[发明专利]铜焊材料

说明书

本发明涉及铜焊材料(brazing material)、铜焊方法以及用所述铜 焊材料铜焊的产品。

发明内容

不同钢材或铁基合金材料的物体一般通过铜焊(brazing)或锡焊 (soldering)用镍基或铜基的铜焊材料来组装。在下文中将使用术语铜 焊，但应当清楚，此术语还包括锡焊。铜焊是连接金属部件的工艺，不过 其也可用于密封或涂覆物体。铜焊温度低于基体材料的原始固相线温 度。在对材料进行铜焊的过程中，铜焊材料在该热处理期间被完全或部 分地熔融。

传统的对铁基材料的铜焊是用镍基或铜基铜焊材料进行的，由于例 如电极电势的差异这些铜焊材料可能会导致腐蚀。当铜焊的物体被暴露 于化学侵蚀性环境时，此腐蚀问题将更严重。由于司法原因，在许多食 品应用中镍基或铜基铜焊材料的使用也会受到限制。

涂料或铜焊材料的熔融温度范围是一个问题。在选择铜焊材料或涂 料时，考虑的事项基于合金和基体材料的固相线或液相线温度。近来， 为铜焊传统的不锈钢物体，人们开发了铁基铜焊材料。这些铁基铜焊材 料效果很好，但当铜焊的温度范围很宽时，就会有在获得的产品中产生缺 陷的危险。纯元素具有明确的熔点，但在每一限定的合金中合金含有许 多不同的元素，因此往往具有很宽的熔融区间。

因此根据本发明人们将试图使铜焊接头仅包含少部分的脆性相。已 经脆性相的量会对疲劳强度产生负面影响。脆性相的量尤其取决于接头 间隙、板的厚度、铜焊材料的量、铜焊材料如何施加以及铜焊过程中时 间-温度关系。

在开发铜焊材料时，有许多重要的性质。其中之一是铜焊温度。高 的铜焊温度往往与高机械强度或其它对铜焊接头有重要意义的性质相 关联，但也有一些不利。高温可能会降低基体材料的性能，例如通过晶 粒生长、在材料中形成相、通过元素从铜焊填料到基体材料的扩散而导 致铜焊填料对基体材料的巨大影响以及基体材料性能的其它变化来体 现。高温还可能提高基体材料腐蚀的危险。高温还会带来费用的问题， 因为需要更多的能量输入和更昂贵的炉子。高温对炉子的损耗也更大， 这会增加费用。在开发Fe基铜焊材料时正常的方式是使用Si和/或B作为 熔点降低剂。硼对熔点有很大影响但也有许多缺点，比如说它很容易形 成硼化铬。因此，很重要的一点是不要使用过多的硼。硼化铬的形成降 低基体材料中的铬含量，这又会例如降低基体材料的耐腐蚀性及其它性 能。因此，当铬为合金的元素之一时，通常最好不使用硼或仅使用极少 量的硼。也使用硅来降低熔点，但硅本身作为熔点降低剂并不具有例如 B那样大的影响。因此如果仅使用硅作为熔点降低剂，则用量必须极大。 硅可能还会形成硅化物，因此大的用量可能会有问题。另一种可被用作 熔点降低剂的元素是磷。如果仅铜焊温度有重要意义则磷可能是一种好 的选择，因为它对熔点有很大的影响。然而，具有大量P的铜焊接头一 般非常脆并由此强度很低。磷还可能形成磷化物，比如铁磷化物，它们 很脆并降低铜焊填料和基体材料的强度。令人惊讶地，当用新型的含Si 和P的混合物进行合金化时，人们发现了新型的铁基铜焊填料，它具有 低熔融区间却不具有或仅有很小的来自Si和P添加剂的负面影响。所述 合金还具有另一个惊人的有利性能，即窄熔融区间，这在铜焊时是非常 有利的。其原因是最好铜焊填料中的全部元素都应当大致同时熔融。另 一个有利性能是本发明的填料很好地润湿表面且具有极好的流动能力。

因此，本发明涉及铁基铜焊材料，其包括合金，所述合金基本含有 15-30重量百分比，下文中记作wt％，的铬(Cr)、0-5.0wt％的锰(Mn)、 9-30wt％的镍(Ni)、0-4.0wt％的钼(Mo)、0-1.0wt％的氮(N)、1.0-7.0wt％的 硅(Si)、0-0.2wt％的硼(B)、1.0-7.0wt％的磷(P)和任选地各自含量为 0.0-2.5wt％的选自钒(V)、钛(Ti)、钨(W)、铝(Al)、铌(Nb)、铪(Hf)和钽(Ta) 的一或多种元素；所述合金的余量为铁，和少量不可避免的杂质元素； 且其中Si和P的含量有效降低熔融温度。

根据本发明的一个可选方面，所述选自碳(C)、钒(V)、钛(Ti)、钨(W)、 铝(Al)、铌(Nb)、铪(Hf)和钽(Ta)的元素中的任何一种含量可以在约 0-1.5wt％的范围内。