CN1799760A - 一种铜基钎焊合金 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，公开了一种铜基钎焊合金，所述钎焊合金以铜为基体材料，其中还选择性加入锰、锌、银、镍、硅、锡、铝、锂、稀土中的几种或全部。本发明的钎焊合金的焊接工艺性能与银钎料相近，但是钎料成本比通用的银钎料低1倍以上，有效节约了成本。

Description

一种铜基钎焊合金
技术领域
本发明属于合金材料领域，涉及一种用于钎焊的合金，进一步地，本发明涉及一种以铜为基体的铜基钎焊合金。
背景技术
在合金材料领域，连接不同的金属器件时，用于钎焊的钎料的选择是重要的。钎料必须具有合适的熔点、良好的润湿性，与母材具有良好的冶金相互作用，并且其还必须是稳定、均匀的成分。同时，还需要考虑钎料的工艺性能如流动性、渗透性，以及生产成本。
根据熔点的不同，钎料一般可分为软钎料和硬钎料。按钎焊合金的成分，还可分为锡基钎料、银基钎料、铜基钎料、镍基钎料等。其中，银基钎料是一种用途广泛的硬钎料，使用性能较好。
由于资源的稀缺性，不同的金属之间的价格差异是巨大的，因此在钎焊合金的制造中，生产成本也是至关重要的因素。比如碳化钨硬质合金与支座钢的钎焊，尤其是圆锯片上硬质合金与钢的钎焊，现有技术中均采用银钎料进行钎焊。由于银资源的贫乏，银钎料也比较昂贵，致使圆锯片生产成本很高。为此锯片生产厂商很希望能够找到一种廉价的替代钎料，同时要求替代钎料焊接强度不低于银钎料，钎料的流动性和渗透性要与银钎料相当。
可见，如能找到一种可以替代银钎料的新的钎焊合金，并且其生产成本远远低于银钎料，效果等同或更优于银钎料，无疑具有深远的意义。本发明就是基于这一目的而研究开发的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种铜基钎焊合金，其包含以下金属材料：
Mn 10～35％         Zn 10～30％
Ni 0.1～10％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。所述合金的熔化温度在780～840℃的范围内。
进一步的，本发明所述合金还可包含Ag、Si、Sn、Al、Li、稀土、Co中的一种或多种，这些金属在合金中所占比例为：
Ag  0～15％              Sn  0～2％
Si  0～2％               Li  0～1％
Al  0～2％               Co  0～3％
稀土0～1.5％。
进一步的，本发明所述的铜基钎焊合金还可包含选自Mg、B、P的一种或多种元素，它们在合金中的含量均在0.001～0.1％的范围内。所述的Mg、B、P元素的少量加入可减少合金中的气体含量。
更进一步的，本发明所述的铜基钎焊合金由下列金属材料组成：
Mn 20～28％             Zn   18～27％
Ni 0.3～1.5％           Al   0.1～0.6％
Si 0.1～0.5％           稀土 0.01～0.2％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
更进一步的，本发明所述的铜基钎焊合金由下列金属材料组成：
Mn 18～24％              Zn 18～22％
Ni 0.3～1.2％            Al 0.1～0.6％
Ag 2.5～6.0％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
更进一步的，本发明所述的铜基钎焊合金由下列金属材料组成：
Mn 20～27％              Zn 17～29％
Ni  0.1～0.6％           Al 0.2～0.8％
Li 0.05～0.3％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
更进一步的，本发明所述的铜基钎焊合金由下列金属材料组成：
Mn 18～26％              Zn 17～24％
Ni 0.3～2％              Al 0.1～1％
Co 0.5～3％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
为了解决以银作为基体的钎焊合金价格昂贵的缺点，因此寻求一种价格比银低廉的合金基体元素，并且需保证对硬质合金和钢的润湿性要好，本发明人发现，铜具备了上述要求。所以本发明选用以铜为基体的合金。但是，铜的熔点比银高，因此必须选用可以降低铜熔点的合金元素。加入这些元素不但要降低铜的熔点，还必须考虑所添加元素是否对钎焊硬质合金与钢有利，是否会损害铜合金的冷、热加工性能。
考虑上述诸因素，本发明在基体铜的基础上，还添加一些合适的金属元素，以获得最适用的钎焊合金。本发明使用的其他合适的元素以及它们的效果描述如下：
锰(Mn)：根据铜锰二元合金的相图可知，锰降低铜的熔点效果显著，并且锰与铜能够形成无限固溶体，因而不会损害铜合金的冷热加工性能。同时，锰还有强烈吸收振动能的特殊功能，能衰减所焊工具所承受的振动能，从而使所焊工具的寿命有所延长。但锰含量在30％以上时，冶炼会造成一定困难，易形成灰渣，从而有害于合金的流动性。故锰含量的上限控制在35％以下；如锰含量低于10％，则合金的熔点太高，故锰含量必须在10％以上，才有好的效果。
锌(Zn)：锌是为降低铜的熔点和增加合金的流动性而考虑加入的，锌超过30％时加工困难，低于10％时合金熔点又太高，因此确定锌含量为10～30％。
银(Ag)：为降低合金熔点和改善合金的流动性而加入银，其含量高于15％以后，效果的改善不明显，而且钎料价格提高，因此本发明限定合金的含银量上限为15％。
镍(Ni)：为增加铜合金对硬质合金的润湿性能和焊接接头的高温性能及耐蚀性而加入镍，但镍加入太多，一方面成本增加，另一方面使合金熔点上升，因此本发明中将含镍的上限定为10％。
硅(Si)：硅较锰活泼，在焊接时，硅能够保护锰不被氧化，从而增加合金的流动性，同时硅还可防止锌蒸发，从而可减少焊缝气孔的生成几率。但是，硅含量太高会损坏材料的冷加工性能，因此本发明中硅含量的上限限制在2％。
锡(Sn)：金属锡柔软，易弯曲，在铜基合金中加入锡能够增强合金的抗腐蚀的能力，锡还能改善铜的切削加工性能。本发明中锡含量的上限为2％。
铝(Al)：铝能够改善合金的渗透性能，使合金在液态下易流入焊缝中，从而增强接头的强度。铝还有保护锰在液态下不被氧化的功能，从而增加钎料的流动性。但铝含量也不能太高，太高会损坏钎料的冷加工性能，因此将铝的上限限定为2％。
稀土：加入稀土是为了增加焊接强度和钎料流动性，但过高不利于焊丝的冷加工，因此上限限定为1.5％。
锂(Li)：锂是非常活泼的元素，锂的加入可大大增强钎料流动性，但过高也不利于钎料加工，因此上限限定为1％。
合金中的含有过多的气体可使合金产生气孔和疏松，而气孔和疏松往往造成合金断裂以及不坚固。因此，降低合金气体含量是提高合金强度的一种手段。可以在本发明的合金中加入Mg、B、P的一种或多种元素，它们在合金中适宜的含量均在0.001～0.1％的范围内，这些元素的加入可有效降低合金中气体的含量。
为了减少合金中的气体含量，本发明所述的铜基钎焊合金还可包含选自Mg、B、P的一种或多种元素，它们在合金中的含量均在0.001～0.1％的范围内。
如本发明的合金的组成可为：Mn 17～27％，Zn 15～25％；Ni 0.1～10％，Ag0.5～6％；Al 0.05～2％；Mg 0.05～0.1％，以及余量的Cu。
或者，本发明的合金的组成可为：Mn 17～27％Zn，15～25％，Ni 0.1～10％，Ag 0.5～6％，Al 0.05～2％，B 0.001～0.1％，以及余量的Cu。
或者，本发明的合金的组成可为：Mn 17～27％，Zn 15～25％，Ni 0.1～10％，Ag 0.5～6％，Al 0.05～2％，P 0.05～0.1％，以及余量的Cu。
本发明的钎焊合金制备工艺简单方便，按比例加入在石墨炉中熔炼，浇铸成锭，然后热加工成丝坯或扁坯，再冷加工成成品丝材或带材。除了特殊说明以外，本发明的钎焊合金使用的制备工艺和加工艺都是本技术领域人员所熟悉的，在此不作赘述。
在本发明的一个实施方式中，对本发明的钎焊合金的焊接强度进行了检测，结果与47％银的AgCuZnMnNi钎料相当，而高温性能高于银钎料，详见下文的
实施例。
由于本发明的钎焊合金的焊接工艺性能与银钎料相近，因此可用于取代银钎料。可以理解，任何可以用银钎料焊接的材料都是本发明的钎焊合金的适用范围，其易于加工成片和丝，钎焊温度与BAg25CuZn相近。本发明的钎焊合金已经特别成功地用于圆锯片的钎焊。
本发明的钎焊合金尤其适合于电阻钎焊，高频感应钎焊，激光钎焊，如配以较好的钎剂，也可用于火焰钎焊。本发明的钎焊合金还可用于不锈钢、铜的钎焊等，用途非常广泛。使用本发明的钎焊合金进行钎焊的方法是现有技术中一般使用的方法，熟练的焊工能够非常方便的进行操作。
尽管本发明的钎焊合金的焊接工艺性能与银钎料接近，但是其成本比通用的银钎料低1倍以上，效果明显但是价格低廉，大大降低了钎焊的成本。并且，本合金所使用的合金金属中不含毒性元素，对人和环境不会造成不利影响，属于环保型钎料。
具体实施方式
实施例1本发明的几种合金的制作
(1)采用以下的配方：Mn 20～28％、Zn 18～27％、Ni 0.3～1.5％、Al 0.1～0.6％、Si 0.1～0.5％、稀土0.01～0.2％，余量为Cu。
上述金属按比例加入在石墨炉中熔炼，浇铸成锭，然后热加工成丝坯或扁坯，再冷加工成成品丝材或带材。
经测定，该合金的熔化温度为820～830℃。
(2)采用以下的配方：Mn 18～24％、Zn 18～22％、Ni 0.3～1.2％、Al 0.1～0.6％、Si 0.1～0.5％、Ag 2.5～6.0％、余量为Cu。
制备工艺同实施例1。经测定，该合金的熔化温度为800～820℃。
(3)采用以下的配方：Mn 20～27％、Zn 17～29％、Ni 0.1～0.6％、Al 0.2～0.8％、Li 0.05～0.3％、余量为Cu。
制备工艺同实施例1。经测定，该合金的熔化温度为830～840℃。
(4)采用以下的配方：Mn 18～26％、Zn 17～24％、Ni 0.3～2％、Al 0.1～1％、Co 0.5～3％、Si 0.1～0.8％、余量为Cu。
制备工艺同实施例1。经测定，该合金的熔化温度为820～840℃。
实施例2实施例1中获得的合金的焊接强度测试
分别选择实施例1中的合金材料、日本产47％银钎丝、国产47％银钎丝(均购自浙江永康焊德锯业有限公司)，用同种设备进行高频感应钎焊。将YG8硬质合金钎焊到65Mn铜支架上，然后将焊好的产品进行强度测试，测得的抗剪强度对比结果见表1。
                              表1
  所用钎料   被焊母材   标准要求抗剪强度   实测平均抗剪强度
  实施例1中钎料(1)   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   17.57Kg/mm2
  实施例1中钎料(2)   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   17.58Kg/mm2
  实施例1中钎料(3)   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   17.47Kg/mm2
  实施例1中钎料(4)   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   18.56Kg/mm2
  日本47％银钎料   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   17.59Kg/mm2
  国产47％银钎料   YG8+65Mn铜   ≥14Kg/mm2   18.41Kg/mm2
表1的测定结果表明，本发明的钎料不仅达到了标准要求的抗剪强度，而且具有与日本的47％银钎料几乎同等的抗剪强度，达到了本发明的目的。
实施例3本发明的合金的一些配方的测试
以下为本申请人在研究过程中对各种配比的合金的测试试验，按照不同的配方，熔点在780-840℃之间，抗剪强度均在18Kg/mm2左右，远远高于标准要求的14Kg/mm2的抗剪强度。
                                                表2
                          合金配方(重量百分比)   熔点(℃)   抗剪强度(Kg/mm2)
  1   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量Cu   820-840   18.51Kg/mm2
2   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   820-840   18.61Kg/mm2
3   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   820-840   18.21Kg/mm2
4 Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu 820-840   18.46Kg/mm2
5 Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu 820-840   18.71Kg/mm2
6 Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、稀土0.1-1.5％、Co0.1-3％、余量为Cu 820-840   18.47Kg/mm2
  7   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、Co 0.1-3％、余量为Cu   820-840   18.65Kg/mm2
  8   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ni 0.1-10％、余量为Cu   800-830   17.65Kg/mm2
  9   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu，   800-820   17.58Kg/mm2
  10   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-810   17.42Kg/mm2
  11   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-810   17.87Kg/mm2
  12   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-810   17.93Kg/mm2
  13   Mn 10-35％、Zn10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-810   18.67Kg/mm2
  14   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、稀土0.1-1.5％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-800   18.71Kg/mm2
  15   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、Co 0.1-3％、余量为Cu   780-800   18.32Kg/mm2
  16   Mn 10-35％、Zn 10-30％、Ag 0.1-15％、Ni 0.1-10％、Si 0.1-2％、Sn 0.1-2％、Al 0.1-2％、Li 0.1-1％、稀土0.1-1.5％、余量为Cu   780-800   18.46Kg/mm2
以上对本发明的主要思想做了描述，但是本技术领域的人员应理解，基于本发明的不同形式的变更是可能的，这种变更将不离开本发明的权利要求范围。

Claims (7)

1.一种铜基钎焊合金，其特征在于，包含以下金属材料：
Mn 10～35％          Zn 10～30％
Ni 0.1～10％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
2.根据权利要求1所述的铜基钎焊合金，其特征在于，所述合金还包含Ag、Si、Sn、Al、Li、稀土、Co中的一种或多种，这些金属在合金中所占比例为：
Ag 0～15％      Sn 0～2％
Si 0～2％       Li 0～1％
Al 0～2％       Co 0～3％
稀土  0～1.5％。
3.根据权利要求1或2所述的铜基钎焊合金，其特征在于，所述合金还包含选自Mg、B、P的一种或多种元素，它们在合金中的含量均在0.001～0.1％的范围内。
4.根据权利要求2所述的铜基钎焊合金，其特征在于，由下列金属材料组成：
Mn 20～28％      Zn   18～27％
Ni 0.3～1.5％    Al   0.1～0.6％
Si 0.1～0.5％     稀土 0.01～0.2％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
5.根据权利要求2所述的铜基钎焊合金，其特征在于，由下列金属材料组成：
Mn 18～24％      Zn 1.8～22％
Ni 0.3～1.2％    Al 0.1～0.6％
Ag 2.5～6.0％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
6.根据权利要求2所述的铜基钎焊合金，其特征在于，由下列金属材料组成：
Mn 20～27％      Zn 17～29％
Ni 0.1～0.6％    Al 0.2～0.8％
Li 0.05～0.3％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
7.根据权利要求2所述的铜基钎焊合金，其特征在于，由下列金属材料组成：
Mn 18～26％      Zn 17～24％
Ni 0.3～2％      Al 0.1～1％
Co 0.5～3％
余量为Cu，上述百分比为重量百分比。
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