专利名称：一种含硼Cu-P基非晶钎料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含硼Cu—P基非晶钎料及其制备方法，具体涉及 一种钎焊铜及铜合金的含硼Cu-P-Sn-Ni-Si非晶钎料及制备方法，属 于非晶钎料和铜及铜合金钎焊技术领域。
背景技术：
银基钎料的熔点适中，工艺性好，并具有良好的强度、韧性、导 电性、导热性和抗腐蚀性，在现代工业各领域，如电子、家电、航天 航空、能源、汽车制造等获得广泛应用。随着科技的发展和社会的进 步，对银基钎料的需求量也日益增长，我国每年仅用于制作银基钎料 方面银的消耗量达千吨以上。但银是贵金属.属于国控物资，我国每 年均需进口大量白银。另外，大多数银基钎料都含有毒元素镉。为了 降低成本，避免污染环境，开发节银、代银钎料一直是国内外钎焊领 域的研究前沿和热点，具有较大的经济效益和社会效益。
Cu-P基钎料以其低的熔点，良好的钎焊工艺性能，特有的自钎作 用(对紫铜钎焊)以及低廉的价格等优点，是一种最有希望的代Ag 钎料。但Q^"P基钎料由于含有脆性化合物CU3P，导致合金在室温下 呈脆性，接头强度和韧性比银基钎料差很多，钎料加工困难，用传统 方法很难制成箔带，这就导致了Cu-P基钎料应用的局限性。采用快速 凝固技术制备Cu-P基非晶钎料，可以解决钎料制备成型，并提高钎料的性能。从非晶形成能力考虑，二元Cu-P系形成非晶的能力很差， 加入Ni后的三元系，非晶形成能力大大增强，而再加入Sn的四元系， 非晶形成能力又得到进一步增强。从Cu-P基钎料的钎焊性考虑，磷能 明显降低钎料熔点，改善流动性，对紫铜具有自钎能力。但随含磷量 的增加，钎料的塑性韧性则降低，在常温下加工性变差；钎料中加入 镍，则提高熔点，但能改善对Fe、 Co、 Ni基合金的润湿性，提高接 头强度和耐蚀性。钎料中加入锡，可降低熔点，改善润湿性。但使接 头的强度降低。
为了获得Cu-P基非晶钎料并改善其钎焊性，必须对Cu-P基合金成 分进行优化设计，兼顾合金的非晶形成能力和钎焊性，在上述基础上， 再添加一定的微量元素，进一步提高Cu-P基非晶钎料的性能，从而使 Cu-P基非晶钎料真正进入实用化阶段，并获得广泛应用，这是Cu-P 基非晶钎料制备和铜及铜合金钎焊技术领域急待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决Cu-P基钎料的室温脆性和可成
型性问题。提供一种熔点低，容易加工，钎焊性能优良的非
晶钎料，以扩大此类代银钎料的应用。它通过添加微量合金元素并优
化Cu-P-Sn-Ni-S遂合金成分，采用快速凝固技术制取非晶态钎料，用
于钎焊铜及铜合金，保证良好的钎焊工艺性和接头力学性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是 一种含硼Cu-P基
非晶钎料，其特征在于该钎料的组分及含量(按质量百分比)为 P: 7.2%;Ni: 14.0%; Sn: 5.4%; B: 0.02~0.04o/o; Si: 0.2%;其
5余为Cu，总质量百分比为100%。
上所述的Ni， Sn和Cu的纯度均为99.9X以上。
为了实现上述目的，本发明的另一个技术方案是 一种含硼 Cu-P基非晶钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤
(1)将P; Ni; Sn; B; Sl'; Cu原材料分别粉碎后，在电子天
平上称量配方，其中铜硼合金中硼的质量分数为13.5%，铜硅合金中 硅的质量分数为15%，铜磷合金中磷的质量分数为14.56%;
(2) 将按上述配方的配料置于中科院北京物理研究所制造的 WS-2型高真空Ar气氛保护非自耗电弧炉中，电弧炉共有5个铜柑埚， 其中一个坩埚中放一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放四种同配 方或不同配方的配料；
(3) 熔炼前，炉内先抽真空至l(^Pa，充氩气洗炉3-4次后，抽 真空至l(T2Pa,再次充氩气至-0.06MPa;
(4) 正式熔炼前，反复熔炼一块纯Ti试样，以进一步去除气氛 中残留的氧；
(5) 熔炼试样时，为了使铸态合金均匀，水冷铜坩埚内的样品 在电磁搅拌作用下反复熔炼3-4次，并使用搅拌棒翻转试样；
(6) 电弧熔炼后，对样品进行称重，发现样品的失重在0.1%以 内，可以认为合金实际成分与名义成分基本一致，熔炼后的试样即是 制备非晶钎料的母合金；
(7) 将母合金粉碎后，装入沈阳中科仪技术发展有限责任公司 制造的HVDS- II高真空单辊甩带机的石英玻璃管内，石英管喷嘴呈长 方形，其长度为a二6-8mm;宽度b-0.5-lmm;(8) 将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴 至铜辊表面间距调整成6 =0.8-lmm，以保证喷射在铜辊上的液体是
平板流，而形成稳定流状态；
(9) 关闭炉门，采用机械泵抽真空至5.6xlO"Pa，分子泵抽 高真空至7.5xl(T4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至-0.05MPa;
(10) 开启电机，使铜辊转速^二38-41m/s，铜辊直径为230mm， 铜辊宽度为40mm;
(11) 开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至 完全均匀熔融，其熔喷温度T=1173-1273K，保温过热熔体0.5 1 分钟；
(12) 将Ar气压力调至;;二50kPa，用高压氩气将石英玻璃管内
的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到
急冷而成箔带状，从而得到非晶态钎料。
采用上述步骤和工艺制备的非晶态箔带厚度为0.08±0. 002
mm，且表面光洁，两侧平整，具有较好的韧性。
该非晶钎料的熔化温度范围为602 663°C ，钎焊温度670~720°C 。 该钎料适用于铜及铜合金的钎焊，适用的钎焊工艺方法有火焰钎焊、 炉中钎焊、气保护钎焊及盐浴钎焊等。采用该钎料火焰钎焊紫铜，钎 料润湿性明显好于常规熔炼技术制备的同成分钎料，接头剪切强度大 于112MPa。
本发明的一种含硼Cu-P基非晶钎料及其制备方法具有的优点 (1)采用快速凝固技术制备Cu—P基箔带钎料，解决了常规热 加工手段无法将Cu—P基钎料加工成箔带的困难；(2 )采用急冷工艺制备的非晶态钎料和同成分的常规钎料相比: 钎料熔化温度更低，熔化区间更窄，在紫铜上的润湿性和接头剪切强 度均高于常规钎料，如下表l所示；
(3) 钎料中加入的微量B，有利于提高Cu-P-Sn-Ni-Si合金的 非晶形成能力，微量B在液态钎料中则可起表面活性作用，提高液态 钎料的润湿性，钎缝中微量B则可以细化晶粒，改善组织，提高钎 焊接头性能；
(4) 非晶态钎料钎焊接头的强度远高于同成分常规钎料的主要 原因在于非晶钎料的熔化温度低，熔化区间窄，润湿性好，从而有利 于得到高质量的钎缝；非晶态这种热力学非稳态组织有利于加速钎焊 过程中原子的扩散和接头区域母材和钎料的相互作用，故非晶态钎料 钎焊接头区域元素的扩散深度及分布的均匀程度均大于常规钎料，其 钎缝冶金质量好于常规钎料钎焊的钎缝；此外，非晶态钎料所含杂质 和气体较常规钎料少得多。
表1Cu-7.2P-5.4Sn-14Ni-0.2Si-0.03B非晶钎料和常规钎料性能对比
钎料熔化温度 (。c)铺展面积 (mm"接头剪切强度 (MPa)备注
常规钎料604-663133114母材为紫铜
非晶钎料603-647167149母材为紫铜
具体实施例方式
实施例1:
组分配方钎料的组分和含量按质量百分比为P: 7.2%; Ni:14.0%;
Sn: 5.4%; B: 0.03%; Si: 0.2%;其余为Cu。 制备方法
(1)将P; Ni; Sn; B; Si; Cu原材料分别粉碎后，在电子天 平上称量配方，其中铜硼合金中硼的质量分数为13.5%，铜硅合金中 硅的质量分数为15%，铜磷合金中磷的质量分数为14.56%;
(2) 将按上述配方的配料置于中科院北京物理研究所制造的 WS-2型高真空Ar气氛保护非自耗电弧炉中，电弧炉共有5个铜坩埚， 其中一个坩埚中放一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放四种同配 方或不同配方的配料；
(3) 熔炼前，炉内先抽真空至10,a，充氩气洗炉3-4次后，抽 真空至l(T2Pa，再次充氩气至-0.06MPa;
(4) 正式熔炼前，反复熔炼一块纯Ti试样，以进一步去除气氛 中残留的氧；
(5) 熔炼试样时，为了使铸态合金均匀，水冷铜坩埚内的样品 在电磁搅拌作用下反复熔炼3-4次，并使用搅拌棒翻转试样；
(6) 电弧熔炼后，对样品进行秤重，发现样品的失重在0.1%以 内，可以认为合金实际成分与名义成分基本一致，熔炼后的试样即是 制备非晶钎料的母合金；
(7) 将母合金粉碎后，装入沈阳中科仪技术发展有限责任公司 制造的HVDS- II高真空单辊甩带机的石英玻璃管内，石英管喷嘴呈长 方形，其长度为a二6-8mm;宽度b二0.5-lmm;(8) 将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴 至铜辊表面间距调整成6 =0.8-lmm，以保证喷射在铜辊上的液体是
平板流，而形成稳定流状态；
(9) 关闭炉门，采用机械泵抽真空至5.6xlO"Pa，分子泵抽 高真空至7.5xlO_4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至-0.05MPa;
(10) 开启电机，使铜辊转速",二38-41m/s，铜辊直径为230mm， 铜辊宽度为40mm;
(11) 开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至 完全均匀熔融，其熔喷温度T=1173-1273K，保温过热熔体0.5 1 分钟；
(12) 将Ar气压力调至/p二50kPa，用高压氩气将石英玻璃管内 的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到 急冷而成箔带状，从而得到非晶态钎料。
该钎料的熔化温度范围为603-647。C，火焰钎焊紫铜的接头剪切 强度为149 MPa。
实施例2:
组分配方钎料的组分和含量按质量百分比为P: 7.2%; Ni: 14%; Sn: 5.4%; B: 0.02%; Si: 0.2%;其余为Cu。 制备方法与实施例1制备方法相同。
该钎料的熔化温度范围为602 646。C，火焰钎焊紫铜的接头剪切 强度为112MPa。实施例3:
组分配方钎料的组分和含量按质量百分比为P: 7.2%; Ni: 14%; Sn: 5.4%; B: 0.04%; Si: 0.2%;其余为Cu。 制备方法与实施例1制备方法相同。
该钎料的熔化温度范围为637 663。C，火焰钎焊紫铜的接头剪切 强度为121MPa。
权利要求
1、一种含硼Cu-P基非晶钎料，其特征在于该钎料的组分及含量按质量百分比为P∶7.2％；Ni14.0％；Sn5.4％；B0.02～0.04％；Si0.2％；其余为Cu，总质量百分比为100％。
2、 根据权利要求1所述的一种含硼Cu-P基非晶钎料，其特 征在于所述的Ni， Sn和Cu的纯度均为99.9X以上。
3、 一种制备权利要求1所述的含硼Cu—P基非晶钎料的方 法，其特征在于按下列步骤进行(1)将P; Ni; Sn; B; Si; Cu原材料分别粉碎后，在电子天平上称量配方，其中铜硼合金中硼的质量分数为13.5%，铜硅合金中 硅的质量分数为15%，铜磷合金中磷的质量分数为14.56%;(2) 将按上述配方的配料置于中科院北京物理研究所制造的 WS-2型高真空Ar气氛保护非自耗电弧炉中，电弧炉共有5个铜坩埚， 其中一个坩埚中放一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放四种同配方或不同配方的配料；(3) 熔炼前，炉内先抽真空至l(^Pa，充氩气洗炉3-4次后，抽 真空至10々Pa，再次充氩气至-0.06MPa;(4) 正式熔炼前，反复熔炼一块纯Ti试样，以进一步去除气氛 中残留的氧；(5) 熔炼试样时，为了使铸态合金均匀，水冷铜坩埚内的样品 在电磁搅拌作用下反复熔炼3-4次，并使用搅拌棒翻转试样；(6) 电弧熔炼后，对样品进行称重，发现样品的失重在0.1%以 内，可以认为合金实际成分与名义成分基本一致，熔炼后的试样即是制备非晶钎料的母合金；(7) 将母合金粉碎后，装入沈阳中科仪技术发展有限责任公司 制造的HVDS- II高真空单辊甩带机的石英玻璃管内，石英玻璃管喷嘴 呈长方形，其长度为a-6-8mm;宽度b二0.5-lmm;(8) 将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴 至铜辊表面间距调整成6 =0.8-lmm，以保证喷射在铜辊上的液体是平板流，而形成稳定流状态；(9) 关闭炉门，采用机械泵抽真空至5.6xlO"Pa，分子泵抽 高真空至7.5xl(^Pa，然后腔体充满高纯Ar气至-0.05MPa;(10) 开启电机，使铜辊转速^二38-41m/s，铜辊直径为230mm， 铜辊宽度为40mm;(11) 开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至 完全均匀熔融，其熔喷温度T二1173-1273K，保温过热熔体0.5 1分 钟；(12) 将Ar气压力调至^二50kPa，用高压氩气将石英玻璃管内 的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到 急冷而成箔带状，从而得到非晶态钎料。
全文摘要
本发明公开了一种含硼Cu-P基非晶钎料及其制备方法，属于非晶钎料和铜及铜合金钎焊技术领域。非晶钎料的组分和含量按质量百分数配比为P7.2％；Ni14.0％；Sn5.4％；B0.02～0.04％；Si0.2％；其余为Cu。该非晶钎料的制备采用快速凝固技术，所制得的钎料表面光洁，两侧平整，具有较好的韧性。该非晶钎料的熔化温度为602～663℃，钎焊温度为670～720℃。该非晶钎料适用于铜及铜合金的钎焊，适用的钎焊工艺方法有火焰钎焊、炉中钎焊、气保护钎焊及盐浴钎焊等。采用该非晶钎料火焰钎焊紫铜，钎料润湿性明显好于常规熔炼技术制备的同成分钎料，钎焊接头剪切强度大于112MPa。
文档编号B23K35/40GK101530952SQ200910031190
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者汪成龙, 磊 王, 超 王, 邹家生 申请人:江苏科技大学