铜锌合金粉和金属粉A混合均匀得到金属粉B；
S30：对金属粉B进行球磨操作，得到铜基预合金。
在相关技术中，铜锌锰/铜锌锰镍钎膏往往依赖于进口，国内少有研究；国内市场上存在少量的铜锌锰/铜锌锰镍产品，均参照铜锡钎膏的制备方法进行制备，具体的，采用合金细粉加钎剂、有机粘结剂制备得到，其流动性差且易着火，难以满足钎焊工艺。最关键的是，作为原材料的铜基预合金难以获得，成本也非常高，因此本实施例提供了一种铜基预合金的制备方法。
相关技术中，在制备时，元素的控制是比较困难的，特别是锰元素，饱和蒸汽压比较大，在制备合金的时候容易挥发，导致钎膏不稳定；另一方面，锰的添加量也非常少，直接加入会影响混粉的均匀性。因此，本实施例中，锰粉先跟部分铜粉预混合备用；具体的，称取铜粉，使用溶剂润湿铜粉的表面，然后加入锰粉，得到金属粉A。在步骤S20中，将铜锌合金粉和金属粉A混合均匀，具体的，将铜锌合金粉和金属粉A加入混粉机，混料30-60分钟，得到金属粉B。最后，对金属粉B进行球磨操作即可得到铜基预合金。
进一步地，铜粉的质量为锰粉质量的8-12倍。
在本实施例中，为了提高锰粉的分散程度，将少量的锰粉先混合至大量的铜粉中；在一个具体实施例中，铜粉的质量为锰粉的8-12倍，优选为9-11倍，更优选为10倍。在一个具体实施方式中，溶剂为酒精。
进一步地，铜锌合金粉可以替换为铜粉和锌粉的混合物；和/或将锰粉替换为锰铁合金粉。
在本实施例中，原料的来源没有特别要求，铜锌合金粉可以替换为铜粉和锌粉的混合物，只要满足各个组分的配比即可。同时，为了降低成本，原料粉末的粒度没有过多的要求，铜锌合金粉的粒度小于200μm。铜粉可以采用直接气雾化生产未经筛粉的铜粉，其价值较低，且粒度小于250μm。锰粉可以是电解锰粉，也可以替换为锰铁合金粉，其中，锰铁合金粉中锰的质量份数为78%左右；不论是锰粉还是锰铁合金粉，粒度在200μm以下即可。
进一步地，铜基预合金还包括镍；将锰粉替换为锰粉和镍粉的混合物。
在本实施例中，铜基预合金为铜锌锰镍；在制备的过程中直接将锰粉替换为锰粉和镍粉的混合物即可。具体如下：使用溶剂润湿铜粉，然后加入锰粉和镍粉混合均匀；溶剂优选酒精；铜粉的质量为锰粉和镍粉质量之和的8-12倍。镍粉的来源和粒度也没有过多要求，其粒度在200μm以下即可。
进一步地，球磨操作包括以下步骤：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的质量比为（3-7）：1。
在本实施例中，由于原材料的粒度没有特别限定，因此最后需要对金属合金粉进行球磨操作，使得铜基预合金的粒度达到工艺要求。通过球磨操作使得粗大的粉末颗粒被破碎为小颗粒，从而使粉末的粒径趋于均匀。球磨的时间大于4小时；在本实施例的一个具体实施方式中，经球磨操作之后进一步筛分，筛除粗大的颗粒，得到铜基预合金粉末。
进一步地，研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2。
在本实施例中，研磨介质包括大小不一的钢球，通过大球和小球的不断锤击，促使各种粉末产生机械合金化，最后形成铜基合金粉末。
再一方面，本发明还提供一种铜基预合金，由上述任一实施例提供的方法制备得到，可用于制备铜基钎膏。
实施例1
本实施例提供一种铜基预合金的制备方法，其中，铜基预合金包括铜锌锰，制备方法包括以下步骤：
S10：获取铜粉，使用酒精润湿铜粉的表面，加入锰粉搅拌均匀得到金属粉A；其中，铜粉质量为锰粉的10倍；
S20：获取铜锌合金粉，将铜锌合金粉和金属粉A加入混粉机，混料30分钟，得到金属粉B；
S30：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；得到铜基预合金。
其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的质量比为3：1；研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2；研磨时间4小时。
本实施例提供的铜基预合金包括：铜，57质量份；锌，41.8质量份；锰，1.2质量份。
实施例2
本实施例提供一种铜基预合金的制备方法，其中，铜基预合金包括铜锌锰，制备方法包括以下步骤：
S10：获取铜粉，使用酒精润湿铜粉的表面，加入锰粉搅拌均匀得到金属粉A；其中，铜粉质量为锰粉的12倍；
S20：获取铜锌合金粉，将铜锌合金粉和金属粉A加入混粉机，混料40分钟，得到金属粉B；
S30：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；得到铜基预合金。
其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的球料比为4：1；研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2；研磨时间5小时。
本实施例提供的铜基预合金包括：铜，59质量份；锌，36.7质量份；锰，4.3质量份。
实施例3
本实施例提供一种铜基预合金的制备方法，其中，铜基预合金包括铜锌锰镍，制备方法包括以下步骤：
S10：获取铜粉，使用酒精润湿铜粉的表面，加入锰粉和镍粉搅拌均匀得到金属粉A；其中，铜粉质量为锰粉和镍粉质量之和的8倍；
S20：获取铜粉和锌粉混合物，将铜粉和锌粉混合物和金属粉A加入混粉机，混料30分钟，得到金属粉B；
S30：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；得到铜基预合金。
其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的球料比为7：1；研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2；研磨时间5小时。
本实施例提供的铜基预合金包括：铜，57质量份；锌，39.5质量份；锰，2质量份；镍，1.5质量份。
实施例4
本实施例提供一种铜基预合金的制备方法，其中，铜基预合金包括铜锌锰镍，制备方法包括以下步骤：
S10：获取铜粉，使用酒精润湿铜粉的表面，加入锰铁合金粉（锰含量为78%）和镍粉搅拌均匀得到金属粉A；其中，铜粉质量为锰铁合金粉和镍粉质量之和的10倍；
S20：获取铜锌合金粉，将铜锌合金粉和金属粉A加入混粉机，混料30分钟，得到金属粉B；
S30：在保护气体条件下，将金属粉B放入球磨机进行球磨；得到铜基预合金。
其中，球磨机中的研磨介质和金属粉B的质量比为6：1；研磨介质包括大球和小球，大球和小球的数量比例为1：2；研磨时间6小时。
本实施例提供的铜基预合金包括：铜，58质量份；锌，38质量份；锰，3质量份；镍，1质量份。
实施例5
本实施例提供一种铜基钎膏，包括以下组分：
铜基预合金，75质量份；钎剂，10质量份；有机粘结剂，10质量份；无机粘结剂，5质量份。
其中，铜基预合金由实施例1提供；钎剂为无水氟化钾、氟硼酸钾和硼酐；有机粘结剂为聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇和环氧树脂；无机粘结剂为硅酸钠。
铜基钎膏的制备方法如下：按照质量份获取各个原料，搅拌均匀即可得到铜基钎膏。
实施例6
本实施例提供一种铜基钎膏，包括以下组分：
铜基预合金，65质量份；钎剂，20质量份；有机粘结剂，12质量份；无机粘结剂，3质量份。
其中，铜基预合金由实施例3提供；钎剂为无水氟化钾和硼酐；有机粘结剂为聚异丁烯和环氧树脂；无机粘结剂为硅酸钠。
铜基钎膏的制备方法如下：按照质量份获取各个原料，搅拌均匀即可得到铜基钎膏。
实施例7
本实施例提供一种铜基钎膏，包括以下组分：
铜基预合金，70质量份；钎剂，15质量份；有机粘结剂，14质量份；无机粘结剂，1质量份。
其中，铜基预合金由实施例1提供；钎剂为氟硼酸钾和硼酐；有机粘结剂为聚乙烯醇、异丙醇和环氧树脂；无机粘结剂为硅酸钠。
铜基钎膏的制备方法如下：按照质量份获取各个原料，搅拌均匀即可得到铜基钎膏。
参见图1，采用本发明实施例提供的钎膏钎焊得到的焊缝饱满，无虚焊。参见图2-5，采用本发明实施例提供的钎膏焊接得到的钻头表面质量良好。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种铜基钎膏，其特征在于，包括以下成分：
铜基预合金，65质量份-75质量份；
钎剂，10质量份-20质量份；
有机粘结剂，5质量份-18质量份；
无机粘结剂，1质量份-10质量份；
其中，所述无机粘结剂为硅酸钠。
2.根据权利要求1所述的铜基钎膏，其特征在于，
所述钎剂包括无水氟化钾、氟硼酸钾、硼酐中的一种或多种；和/或
所述有机粘结剂包括聚异丁烯、聚乙烯醇、异丙醇、环氧树脂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的铜基钎膏，其特征在于，所述铜基预合金包括铜、锌、锰；或
所述铜基预合金包括铜、锌、锰、镍。
4.一种铜基预合金的制备方法，其特征在于，所述铜基预合金用于制备如权利要求1所述的铜基钎膏，所述制备方法包括以下步骤：
S10：获取铜粉，采用溶剂润湿所述铜粉的表面，加入锰粉搅拌均匀得到金属粉A；
S20：获取铜锌合金粉，将所述铜锌合金粉和所述金属粉A混合均匀得到金属粉B；
S30：对所述金属粉B进行球磨操作，得到所述铜基预合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，
所述铜粉的质量为所述锰粉质量的8-12倍。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，
将所述铜锌合金粉替换为铜粉和锌粉的混合物；和/或
将所述锰粉替换为锰铁合金粉。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铜基预合金还包括镍；
将所述锰粉替换为锰粉和镍粉的混合物。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨操作包括以下步骤：
在保护气体条件下，将所述金属粉B放入球磨机进行球磨；
其中，所述球磨机中的研磨介质和所述金属粉B的球料比为（3-7）：1。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述研磨介质包括大球和小球，所述大球和所述小球的数量比例为1：2。
10.一种铜基预合金，其特征在于，
所述铜基预合金由权利要求4-9任一项所述的方法制备得到，
所述铜基预合金用于制备如权利要求1所述的铜基钎膏。
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