一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其目的是实现钨基粉末合金与钨基粉末合金、钨基粉末合金与钢的可靠连接。该钎料以Cu、Ag作为基础合金成分，根据元素的合金相图和各种添加元素的作用机理，添加Ni、Nb和Zr元素构成多元铜银镍铌锆钎料，钎料合金成分按质量百分比计(Wt/％)：铜(Cu)：60?80，银(Ag)：10?30，镍(Ni)：1?5，铌(Nb)：1?5，锆(Zr)0.1?0.5。
【专利说明】
一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料
技术领域
[0001] 本发明涉及一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，应用于钨基粉末合金 的钎焊以及钨基粉末合金与其他金属的钎焊，属于焊接与连接技术领域。
【背景技术】
[0002] 钨基粉末合金是一种以钨为硬质相，以镍、铜或镍、铁等为粘结相构成的复合材 料，具有高导热，高强度，高密度，高熔点，低热膨胀系数，优异抗蚀性、抗氧化性、抗冲击韧 性以及良好的射线吸收能力等性能，在众多工程领域得到了应用，如在军工领域制造大口 径、杆式动能穿甲弹弹芯材料，机枪脱壳穿甲弹弹芯，平衡配重与惯性元件，枪弹和舰炮弹 用的弹头材料以及某些战术导弹中的杀伤破片等;在机械加工领域制造钻杆、连杆、刀夹、 刀杆、自动手表的摆锤、精密铸造工艺的压铸模和挤压模等。任何新材料的发展和应用都离 不开二次加工，只有通过二次加工，才能使材料转换为产品，而这个过程必需高效、低成本、 及时满足市场需求。钨基粉末合金具有很好的延性，可以进行乳制、旋锻、锻造、车、铣、刨、 车螺纹和攻丝等机加工，但是，由于其特殊的物理化学性能，焊接存在一定困难。这是因为 钨基粉末合金导热性极强，熔化焊接时容易造成不熔合现象，焊接时要求采用能量密度高、 焊接热输入量大、焊接速度快的高效焊接技术与工艺。钨基粉末合金线膨胀系数小，接头中 会产生残余应力，降低接头的力学性能和抗热震性能。钨基粉末合金高温下化学活性强， 300°C时表面失去光泽，500°C时表面氧化严重，焊接过程中接头极易氧化、氮化、吸氢，焊缝 金属晶粒粗大，焊接时要求采取保护措施。一些研究人员探索采用钨极惰性气体保护焊 (TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接、激光焊接、摩擦焊、扩散焊和钎焊等工艺焊接钨 基粉末合金材料。钨极惰性气体保护焊(TIG)和熔化极惰性气体保护焊(MIG)的功率密度较 低，焊接过程中热输入量较大，焊接后热影响区宽，焊缝晶粒粗大，导致接头性能变差。激光 直接焊接钨基粉末合金，焊接温度高，远远超过钨的再结晶温度（1100 ± 5 °C )，晶粒长大的 速度很快，材料的力学性能明显变脆。摩擦焊和扩散焊受到设备、工艺和接头形式的限制只 能焊接小型部件和结构简单部件。使用普通的银基和铜基钎料钎焊钨基粉末合金，由于钨 与银、铜并不形成合金，钎焊效果并不理想，钎缝的强度受到影响，试验结果表明，钎焊接头 抗剪切强度低于200MPa。焊接加工技术作为开发新材料走向实用化重要的加工方法，具有 灵活多样，工艺简便;在制造大型、复杂结构部件时，可采用机械加工、铸焊和锻焊方法，化 大为小，化复杂为简单，再逐次装配焊接而成，是净成形最佳制造工艺之一。由于钨基粉末 合金焊接性差，只能通过机械加工制造结构简单的部件，很大程度上制约了其在大型结构 复杂的部件开发应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，实现钨基粉 末合金与钨基粉末合金、钨基粉末合金与钢的可靠连接。本发明所述的一种多元铜银镍铌 锆钎料，熔化温度范围800-900 °C，对钨基粉末合金具有较好的润湿性能。
[0004] 本发明的上述目的是这样实现的：一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎 料，以铜银作为钎料的基础合金成分，添加 Ni、铌和锆元素构成多元铜银镍铌锆钎料，钎料 合金成分按质量百分比计(1以％):铜(〇1):60-80，银以8) :10-30，镍(附）：1-5，铌(他）：1-5,锆(Zr)0.1-0.5〇
[0005] 钨基粉末合金具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀、耐热冲击性等特点，尤其是优异的抗 高温性能，通常都是利用其高温性能制造耐高温零部件，因此，钨基粉末合金与钨基粉末合 金、钨基粉末合金与钢极少采用软钎焊进行连接。钨与铜、银在液态和固态下相互作用较 弱，使用普通的银基和铜基钎料对钨基粉末合金的润湿性较差，钎焊接头强度较低。试验表 明，现有市售银基钎料如银铜锡、银铜锌、银铜铟、银铜锌镉和银铜钛等钎料，钎焊接头室温 抗剪强度普遍低于150-200MPa，高温抗剪强度普遍低于100-130MPa(试验温度400°C)。为了 改善钎料的工艺性能（润湿性、漫流性和填缝性等）、提高其物理、化学和力学性能，本发明 所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，采取了加入多元、微量合金元素的 方法。合金元素的选择应考虑以下几个因素：（1)调整钎料合金系统熔化温度范围应能控制 在800-1000 °C之间。钨基粉末合金中钨的再结晶温度为1100±5°C，而且晶粒长大的速度很 快，钎焊温度如果超过此温度，材料明显变脆。因此，在钎焊件工作温度允许的情况下，钎焊 温度尽量不要超过1100°C，这就要求钎料的液相线不能超过1000°C。（2)改善钎料的工艺性 能和提高钎焊接头的力学性能。试验研究发现，加入的合金元素如果能与被钎焊材料在液 态或固态下相互溶解或形成化合物，则钎料在液态下能够润湿母材，显著提高钎焊接头的 力学性能。（3)添加的合金元素应具有熔点高、热强度高和抗腐蚀性能等特点。
[0006] 本发明的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料是以Cu、Ag作为基础合金 成分，添加 Ni、Nb和Zr元素构成多元铜银镍银错钎料。Ni、Nb和Zr恪点高，抗腐蚀性能优异， 与W在液态和固态下能相互溶解或形成化合物。根据Cu与Ag的合金相图，含Cu量28(Wt/% )， 含Ag量72(Wt/%)，Cu与Ag形成二元共晶，共晶温度780°C。随着Cu、Ag二元合金中含Cu量增 加，合金液相线温度提高。含Cu量增加到60(Wt/%)时，合金液相线温度达到905°C;含Cu量 增加到80(Wt/%)时，合金液相线温度达到970°C，如果钎料中的含Cu量超过80(Wt/%)，合 金液相线温度超过l〇〇〇°C，钎焊温度则将要超过1100°C，结果是钨基粉末合金晶粒长大，材 料变脆。Cu、Ag作为基础合金成分，钎料中的含Cu量应控制在60-80 (Wt/ % )。根据W与Ni的合 金相图，W和Ni形成有限固溶体，在1000°C时，W在Ni中最大溶解度为12(Wt/% )，但是室温下 W在Ni中的溶解度较小，随着钎料中含Ni量的增加，钎料的塑性和韧性降低。根据Cu与Ni的 合金相图，Cu和Ni形成无限固溶体，随着钎料中含Ni量的增加，也会使钎料固、液相线温度 提高。根据W与Nb的合金相图，W与Nb形成无限固溶体，妈是Nb的有效强化元素，但是随着钎 料中含Nb量的增加，钨基粉末合金钎焊接头的塑性/脆性转变温度将上升，晶粒也显著长 大。Zr是活性元素，钎料中加入Zr能降低钎料液/气表面张力和钎料与钨基粉末合金固/液 界面张力，有利于提高钎料与钨基粉末合金的亲和力，改善钎料对钨基粉末合金的润湿性。 根据W与Zr的合金相图，室温下W在Zr中的溶解度较低，形成β-Zr固溶体，含W量超过0.5 (Wt/% )，则形成W2Zr金属间化合物；与此相反，室温下Zr在W中的溶解度极低，随着钎料中 含Zr量的增加，钎料的塑性和韧性降低，钎焊接头变脆。本发明的一种钎焊钨基粉末合金用 多元铜银镍铌锆钎料，根据各种添加元素的作用机理，在综合考虑到钎料的成本、熔化温度 范围、工艺性能、物理、化学和力学性能的基础上，对加入的合金元素进行性能试验研究，控 制多元铜银镍铌锆钎料的熔化温度范围在800 - 1000°C之间，对钨基粉末合金具有较好的 润湿性能，确定多元铜银镍银错钎料合金成分，多元铜银镍银错钎料合金成分按质量百分 比计(机/%):铜(&1) :60-80，银(厶8):10-30，镍(附）：1-5，铌(他） ：1-5，锆(2〇0.1-0.5。
[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0008] 本发明所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，熔化温度范围在 800 - 1000°C之间，在保证钎焊件工作温度允许的情况下，尽量提高钎料的熔化温度和钎焊 接头的再熔化温度，保证钎焊接头的耐高温性能；同时又避免钨基粉末合金中钨的晶粒长 大。本发明所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料对钨基粉末合金润湿性 好，与钨基粉末合金的亲和力强，钎焊接头抗剪切强度超过200MPa。
【附图说明】
[0009] 图1是多元铜银镍铌锆钎料对钨基粉末合金润湿性。
[0010] 图2是多元铜银镍铌锆钎料钎焊钨基粉末合金试件。
[0011] 注：由于附图不能有颜色，用灰度表示了。
【具体实施方式】
[0012] 通过以下给出的实施例并结合附图（图1和2)对本发明方法作进一步具体阐述。
[0013] 图1是多元铜银镍铌锆钎料对钨基粉末合金润湿性。
[0014] 图2是多元铜银镍铌锆钎料钎焊钨基粉末合金试件，由图可见，多元铜银镍铌锆钎 料对钨基粉末合金润湿性极好，润湿表面光洁，形成良好钎角。
[0015] 本发明所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，所用材料Cu、Ag、 Ni、Nb和Zr纯度均为99.99%，通过对加入的合金元素进行性能试验研究结果确定钎料合金 成分，钎料合金成分按质量百分比计(Wt/% ):铜(Cu) :60-80,银(Ag): 10-30,镍(Ni): 1-5， 铌(Nb): 1-5，锆(Zr)0.1-0.5;按试验设计配比组成称取Cu、Ag、Ni、Nb和Zr放入陶瓷坩埚，再 将坩埚置于真空熔炼炉中加热并熔化制备成多元铜银镍铌锆钎料。熔炼温度应控制在 1150 -1200°C范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均匀。用上述方法冶炼钎料， 成分均匀，钎料总烧损系数小于0.1 %。按国家标准《GB/T 11364-2008钎料润湿性试验方 法》和《GB/T 11363-2008钎焊接头强度试验方法》测定了钎料的润湿性能和接头抗剪切强 度。
[0016] 本发明所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，达到的技术指标： (1)熔化温度范围：812 - 978 °C ; (2)润湿性良好：对钨基粉末合金的润湿面积达到130_ 150mm2; (3)钎焊钨基粉末合金接头抗剪强度为235-245Mpa。
[0017]下述所有实施例均采用纯度为99.99%的Cu、Ag、Ni、Nb和Zr金属，通过对加入的合 金元素进行性能试验研究结果确定钎料合金成分，形成以下技术方案，钎料合金成分按质 量百分比计(Wt/% ):铜（Cu) :60-80,银(Ag): 10-30,镍(Ni): 1-5,铌(Nb): 1-5,锆(Zr)0. ΙΟ. 5; 按试验设计配比组成称取 Cu、Ag、Ni 、Nb 和 Zr 放入陶瓷坩埚 ，再将坩埚置于真空熔炼炉 中加热并熔化制备成多元铜银镍铌锆钎料。熔炼温度应控制在1150 - 1200 °C范围，保温时 间10分钟，并充分将合金元素搅拌均匀。
[0018] 实施例见下表1:
[0019]表1多元铜银镍铌锆钎料成分及其钎焊钨基粉末合金的性能
【主权项】
1. 一种钎焊妈基粉末合金用多元铜银镍银错钎料，其特征在于，以Cu、Ag作为基础合金 成分，添加 Ni、Nb和Zr元素构成多元铜银镍银错钎料，钎料合金成分按质量百分比计 (机/%):铜(〇1):60-80，银以8):10-30，镍(附） ：1-5，铌(他）：1-5，锆(2〇0.1-0.5。2. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu:80，Ag: 10，Ni :5，Nb:4.9，Zr :0.1。3. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :75，Ag:20，Ni:2.8，Nb:2，Zr:0.2。4. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :70，Ag:24，Ni:l，Nb:4.5，Zr:0.5。5. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :65，Ag:28，Ni:4.9，Nb:2，Zr:0.1。6. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :62，Ag:30，Ni:4.8，Nb:2.8，Zr:0.4。7. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :80，Ag:15，Ni:2，Nb:2.7，Zr:0.3。8. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :75，Ag:15，Ni:4.9，Nb:4.9，Zr:0.2。9. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于，钎 料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :70，Ag:24，Ni:2，Nb:3.5，Zr:0.5。10. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于， 钎料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :65，Ag:28，Ni:3，Nb:3.7，Zr:0.3。11. 如权利要求1所述的一种钎焊钨基粉末合金用多元铜银镍铌锆钎料，其特征在于， 钎料合金成分按质量百分比计(Wt/%):Cu :60，Ag:30，Ni:4.8，Nb:5，Zr:0.2。
【文档编号】B23K1/19GK106077867SQ201610564583
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】邱小明, 卢裕臻, 罗翠, 邢飞, 尚庆慧, 王银雪, 阮野
【申请人】吉林大学