CN1280063C - 铜焊材料和由其制造的铜焊产品 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过铜焊来连接部件的铁基铜焊材料是一种合金，其除铁之外含有：以重量百分比计的0-40%Cr，优选9-30%Cr，0-16%Mn，优选0-8%Mn和进一步优选0-5%Mn，0-25%Ni，0-1%N和最多7%Mo，低于6%Si和/或0-2%B，优选0-1.5%B和/或0-15%P，其中硼、磷和硅的组合或者分别加入降低了液线温度，即铜焊材料完全熔化的温度。一种铜焊产品通过用铁基铜焊材料铜焊铁基部件来制造，该铁基铜焊材料与降低液线温度的元素如B和/或P和/或Si构成合金。

Description

铜焊材料和由其制造的铜焊产品
技术领域
本发明涉及一种用于通过铜焊连接部件的铁基铜焊材料。本发明还包括一种通过采用本发明的铁基铜焊材料铜焊铁基材料制成的部件来制造的铜焊产品。
背景技术
不同的钢或者铁基材料通常是通过采用Ni、Ag或者Cu焊接材料进行铜焊来连接的。
铜焊是一种用于固定/连接的方法，其温度低于要被固定/连接的部件的基材的固相线温度。
铜焊材料由用于连接和固定的材料构成，其在铜焊工艺中完全或者部分熔化。
US4135656涉及一种Ni基合金，其含有基于重量百分比的19-23％Mn、5-8％Si、4-6％Cu，0.6～1.8％B和剩余为除了少量其他元素的Ni。US4314661记载了另一种Ni基合金，其含有以原子百分数计的0-4％Fe、0-21％Cr、0-19％B、0-12％Si、0-22％P和剩余为Ni。
当采用Cu焊接时，通常使用纯的或者基本上纯的Cu。这种纯的铜焊材料具有充分确定的熔点，而Ni铜焊材料的熔点视情况而定，因为Ni铜焊材料是一般具有熔点间隔的合金。
当连接板式换热器中的不锈钢板时，通常使用铜焊材料。但是铜并不适用于所有的用途。使用铜的铜焊材料用于食品用途是被不允许的，但是，它可以在用于分区供暖和用于自来水设施的板式换热器中使用。
用镍的铜焊材料连接的换热器用在许多用途中，也被允许用于有限数量的食品用途中。
如果将含有镍合金的铜焊材料用于铁或者非镍基材料的部件的连接，铜焊焊点的组成与这种被连接的材料的组成明显不同。这可能导致在化学上和机械性质上产生不利的差异。
发明内容
本发明提供通过铜焊的方式连接部件的可行性，该铜焊使用具有与用于制造产品的基材基本相同的组成的铜焊材料，其中铜焊材料含有降低其液相线温度的添加元素。因此，本发明提供生产如板式换热器的设备的可行性，该换热器通过使用本发明的铜焊材料可满足食品用途的要求。本发明的特征主要在于其中铜焊由除了铁之外含有以下成分的合金构成：以重量百分比计的9-30％Cr，0-8％Mn，优选0-5％Mn，0-25％Ni，0-1％N和最多7％Mo，低于6％Si，和/或0-15％P，和0-2％B，优选0-1.5％B，其中加入Si、P和B降低了液相线温度，即铜焊材料完全熔化的温度，并且其特征在于熔点降低元素以按照下式的含量在铜焊之前存在于铜焊材料中：指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数的值应该为4.5-18。
该铜焊材料中的铁含量合适地为至少50％。本发明的铜焊材料通常必须含有Fe和Cr。
为了获得所需的熔点降低，Si和/或P和/或B的有效操作量应在上述给出的区间内。但是Si的分析量可能相当高，这是由于Si可能以例如碳化硅或者氮化硅的状态存在，与氧成键或者以其他方式被烧结。由于同样的原因，B或P的分析量也可以较高。
铁基铜焊材料可以含有合金元素，如Ti、W、Al、Cu、Nb、Ta、V和其他元素。组成的改变也可能是不可避免的少量杂质元素如C、O和S造成的。
其特征在于该铜焊材料含有0-20％的Hf和/或0-2％的C。
降低熔点的元素按下式的量加入到铜焊材料中是有利的：
指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数的值应该为4.5-18。
铁基铜焊材料有利地是通过气雾化或者水雾化具有上述组成的铁锭或者压碎这种铁锭来制造。另一用于制造的有利方法是熔体纺丝。
本发明还包括通过将铁基部件铜焊在一起来制造的铜焊产品，由此，这种产品的特征在于采用铁基铜焊材料连接部件，该铁基铜焊材料是含有降低液相线温度的元素如B和/或P和/或Si的合金。铁基铜焊材料的组成具有主权利要求所述的组成是有利的。
在铜焊产品中的铁基部件和铁基铜焊材料都含有9-30％的Cr是有利的。
铜焊产品对用于至少两种热交换流体的铜焊板式换热器是有利的，其中该铜焊板式换热器包括至少一个通过将多个许多铁基材料构成的薄壁换热板用铁基材料铜焊在一起而制造的板式装置。该换热板在其间界定用于换热流体的板间空间。所获得的铜焊焊点具有接近铁基铜焊材料的组成的金相组成，在铜焊焊点中和周围具有与铁基板材相比局部较高量的Si、P、B。
为了铜焊铁基材料，通常使用上文提到的Cu或者Ni铜焊材料。出乎意料地是已经发现，可以以具有与希望连接的部件中的材料组成相同的基底材料为原料。通过使这种材料与硅和/或硼和/或磷形成合金，可以获得功能良好的铜焊材料。通过研究纯铁和Si、B和P的两相相图，可以发现，Fe-Si合金在Si约为19％时具有1212℃的熔点最低值。对于Fe-B合金来说，在B约为4％时，熔点最低值约为1174℃。在Fe-P体系中，在P约为10％时熔点最低值约为1048℃。
在大多数情况下，不使用纯铁材料而使用除了铁之外还含有比较大量的Cr和Ni的合金。在许多合金中，还有Mo和Mn。通过使用相图，以在理论上呈现在这些合金中加入不同量的硼和/或磷和/或硅的效果几乎是不可能的，这是因为雏数会像合金中的元素数目一样大。
为了获得铜焊焊点，铜焊材料的液相线温度应该低于1230℃，优选低于1200℃。
出乎意料地是已经发现，组合或者单独加入较低量的硅、硼或者磷可以降低可以获得合适的铜焊材料的液相线温度。
具体实施方式
在下面的表中，给出了本发明铜焊材料组成的不同实施例。
表1一些熔体的组成分析
  熔体   Fe   ％Cr   ％Mn   ％Ni   ％Mo   ％Si   ％B   ％P   ％C   指数
  1   余量   16.8   1.5   11.8   2.2   4.4   0.5   6.1   0.1   12.4
  2   余量   16.7   3.7   11.7   1.9   1.0   0   10.6   0.1   11.7
  3   余量   17.0   1.8   12.1   2.1   1.0   0   10.1   0.1   11.2
  4   余量   17.1   3.0   12.0   2.2   4.7   0   6.0   0.1   11.2
  5   余量   17.0   2.9   11.8   2.1   5.6   0   6.0   0.1   12.2
所表示的余量(剩余部分)是指熔体中的剩余材料由Fe构成。
将样品在1190℃的温度下进行铜焊。试验铜焊该样品的视觉检查的结果是所有样品熔融并且获得铜焊焊点，对于所有焊点也都获得了机械强度。
本发明的铜焊材料适合以粉末或者箔的形式制备。粉末可以通过生产锭，然后将其压碎或者研磨来制造。该制造方法利用了这种材料的易碎性。铸锭的缺点是一定程度的偏析危险可能产生具有熔点间隔的非均质材料，该间隔难以界定或者很宽。对于较小的铸锭和/或快速冷却，偏析的危险减少。在铸锭中，重要的是通过利用真空浇铸或者采用屏蔽气体进行浇铸来使与空气的接触最小。机械处理的结果使得铜焊材料的能量含量提高，进而其反应性提高。
其他用于制造具有均质组成的粉末的方法包括水雾化或者气雾化。粉末的性质随制备方法而改变。压碎和研磨颗粒是有角并且有尖的，水雾化的为结节状，气雾化的几乎为球状。颗粒形状的不同在用于铜焊时赋予铜焊材料一定程度的不同性质。通过选择不同的雾化方法和由筛选组合的压碎/研磨的程度，可以控制粒径的分布。在水雾化中，氧含量通常较高，这是由于水雾化比气雾化产生较高的氧潜能。较高的氧含量可能引起在该材料中形成氧化物，这对铜焊焊点的机械性质有不利影响。由此降低了Si和/或P和/或B在铜焊材料中的有效百分比，这意味着熔点间隔的位移。
通过熔体纺丝由金属熔体制造箔可以通过将金属熔体在冷表面上以可以形成例如箔的方式直接冷却来进行。在常规连续箔生产中，该冷表面由铜或者铜合金制造的冷辊构成。在通常加入硼的情况下，也可以得到无定型的箔。
本发明的铜焊材料可以用于希望通过不同方法获得铜焊焊点的地方。通过所述的任何方法制造的铜焊材料的粉末可以悬浮在一些粘合剂中，以期以合适的方法应用。

Claims (11)

1.用于通过铜焊连接部件的铁基铜焊材料，其特征在于该铜焊材料由除了铁之外还含有下面成分的合金构成：以重量百分比计的9-30％Cr，0-8％Mn，0-25％Ni，0-1％N，最多7％Mo，低于约6％Si，0-15％P，和0-2.0％B，其中加入Si、P和B降低了液相线温度，并且其特征在于熔点降低元素以按照下式的含量在铜焊之前存在于铜焊材料中：指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数的值应该为4.5-18，并且其特征还在于所述合金还含有不可避免的少量杂质元素如C、O和S，及任选性地含选自V、Ti、W、Al、Nb和Ta的微合金元素。
2.权利要求1的铁基铜焊材料，其特征在于Mn含量为0-5％。
3.权利要求1的铁基铜焊材料，其特征在于B含量为0-1.5％。
4.权利要求1的铁基铜焊材料，其特征在于该铜焊材料通过对具有上述组成的锭进行气雾化或者水雾化或者压碎，或者通过对具有该组成的熔体进行熔体纺丝来制造。
5.上述任意一项权利要求的铁基铜焊材料，其特征在于该铜焊材料含有0-20％的Hf和/或0-2％的C。
6.权利要求1的铁基铜焊材料，其特征在于该铜焊材料为粉末或箔的形式。
7.通过铜焊铁基部件制造的铜焊产品，其特征在于通过铁基铜焊材料连接所述部件，所述铁基铜焊材料由除了铁之外还含有下面成分的合金构成：以重量百分比计的9-30％Cr，0-8％Mn，0-25％Ni，0-1％N，最多7％Mo，低于约6％Si，0-15％P，和0-2.0％B，其中加入Si、P和B降低了液相线温度，并且其特征在于熔点降低元素以按照下式的含量在铜焊之前存在于铜焊材料中：指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数的值应该为4.5-18，并且其特征还在于所述合金还含有不可避免的少量杂质元素如C、O和S，及任选性地含选自V、Ti、W、Al、Nb和Ta的微合金元素。
8.权利要求7的铜焊产品，其特征在于该产品是用于至少两种热交换流体的板式换热器，该板式换热器包括至少一个通过将由铁基铜焊材料铜焊的铁基材料制成的多个薄壁换热板铜焊在一起而制造的板式组件，所述换热板在其间界定出用于所述换热流体的板间空间，所获得的铜焊焊点具有接近铁基板材组成的金相组成，其在铜焊焊点中和周围具有与铁基板材相比局部较高量的Si，P和B。
9.用于铜焊由铁基材料制成的部件的方法，包括：
(1)向部件中加入铁基铜焊材料，该材料含有含量为9-30重量％的Cr和含量为按照下式的Si、P和B：指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数为4.5-18；
(2)将加有铁基铜焊材料的部件焊接在一起；和
(3)加热焊接在一起的部件至低于1230℃的液相线温度。
10.权利要求9的方法，其中铁基铜焊材料为粉末或箔的形式。
11.铁基铜焊材料用于制造铜焊产品的用途，该铁基铜焊材料由除了铁之外还含有下面成分的合金构成：以重量百分比计的9-30％Cr，0-8％Mn，0-25％Ni，0-1％N，最多7％Mo，低于约6％Si，0-15％P，和0-2.0％B，其中加入Si、P和B降低了液相线温度，并且其特征在于熔点降低元素以按照下式的含量在铜焊之前存在于铜焊材料中：指数＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指数的值应该为4.5-18，并且其特征还在于所述合金还含有不可避免的少量杂质元素如C、O和S，及任选性地含选自V、Ti、W、Al、Nb和Ta的微合金元素。
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