专利名称：钎焊金属基体表面的方法
钎焊金属基体表面的方法本发明涉及钎焊金属基体表面的方法。更具体地说，本发明涉及钎焊包含通常钝态的金属氧化物层的所述金属基体的所述表面。钎焊是通过将填充材料加热到其熔融温度并通过毛细作用使其分散在金属基体表面上的方法。填充金属在分散于所述表面上之前加热至略高于其熔融温度。填充金属润湿所述金属基体的所述表面然后迅速冷却以钎焊所述金属基体。金属基体可包含例如铝或钛等金属。通常，当金属基体的表面暴露于空气时，表面与空气反应形成金属基体表面上的钝态金属氧化物层(例如，氧化铝、氧化钛、或氧化铬)。钝态层阻止了所述填充材料对所述金属基体的所述表面的适当润湿。这导致了由于搭接面缺乏流动和润湿而产生的不均匀和脆弱的钎焊。根据已知方法，金属基体的表面由硬质金属工具通过切削(milling)或磨削 (grinding)所述金属基体的表面进行机加工。这去除了金属基体所述表面上的钝态金属氧化物层，从而使表面活化以便用填充材料适当润湿。然而，不利地是，当机加工过的表面暴露于空气中时，钝态氧化物层便快速形成。另一个公知的方法是使用含例如磷、硼和硅的元素的填充材料，其可与钝态氧化物层反应以溶解所述氧化物层并活化金属基体的表面。然而，在现有钎焊技术中，填充材料中这些元素的使用已明显减少，以避免钎焊接头中的有害脆性相的形成，或至少将其减到最小。本发明的目的是提供一种改良的钎焊金属基体表面的技术，以改善钎焊表面的流动性和润湿性能，所述金属基体表面包含通常钝态的金属氧化物层。根据权利要求I所述的方法达成所述目的。本发明的基本思想是改善填充材料在待钎焊表面(即，金属基体的表面)的润湿性能和流动性，包括在所述表面用活化材料的粉末颗粒进行喷砂以活化钎焊表面。活化材料作为催化剂，在钎焊温度下分解成其组分以破坏或溶解金属氧化物层，从而使下层基体润湿到良好的程度。根据一个实施方案，该方法进一步包括在所述喷砂前通过使用金属工具机加工所述金属基体而活化所述金属基体。该机加工在活性材料喷砂前帮助去除过多的所述氧化物层，以此提供所述表面的快速活化。根据另外一个实施方案，为在钎焊温度下获得更高的反应活性，采用碳化硅(SiC)作为活化材料。根据一个示例性实施方案，所述表面上的所述活性材料粉末颗粒的喷砂是在压强3巴至6巴之间进行的。该加压喷砂处理提供活性材料的砂粒在所述表面上的最佳沉积。根据另外一个实施方案，钎焊温度保持在900°C至1260°C的范围。这有助于为填充材料提供足够的热量来熔融润湿，并提供热量以离解活化材料使得所述活化材料能与所述钝态氧化物层反应。根据另外一个实施方案，填充材料包含硼、硅和磷中的至少一种以降低所述填充材料的熔点。
根据另一个实施方案，填充材料包含镍和铁中的至少一种，因为这种填充材料使金属基体的表面充分润湿。根据一个示例性实施方案，金属基体包含铝、或钛、或铬、或其组合。图I为根据本发明的一个实施方案说明钎焊方法的流程图，图2示出具有金属氧化物层的金属基体，其可依照本发明的实施方案进行钎焊，图3A示出钎焊后所述金属基体所述表面的组织(texture)的透视图，其中基体的表面未经喷砂活化，图3B示出钎焊后所述金属基体所述表面的组织的透视图，其中基体的表面经过喷砂活化。图I示出一个示例性钎焊方法8。图I所示的钎焊方法8可用于钎焊金属基体12的表面10，所述基体具有通常钝态的金属氧化物层18，如图2所示。—般而言，当所述金属基体12的所述表面10暴露于空气时,会导致表面10上金属氧化物层18的快速形成。例如，如果金属基体包含铝和/或钛，其长期暴露在空气中时表面10上就形成相应的铝/钛氧化物层18。该层18通常本质上为钝态的，因此，当在所述表面10上进行钎焊时，氧化物层18限制了所述填充材料对所述表面10的适当润湿。图I例举的方法8包含步骤2、4、6，为便于理解，对所述步骤参照了图2的说明加以讨论。因此下面的讨论包含图I和图2的交叉引用。为活化表面10，方法8 (图I)包括一个有利的步骤2，其中金属表面10被机加工以清除所述表面10过多的通常钝态的金属氧化物层18。步骤2(图I)的机加工可通过用硬质金属工具切削和磨削所述表面10而进行。硬质金属工具可包含例如由精细分散的钽、钛、钨或钒与碳以及熔融的钴或镍混合制成金属碳化物。作为另一种选择，可用含有铬、钨、钴或钒的高速钢来进行机加工。在另一个实施方案中，可利用在机加工所述基体12所述表面10而产生暗红热(dull-red heat)时依然坚硬的任何金属工具进行机加工。在方法8 (图I)的步骤4，活化材料的粉末颗粒14被喷砂到表面10。这里所用术 语喷砂涉及钎焊前的表面处理方法，其中活化材料的颗粒14轰击在金属基体12的表面10上。选择活化材料以在接下来钎焊温度下的钎焊处理中，活化材料分解为其组分并发生反应以破坏或溶解金属氧化物层18，改善钎焊表面10的流动性和润湿性能。在一个优选的实施方案中，为提高钎焊温度下的反应活性，活化材料为碳化硅(SiC)。作为另外一个选择，活化材料可包括例如氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)或任何可在钎焊温度下与所述氧化物层18反应的其它材料。在一个示例性实施方案中，在图I的步骤4，所述活化材料的颗粒14可在一定压力下被推动并冲击在所述金属基体12的表面10上。颗粒14可由压缩空气推动。或者，压缩空气可换成任何其它压缩气体或加压流体，以便使所述颗粒14沉积在金属基体12的所述表面10上。再或者，除所述活化材料16之外，加压流体或压缩气体也可在钎焊温度下与氧化金属层18反应。在一个优选的实施方案中，喷砂的压强维持在3巴至6巴之间可使喷砂 颗粒14在表面10上实现最佳沉积效果。图I的步骤6涉及在钎焊温度下用填充材料16润湿金属基体12的喷砂面10。填充材料16具有通常为金属的组成，包括例如镍和/或铁。然而，填充材料16可另外包含硼或磷或硅或其组合，其可帮助降低填充材料的熔点并提高润湿性能。一定量的硼或磷或硅的组合可能只够降低所述填充材料16的熔点，使得所述填充材料18在所述钎焊温度下熔融。填充材料16被加热到足够熔化填充材料的钎焊温度，并与先前喷砂处理的表面10接触。当热填充材料16与表面10接触时，发生金属溶剂作用，其中填充材料溶解并渗入表面10。该金属溶剂作用被称为润湿。本发明的技术效果为在钎焊温度下，活化材料的粉末颗粒14发生反应以破坏或溶解氧化物层18，从而填充材料16帮助润湿表面10，其通过降温形成钎焊表面。在一个优选的实施方案中，钎焊温度保持在900°C至1260°C之间。图3A表示经过传统钎焊后所述金属基体12的钎焊表面20的组织，其中未进行预先的表面喷砂处理。如图3A所示，钎焊表面10的组织包括由于表面10未充分润湿而产生的脆性多孔结构22。多孔结构22降低了钎焊表面20的强度和电性能。图3B表示依照本发明的钎焊后所述金属基体12的钎焊表面20的组织，其中包括上面讨论过的钎焊前的表面喷砂处理步骤。可以看出，在这种情况下钎焊表面20的组织具 有减少了的多孔结构24，其保持了钎焊表面的强度和电性能。由于在润湿过程中所有所述活化材料的颗粒均被用于溶解所述氧化物层，钎焊表面20亦不含有任何剩余活化材料。
权利要求
1.一种钎焊金属基体(12)的表面(10)的方法(8)，所述表面(10)包含通常钝态的金属氧化物层(18)，所述方法包含 -将活化材料的粉末状颗粒(14)喷砂到所述表面(10)上，和-在钎焊温度下用填充材料(16)润湿所述金属基体(12)的所述喷砂过的表面(10)，其中所述活化材料在所述钎焊温度下与所述金属氧化物层(18)进行反应。
2.根据上述权利要求的所述方法(8)，其包含 -在所述喷砂前，通过机加工所述金属基体(12)而活化所述金属基体(12)。
3.根据上述权利要求的所述方法，其中所述活化材料为碳化硅(SiC)。
4.根据上述权利要求所述方法(8)，其中将活化材料的所述粉末状颗粒(14)的所述喷砂到所述表面(10)上是在3巴至6巴的压力范围下进行的。
5.根据上述权利要求所述方法(8)，其中所述钎焊温度在900°C至1260°C的范围内。
6.根据上述权利要求所述方法(8)，其中所述填充材料(16)包含硼、硅和磷中的至少一种或其组合。
7.根据上述权利要求所述方法(8)，其中所述填充材料(16)包含镍和铁中的至少一种。
8.根据上述权利要求所述方法(8)，其中所述金属基体(12)包含铝、或钛、或铬、或其组合。
全文摘要
一种钎焊金属基体(12)的表面(10)的方法(8)，所述金属基体具有通常钝态的金属氧化物层(18)，所述方法包含如下步骤通过使用硬质金属工具机加工所述金属基体(12)以活化所述金属基体(12)的所述表面(10)，将活化材料的粉末状颗粒(14)喷砂到所述表面(10)，并在钎焊温度下用填充材料(16)润湿金属基体(12)喷砂过的表面(10)，其中所述活化材料可在所述钎焊温度下与所述金属氧化物层(18)发生反应。
文档编号B23K1/20GK102802858SQ201180013981
公开日2012年11月28日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月18日
发明者塞巴斯蒂安·皮格特, 英戈·赖因肯斯迈尔 申请人:西门子公司