CN1197682C - 在铜和不锈钢之间形成接头的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在铜或铜合金和不锈钢合金之间形成接头的方法，在该方法中，在要被接合在一起的工件的接合表面之间设置至少一个中间层，从而包括它们的中间层的接合表面被压在一起，至少接合区域被加热，以便形成扩散接头，在该方法中，在钢工件(2)的接合表面上或和所述表面相对，设置第一中间层(3)，主要为了阻止镍从钢工件(2)上流失，在铜工件(1)的接合表面上或和所述表面相对处，设置至少一第二中间层(4)，以便激活扩散接头的形成。

Description

在铜和不锈钢之间形成接头的方法
发明领域
本发明涉及一种在铜或铜合金和不锈钢之间形成接头的方法。
发明背景
在现有技术中，众所周知几种不同的连接不锈钢和铜的方法。当将不锈钢和铜连接在一起时，必须考虑几种因素，其中包括在高温下材料的不同强度以及导热性、热膨胀性和熔化温度的差别。在诸如软焊、铜焊或熔焊的连接方法中，所谓的铜焊脆性导致各种问题，这意味着铜在扩散接头内渗透并到达钢的晶界，这使接头相当脆。美国专利US4,194,672介绍了一种利用扩散焊接方法连接铜和不锈钢的方法。在所述方法中，在要被接合的元件的接合表面之间使用镍、镍合金、铬、镍+铬或铬+镍薄层，以便阻止铜扩散到不锈钢的晶界，从而改善附着性。在850～950℃温度下对接头进行扩散焊。该方法要求相对高的温度和较长时间的热处理，以便形成接头。此外，利用这种方法所获得的接头的强度是有限的。美国专利US5,664,723介绍了一种铜焊技术，其中铜件和金属或陶瓷材料接合。在上述公开文献中，通过在钢表面使用极薄的镍层作为扩散阻挡层，此外在铜表面上使用锡层作为硬钎焊剂，形成铜和不锈钢的接头。将零件接合在一起并分两步加热，首先加热到400℃并持续一个小时，然后加热到800℃并持续20分钟。因此所述方法采用两个工步并要求较长的加热时间。
发明概述
本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的形成接头的方法。本发明的另一个目的是提供一种接头，即是在长期腐蚀环境下也能保持良好的导电性。本发明的另一个目的是提供一种耐高温的接头。
本发明的特征在所附加的权利要求书中被说明。
符合本发明方法的主要特征在于：在钢工件的接合表面上或和所述表面相对，设置第一中间层，主要为了阻止镍从钢工件上流失，在铜工件的接头表面上或和所述表面相对处，设置至少一第二中间层，以便激活扩散接头的形成。根据一最佳实施例，在下列材料中选择第一中间层，即镍(Ni)、铬(Cr)、镍和铬(Cr+Ni)的混合物或合金、铬和镍(Cr+Ni)的混合物。根据一最佳实施例，所述第二中间层(4)主要由锡组成。
根据一最佳实施例，在所述第一中间层和铜工件之间额外设置一第三中间层。根据一最佳实施例，具有至少一个第二中间层和至少一个第三中间层，第二中间层的熔化温度比第三中间层的熔化温度低。第三中间层可以主要由银组成或由银和铜的合金或混合物组成。根据一最佳实施例，在一个工序，对接合区域进行加热。
符合本发明的方法具有几个重要优点。当在制造接头时，在钢表面上设置镍层，能够阻止镍损耗，即镍从奥氏体不锈钢向铜转移，并因而使钢脆化。利用镀镍钢板和铜表面之间的接合表面上的硬钎焊剂，接头的形成被激活。利用活化剂，可以使用较低的熔化温度，从而接合区域内所形成的热应力最小。通过使用符合本发明的中间层，在形成接头时，仅需要一个加热工步。利用符合本发明的装置，可以获得比现有技术更好的抗拉强度。
在应用中，除了铜制成的工件之外，术语铜还涉及含铜的合金材料，在该种合金材料中，基本包含50％的铜。术语不锈钢主要涉及奥氏体不锈钢和耐酸钢。
附图简介
下文将结合附图更详尽地介绍本发明。
图1显示了在加热之前的本发明的接头的结构；
图2显示了另一种在加热之前的本发明的接头的结构；
图3显示了另一种在加热之前的本发明的接头的结构。
优选实施例介绍
在本发明的方法中，在主要包含铜的工件1和奥氏体不锈钢工件2之间制造接头，在该方法中，在要被接合的表面之间设置几个中间层，至少所述中间层中的一个中间层包含硬钎焊剂。上述表面被设置成彼此相对并压靠在一起，因而所述硬钎焊剂保持在被压缩的表面之间。至少对接合区域进行加热，从而形成扩散接头。
图1是一个横截面视图，显示了在加热之前的本发明的接头的实施例。主要包括铜的工件1和由奥氏体不锈钢组成的第一工件2被接合在一起。在这两个工件之间的接合处，设置中间层3、4。对着钢设置的第一中间层3主要包括镍(Ni)。此外，当形成接头时，使用第二中间层4，也就是所谓的活化剂层，在该示例中，所述中间层4例如由锡(Sn)组成。锡的功能是作为活化剂，能够降低温度，而这是在制造接头时所需的。
通过单独的处理，可以将第一中间层3形成在不锈钢表面上。当使用镍作为第一中间层3时，例如可以利用电解方式将所述层形成在不锈钢表面上。通常进行镀镍，使得设置在不锈钢表面上的钝化层不能阻止材料在不锈钢和镍之间的接合表面上转移。第一中间层3可以以箔片形式存在。
当对接合区域进行加热时，在要被接合在一起的工件的表面上形成扩散接头，这一方面是镍扩散的结果，另一方面是铜和钢成分扩散的结果。利用应用的制造条件和要求的接头要求的极薄的第二中间层4(也就是硬钎焊剂层)，或者利用放在镀镍的钢工件2和钢工件1之间的几个间中层4、5的混合物，激活扩散接头的形成和由此而形成的结构。
所使用的中间层4、5的硬钎焊剂以及扩散激活剂可以是银铜合金和纯锡或特殊的层结构。在600～800℃温度范围内，可获得机械强度高的接头。可以这样选择热处理的周期，从而避免在最终接头中出现脆的金属间相。硬钎焊剂的厚度和热处理温度以及持续时间被这样选择，从而避免镍在钢中损失，因而具有高镍成分的合金被设置在钢的表面上。低接合温度的优点是在接合区域内所形成的热应力被最小化。
图2显示了另一种在热处理之前的本发明的形成接头的方法的最佳实施例。主要包括铜的工件1和由奥氏体不锈钢组成的工件2被接合在一起。在这两个工件之间的接头处，设置中间层3、4和5。对着钢设置的第一中间层3主要包括镍(Ni)。此外，当形成接头时，使用第二中间层4，也就是所谓的活化剂，在该示例中，所述活化剂是锡(Sn)。在形成接头时，锡的功能是作为活化剂，能够降低温度，而这是在制造接头时所需的。除了锡层之外，在锡层4和镍层3之间，接头还包括第三中间层5，其最好由另一种硬钎焊剂组成。在优选实施例中，它最好是箔片形式的银铜硬钎焊剂。根据该优选实施例，根据重量计算，第二种硬钎焊剂包括71％的银和29％的铜。具有给定合金成分的硬钎焊剂最好具有包含铜的共晶成分。
图3显示了另一种在热处理之前的本发明的形成接头的方法的最佳实施例。其中第二中间层4被设置在第三中间层5的上、下两个表面上或对着这两个表面。在这个实施例中，通常使用箔片层，例如利用锡对所述箔片的一个或两个表面进行处理。
在本发明所述方法中所使用的中间层的厚度是变化的。作为第一中间层的镍层的厚度通常是2～50微米。电解之后，通常是2～10微米，采用箔片时，其厚度范围为20～50微米。作为第三中间层的银箔片或银铜箔片的厚度通常是10～500微米，最佳是20～100微米。第二中间层4的厚度通常取决于第三中间层5的厚度，例如是第三中间层厚度的10～50％。通过在50毫米厚的银铜硬钎焊剂箔片的表面上使用5～10微米的锡层，能够获得极高质量的接头。例如通过将箔片形式的硬钎焊剂沉浸在熔化的锡中，可以形成锡层，当需要时，轧制箔片使其光滑。
示例1
耐酸钢(AISI 316)和铜被接合在一起。在钢的接合表面上，作为第一中间层设置厚度为7微米的镍层。作为扩散活化剂和硬钎焊剂，使用具有共晶成分的银铜硬钎焊剂，其中包括71％的银和29％的铜。采用箔片形式的硬钎焊剂的厚度是50微米，在所述箔片表面上形成厚度为5～10微米的锡层。要被接合在一起的工件被彼此相对设置，从而箔片被留在接合表面之间。将上述工件压在一起，将接合区域加热到硬钎焊剂熔化温度之上，达到大约800℃。保持大约10分钟。可成功地获得按照该实施例的接头。

Claims (10)

1.一种在铜或铜合金和不锈钢合金之间形成接头的方法，在该方法中，在要被接合在一起的工件的接合表面之间设置至少一个中间层，使得包括它们的中间层的接合表面被压在一起，至少接合区域被加热，以便形成扩散接头，其特征在于：在钢工件(2)的接合表面上或与所述表面相对，设置第一中间层(3)，主要为了阻止镍从钢工件(2)上流失，在铜工件(1)的接合表面上或和所述表面相对处，设置至少一第二中间层(4)，以便激活扩散接头的形成，在所述第一中间层(3)和铜工件(1)之间设置至少一个第三中间层(5)，第三中间层(5)主要由银组成或由银和铜的合金或混合物组成。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在下列材料中选择第一中间层(3)，即镍(Ni)、铬(Cr)、镍和铬(Cr+Ni)的混合物或合金、铬和镍(Cr+Ni)的混合物。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述第二中间层(4)主要由锡组成。
4.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：第二中间层(4)的熔化温度比第三中间层(5)的熔化温度低。
5.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：在一个工步中，对接合区域进行加热。
6.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：接合区域被加热到600～850℃。
7.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：第一中间层(3)的厚度大约是2～50微米。
8.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：第三中间层(5)的厚度大约是10～500微米。
9.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：在第三中间层(5)的表面上设置第二中间层(4)。
10.根据权利要求1～3中任一个权利要求所述方法，其特征在于：在接合区域，中间层(3，4，5)中至少一个采用箔片形式。
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