一种高活性、多用途、快速钎焊用Cu基钎料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高活性、多用途、快速钎焊用Cu基钎料及其制备方法，所述Cu基钎料为Cu

【技术实现步骤摘要】
一种高活性、多用途、快速钎焊用Cu基钎料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钎料合金配方优化，具体涉及通过引入Si、B、P等元素改善Cu
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Mn
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Ni钎料的去膜润湿与填缝性能。

技术介绍

[0002]对于不锈钢(SUS)的大面积焊接，采用钎焊可以解决电弧焊烧穿与可达性差的问题；对于双相不锈钢的焊接，采用钎焊可以保持双相不锈钢中铁素体不锈钢组织与奥氏体不锈钢组织的原有比例。此外，不锈钢(SUS)与铜(Cu)的异种金属组合的大面积钎焊在核聚变发电与火箭发动机行业都有应用需求。
[0003]钎料的设计与选择是获得优良钎焊接头的首要内因条件。不锈钢所用的钎料可分为Ag基、Cu基与Ni基三大类(甚至还有贵金属Au基)。Ag基钎料成本高，多用于不锈钢与异种金属的钎焊，主要利用其塑性优良的特征，有利于缓冲因热膨胀系数差异造成的热应力。Cu基钎料包括纯Cu以及Cu
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Zn、Cu
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P、Cu
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Si、Cu
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Ti、Cu
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Mn
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Ni等不同的合金系。Ni基钎料因含有B、Si、P而去膜能力强、润湿性好，适于服役温度较高的场合，但Ni基钎料熔点高、脆性大、对间隙敏感、须利用长时间的等温凝固消除脆性相，对薄件有一定溶蚀。
[0004]近年来，为了克服Ni基钎料脆性大、对间隙敏感、等温凝固所需时间长的弊端，采用Cu
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Mn
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Ni钎料的不锈钢快速钎焊技术研究与应用渐趋广泛。Cu
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Mn
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Ni三元钎料熔点适中(～900℃)，组织以固溶体为主兼顾强度与塑性。据韩国釜山大学Hye Sung NA报道(参考文献1)，牌号为AWS4764的Cu基钎料Cu
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38Mn
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9.5Ni(wt.％)，屈服强度402MPa、抗拉强度588MPa。印度学者R.K.Roy报道称50Cu
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40Mn
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10 Ni(wt.％)为单相固溶体；固相线与液相线分别为900℃与945℃，熔化区间为45℃(参考文献2与参考文献3)；采用40μm厚Cu
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40Mn
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10Ni急冷箔带在惰性气氛保护中，以1000℃
×
5min为工艺条件，钎焊SUS304/SUS304所得钎焊接头抗拉强度为456MPa(参考文献2)；在920℃
×
5min工艺条件下钎焊SUS304/纯Cu所得钎焊接头抗拉强度为260MPa(参考文献3)。在实验室条件下，利用Cu
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Mn
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Ni钎料钎焊不锈钢板材(板材氧化膜预打磨清理容易)表现出较好的润湿性与塑性，但在个别情况下仍表现出去膜与填缝能力差、导致出现润湿不良的缺陷。而且在无润湿缺的Cu
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Mn
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Ni钎料/SUS304界面，液固反应并不十分强烈，表现在钎缝显微组织中并未观察到富Fe相的析出，只是观测到Mn因扩散系数是Cu的2倍而自界面向SUS母材中发生了一定的扩散：对SUS304/SUS304组合采用Cu
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40Mn
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10Ni钎料在1000℃
×
5min条件下保护气氛钎焊后Mn自界面扩散入SUS304内部15μm(参考文献2)；对SUS304/CrZrCu采用Cu
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40Mn
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10Ni钎料在920℃
×
5min条件下保护气氛钎焊后，Mn自界面扩散入SUS304内部3.8μm(参考文献3)。申请者认为，其界面反应还可进一步加强，以至实现明显的“溶解—析出”反应，以进一步改善润湿性。
[0005]随着Cu
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Mn
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Ni钎料在不锈钢制品或不锈钢与异种金属制品钎焊领域的应用渐趋增多，也暴露出Cu
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Mn
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Ni钎料对界面清理管理要求严、填缝距离有限等实用化方面所存在的问题。众所周知，不锈钢表面存在较为稳定的氧化铬(Cr2O3)钝化膜，是不锈钢钎焊的难点所在。关于不锈钢钎焊的去膜机制，主要集中在不锈钢真空环境下高温钎焊的研究领域。庄
鸿寿认为不锈钢在真空环境下的去膜并非真空下的氧化膜自行分解机制(真空度尚达不到氧化膜能自行分解的程度)，而是氧化膜在真空环境下的挥发机制。另外，从氧化物生成吉布斯自由能曲线看，Mn具有还原Cr2O3的能力，但两者自由能曲线位置较为接近，还原能力较弱。
[0006]关于Cu
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Mn
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Ni钎料与不锈钢的界面反应，主要认为存在钎料对SUS母材的溶解以及Mn、Ni向SUS母材中的扩散(参考文献3)。基于母材溶解来移除氧化膜，虽然也能获得良好的界面润湿，但因母材溶解使液相前沿熔点升高，粘度增大，不利于较长距离间隙的填缝，仅适于加工、转配后，间隙控制理想而能预置钎料的场合。同时，在实际工业批量生产中，因设计、加工、管理等出现下列不利工况时，传统Cu
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Nn
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Ni钎料因去膜能力不足，导致出现润湿性不良的缺陷(如空洞、间隙等非致密性缺陷)，降低了产品合格率，导致返修：(1)母材存在尖角、尖缝、拐角、直角等不易打磨到位的部位；(2)因打磨预清理程度不一，存在清理程度较差的部位；(3)打磨过的界面因故未及时施焊，搁置过久；(4)不经意或忽视的局部污染区域；(5)因间隙不够不能预置钎料，导致填缝间隙过深；(6)因温度场的均匀性不良，存在温度偏低的局部。
[0007]目前，关于Cu
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Mn
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Ni钎料配方改进的研究报道方面，主要着眼于降低其熔点，例如，加入Sn、Si、Zn、Ag等进一步降低钎料熔点(参考文献4、5、6)，从而降低钎焊温度。但对于非真空环境下(如Ar气保护气氛)Cu
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Mn
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Ni钎料的去膜机制研究的文献报道几乎难以找到，改进上述不利工况下去膜与润湿效果的研究更是空白。可见对于Cu
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Mn
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Ni钎料而言，在对不锈钢母材溶解、扩散之前，实现对不锈钢表面的Cr2O3钝化膜的破除仍属于技术难题。
[0008]参考文献
[0009][1]Hye Sung Na，etal.Effect of brazing conditions on the microstructure and mechanical properties of duplex stainless steels to cr
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cu alloy with cu
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base insert metal.Metals and Materials International,2007,13(6):511
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515....

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu基钎料，其特征在于：该Cu基钎料由纯Cu、纯Mn以及含有Si、B、P中一种或多种元素的Ni基钎料制成，所述纯Cu的质量分数为≥50％，纯Mn的质量分数为15％～45％，Ni基钎料的质量分数为2％～40％；或者，所述Cu基钎料由用于代替所述纯Cu的Cu
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P钎料及纯Mn和Ni基钎料制成。2.根据权利要求1所述一种Cu基钎料，其特征在于：P用于改善对液态钎料表面CuO膜的自钎剂性能，促使其铺展；Si、B用于通过还原机制破坏SUS表面氧化膜的完整性；合并加入为液态Mn原子扩散并溶解SUS创造有利条件。3.根据权利要求1所述一种Cu基钎料，其特征在于：所述Ni基钎料选自BNi2、BNi7中的一种或两种；所述BNi2的质量分数为1％～20％，BNi7的质量分数为1％～20％。4.根据权利要求1或3所述一种Cu基钎料，其特征在于：所述Cu基钎料为Cu
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30Mn
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5BNi2
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5BNi7；Cu
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30Mn
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5BNi2
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5BNi7由按照Cu
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30Mn
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10Ni中Cu、Mn元素含量计量的纯Cu、纯Mn以及按照Cu
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30Mn
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10Ni中Ni元素含量计量的Ni基钎料制成，该Ni基钎料由等质量比的BNi2与BNi7组成；或者，Cu
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30Mn
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5BNi2
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【专利技术属性】
技术研发人员：张贵锋，程若亮，张誉，张林杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：