本發(fā)明涉及用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料及制備和釬焊方法，屬于釬焊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
釬料種類和牌號(hào)繁多，新型釬料層出不窮，目前尚缺乏熔化溫度范圍在700～780℃適合釬焊銅、鋼及其合金的中溫釬料。近年來，隨著技術(shù)創(chuàng)新與高技術(shù)產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對(duì)釬焊技術(shù)和釬料提出了新的要求，尤其是一些組織與性能對(duì)溫度和成分變化極為敏感的新型功能材料，如壓電陶瓷材料和形狀記憶合金，在連接過程中采用硬釬料釬焊，溫度過高，組織和性能受到較大的損傷；采用軟釬料釬焊，力學(xué)性能和使用工作溫度不能滿足要求；同時(shí)，為了滿足復(fù)雜部件進(jìn)行多步釬焊方法的需要，需要不同熔化溫度的釬料，通過降低釬焊溫度減小部件的變形以及避免后道釬縫釬焊時(shí)造成前道釬縫的再熔化，迫切希望提供熔化溫度在700～780℃的釬料。
銅與鋼高溫時(shí)的原子半徑、晶格類型、晶格常數(shù)等比較接近，在液相中能無限固溶，在固態(tài)下，雖為有限固溶，但不易形成脆性金屬間化合物，對(duì)焊接是有利的。但鋼和銅合金兩種材料物理性質(zhì)(熔化溫度、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、流動(dòng)性等)存在較大差異，增加了焊接的難度。南昌航空工業(yè)學(xué)院的刑麗等人用攪拌摩擦焊焊接了4mm厚的Q235低碳鋼和紫銅板得到了內(nèi)部無缺陷、外觀成形良好、無變形的對(duì)接接頭，接頭的顯微組織與其所受到的熱和力作用大小有關(guān)。攪拌摩擦焊對(duì)于接頭的形式要求苛刻，一般僅適合板材的焊接，另外，需要嚴(yán)格控制焊接速度，焊接速度過快時(shí)，攪拌頭的摩擦產(chǎn)熱不足，不能使焊縫金屬達(dá)到焊接所需的熱塑性狀態(tài)，無法發(fā)揮攪拌頭的攪拌作用，成形較差，無法焊合。武漢理工大學(xué)的郭紅等人研究了304不銹鋼與紫銅的真空釬焊方法，采用應(yīng)力搭接焊接并設(shè)置間隙的方法進(jìn)行焊接，著重通過試驗(yàn)分析了釬焊裝配間隙對(duì)釬焊結(jié)果的影響。工作效率低、加熱時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致釬縫金屬晶粒粗大以及釬焊接頭疲勞強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。吉林大學(xué)邢飛等人研究的鋅基高溫軟釬料釬焊銅時(shí)，由于鋅含量過高，及易出現(xiàn)鋅的脆性相，降低接頭的強(qiáng)度和塑性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料及制備和釬焊方法，該釬料的流動(dòng)性好，對(duì)母材潤(rùn)濕性好，且與銅和鋼的結(jié)合性能佳，剪切強(qiáng)度較高，能夠有效減小釬焊時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料，所選釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括：Ag3.0％～7.0％，P1.5％～4.0％，Ni0.8％～1.0％，Mn8.5％～10.0％，Si2.0％～3.5％，Sn4.5％～7.0％，Li1.0％～10.0％，Zr0.1％～0.5％，余量為Cu。
作為優(yōu)選，所選釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括：Ag3.0％～6.5％，P1.5％～3.0％，Ni0.8％～1.0％，Mn8.5％～10.0％，Si2.8％～3.4％，Sn4.5％～6.5％，Li4.0％～10.0％，Zr0.1％～0.3％，余量為Cu。
作為優(yōu)選，所選釬料以重量百分比計(jì)的元素成分包括：Ag5.0％，P2.5％，Ni1.0％，Mn9.0％，Si3.0％，Sn5.5％，Li8.0％，Zr0.2％，余量為Cu。
一種上述的用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ag顆粒、Mn顆粒、P顆粒、Zr顆粒、Sn粉、Li顆粒、Si片、Ni片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15-25℃的溫度下進(jìn)行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1)超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50±5KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而制成釬料。
作為優(yōu)選，所述步驟3)中石英管噴嘴呈長(zhǎng)方形，其長(zhǎng)度為8～10mm，寬度為0.8～1.2mm。
作為優(yōu)選，所述步驟6)中銅輥直徑為250mm，銅輥寬度為50mm。
作為優(yōu)選，所述步驟7)的釬料為箔片帶，厚度為50～100μm。
一種利用上述的用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的釬焊方法，包括以下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對(duì)待釬焊的銅和鋼試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將銅和鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于銅片和鋼片待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-3Pa的釬焊設(shè)備中，以6～10℃/min的速率升溫至700～780℃，保溫15～20min，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
本發(fā)明在釬焊材料中添加元素P,磷可以顯著降低熔點(diǎn)，銅磷化合物在釬焊溫度下流動(dòng)性好，能滲入間隙極小的接頭。添加元素Ni和Mn，顯著提升接頭的高溫耐熱和耐蝕性，增強(qiáng)其高溫性能。添加元素Si和Sn，顯著降低熔點(diǎn)，降低釬焊溫度。添加元素Zr，其為活性元素，該元素的加入能夠提高釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性，提高釬焊接頭的高溫強(qiáng)度，同時(shí)降低釬料熔點(diǎn)。添加元素Ag，Ag本身的熔點(diǎn)不高，對(duì)銅和鋼都具備較好的潤(rùn)濕性和填縫能力，同時(shí)具備較為理想的強(qiáng)度、塑性、耐蝕等性能。添加元素Li，金屬鋰是表面活性物質(zhì)，能顯著提高潤(rùn)濕性，同時(shí)鋰在銀中的溶解度很大，和周圍水分形成的氫氧化鋰能溶解大多數(shù)的氧化物，并呈薄膜狀覆蓋于金屬表面，進(jìn)一步促進(jìn)釬料的鋪展。尤其在釬焊銅和鋼時(shí)效果極為明顯。該釬焊工藝?yán)谜婵这F焊穩(wěn)定可靠，其表面潤(rùn)濕鋪展性較好，有利于填充釬縫，提高了接頭的綜合性能，因而能獲得性能優(yōu)異的釬焊接頭。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為該釬料的流動(dòng)性好，對(duì)母材潤(rùn)濕性好，且與銅和鋼的結(jié)合性能佳，剪切強(qiáng)度較高，能夠有效減小釬焊時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；本發(fā)明釬料的釬焊溫度在700～780℃，釬料熔化溫度較之前的銅基硬釬料，釬焊溫度大大降低，釬料熔化均勻；尤其是加入Li，顯著提高了潤(rùn)濕面積，控制界面冶金反應(yīng)，顯著改善接頭力學(xué)性能。
(2)采用本發(fā)明的釬料連接工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個(gè)構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤(rùn)濕鋪展較好，釬料與基體母材充分形成固溶冶金反應(yīng)，組織細(xì)粒，充分填充釬縫，提高了接頭的整體強(qiáng)度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭；
(3)本發(fā)明獲得的釬料制備方法和釬焊工藝簡(jiǎn)單，實(shí)施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復(fù)再現(xiàn)，真空釬焊過程無須添加釬劑以及保護(hù)措施，便于廣泛的推廣與應(yīng)用。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Ag4.0％，P2.0％，Ni0.8％，Mn8.5％，Si2.0％，Sn4.5％，Li2.0％，Zr0.1％，余量為Cu。
上述一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ag顆粒、Mn顆粒、P顆粒、Zr顆粒、Sn粉、Li顆粒、Si片、Ni片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15-25℃的溫度下進(jìn)行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1)超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50±5KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的釬焊工藝，包括以下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對(duì)待釬焊的銅和鋼試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將銅和鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于銅片和鋼片待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-3Pa的釬焊設(shè)備中，以6～10℃/min的速率升溫至700～780℃，保溫15～20min，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強(qiáng)度為138MPa。
實(shí)施例2
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Ag6.5％，P3.0％，Ni1.0％，Mn10.0％，Si2.8％，Sn4.5％，Li.4.0％，Zr0.3％，余量為Cu。
上述一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ag顆粒、Mn顆粒、P顆粒、Zr顆粒、Sn粉、Li顆粒、Si片、Ni片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15-25℃的溫度下進(jìn)行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1)超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50±5KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的釬焊工藝，包括以下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對(duì)待釬焊的銅和鋼試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將銅和鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于銅片和鋼片待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-3Pa的釬焊設(shè)備中，以6～10℃/min的速率升溫至700～780℃，保溫15～20min，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強(qiáng)度為142MPa。
實(shí)施例3
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Ag5.0％，P2.5％，Ni1.0％，Mn9.0％，Si3.0％，Sn5.5％，Li.8.0％，Zr0.2％，余量為Cu。
上述一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ag顆粒、Mn顆粒、P顆粒、Zr顆粒、Sn粉、Li顆粒、Si片、Ni片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15-25℃的溫度下進(jìn)行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Cu采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50±5KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊銅和鋼的中溫多元Cu基釬料的釬焊工藝，包括以下步驟：
(1)準(zhǔn)備階段：對(duì)待釬焊的銅和鋼試樣端面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進(jìn)行研磨光滑，將銅和鋼及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進(jìn)行烘干處理；
(2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于銅片和鋼片待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
(3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-3Pa的釬焊設(shè)備中，以6～10℃/min的速率升溫至700～780℃，保溫15～20min，隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強(qiáng)度為155MPa。
實(shí)施例4
設(shè)計(jì)3組對(duì)比例，基本步驟與實(shí)施例3相同，不同之處在于原料含量不同，具體為：
對(duì)比例1的組分含量：Ag5.0％，P6.0％，Ni1.0％，Mn9.0％，Si2.0％，Sn4.5％，Li.2.0％，Zr0.1％，余量為Cu。
對(duì)比例2的組分含量：Ag8.0％，P2.0％，Ni1.5％，Mn8.5％，Si2.0％，Sn4.5％，Li.2.0％，Zr0.1％，余量為Cu。
對(duì)比例3的組分含量：Ag5.0％，P3.0％，Ni1.0％，Mn8.5％，Si2.8％，Sn5.5％，Li.0％，Zr0.2％，余量為Cu。
將實(shí)施例1-4制得的焊接接頭進(jìn)行性能檢測(cè)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1實(shí)施例1-4制得的焊接接頭的性能對(duì)照表
由表1可知，實(shí)施例1-3制得的釬焊接頭微觀結(jié)構(gòu)致密，均勻分布，連接界面明顯，剪切強(qiáng)度在138～155MPa之間，由此可知本發(fā)明用于銅和鋼的釬焊材料具備良好的附著力和潤(rùn)濕性能，且釬焊接頭結(jié)合強(qiáng)度高。對(duì)比試驗(yàn)1表明，過多的P含量反而不利于釬焊，銅和磷產(chǎn)生過多的低熔共晶體，降低了接頭性能。對(duì)比試驗(yàn)2表明，Ag的增加可以明顯增加釬料的流動(dòng)性，同時(shí)Ni在Ag中的溶解較大，當(dāng)Ag含量上升時(shí)，適度增加Ni含量有利于提升焊接接頭性能，但是考慮到Ag較為貴重，希望能夠使用盡可能少的Ag同時(shí)保證焊接接頭的質(zhì)量。對(duì)比試驗(yàn)3表明，Li對(duì)焊接接頭性能影響非常大，Li本身可溶解于Ag，可以增加釬料的潤(rùn)濕性，和水分生成的氫氧化鋰在金屬表面覆蓋利于釬料的鋪展，當(dāng)Li含量減少時(shí)，接頭性能明顯下降。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。