用于钎焊的预成型坯的制作方法

文档序号:11140673阅读:430来源:国知局
本发明涉及在使用中受到高温的制品的钎焊(brazing)和适合此用途的钎焊材料。本发明特别涉及铁基、铁铬基、镍基或钴基粉末制成的钎焊材料预成型坯,其具有使该预成型坯适合在自动化钎焊法中操作的性质。本发明还涉及制造钎焊预成型坯的方法以及钎焊方法。发明背景在现今工业中,为了降低成本和改进产品质量,对生产过程的自动化的需求不断提高。尤其在汽车工业中,自动化制造程度迅速提高。在钎焊技术中,另一显著趋势在于越来越多的钎焊接头承受高温、热气体、热气体腐蚀或强腐蚀介质。受这些趋势影响的物体的实例是不同种类的工业、船用或汽车部件。典型应用领域是在内燃机中,其中废气排放法规EU6已影响例如用于汽车用途的热交换器和例如其生产中使用的钎焊材料的性质。对于这些应用领域,通过铜或铜合金片的模冲形成的传统铜基钎焊材料具有不足以耐受存在的高温、腐蚀性和机械负荷环境的性质。适用于这些用途的钎焊合金通常基于铁、铁-铬、镍或钴。不同于完整性和强度高到足以在自动化钎焊线中操作的由模冲铜合金制成的钎焊预成型坯,铁基、铁-铬基、镍基或钴基钎焊合金不容易以具有所需形状的金属片的形式提供。钎焊预成型坯之前在各种用途中已知,例如用于例如EP0565750A1中描述的铜钎焊(brazewelding)。此申请揭示了形成用于铜钎焊的预成型元件的方法,该预成型坯含有熔剂粉、钎焊合金粉末和有机粘合剂。通过 所述方法获得的预成型元件据说具有任何几何并可用于任何火焰焊接、感应焊接、电阻焊接或炉焊接法,借此将焊接材料(钎焊合金)熔融以将含铁或非铁金属部件(管接头等)连接在一起。如上所述,铁基、铁-铬基、镍基或钴基钎焊材料难以以铸造金属或片材的形式获得,因为容易形成硬质和脆性相。此类材料通常通过熔融金属流的雾化,优选通过气体雾化制成,以产生大致细的球形粉末。会产生更不规则粉末形状的水雾化在通过粉末压制(compaction)形成部件时更有益。但在制造钎焊粉末时无法使用水雾化,因为该方法与气体雾化相比产生氧含量高大约10倍的粉末。由气体雾化制成的钎焊粉末材料容易转化成的钎焊膏,但其在自动化钎焊线中操作时具有一些缺点。优选形状是通过大致球形的粉末的压制制成的刚性预成型坯;但由于该粉末的硬度和不合适的形状,迄今还不可能获得具有足够强度的此类预成型坯。概述本发明的发明人已经意外地发现对上述问题的解决方案并提供一种制造钎焊预成型坯的方法,其包括提供铁基、铁铬基、镍基或钴基球形钎焊粉末的步骤。将该钎焊粉末转化成适合压制成所需预成型坯的附聚粗粉并从压制模具中推出该预成型坯,该预成型坯具有足以使它们在自动化钎焊线中操作的完整性和强度。任选地,如果需要更高强度,在从压制模具中推出后,可以将该预成型坯热处理或施以烧结过程。本发明还提供预成型坯本身和使用该钎焊预成型坯的钎焊法。详述本发明中所用的粉末是铁基、铁铬基、镍基或钴基钎焊粉末,即含有与其它合适的合金元素形成合金以为钎焊金属提供所需机械性质和耐腐蚀性的铁、铁和铬、镍或钴作为主要组分、熔点下降剂和为熔融钎焊材料提供所需可流动性的元素的粉末。其它合适的合金元素的实例是铬、钼、 锰、钴、钒、铌、碳。也可充当所需合金元素和在钎焊过程中提供所需可流动性的元素的典型熔点下降剂是碳、磷、硅、硼、锰和硫。此类粉末适用于钎焊在使用中受到其中已知的铜或铜合金钎焊材料无法胜任的高温、即300℃或400℃以上的温度的组件。本发明的实施方案包括和11-35重量%铬、0-30重量%镍、2-20重量%铜、2-6重量%硅、4-8重量%磷、0-10重量%锰和至少20重量%铁形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质的铁铬基粉末。本发明的实施方案包括和6-8重量%铬、2.75-3.5重量%硼、4-5重量%硅形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质的镍基钎焊粉末。镍基钎焊粉末的另一些实例和18.5-19.5重量%铬、9.75-10.50形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。镍基钎焊粉末的另一些实例和13-15重量%铬、9.7-10.5重量%磷形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。镍基钎焊粉末的另一些实例和27.5-31.5重量%铬、5.6-6.4重量%磷、3.8-4.2重量%硅形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。本发明的实施方案包括和18-20重量%铬、0.7-0.9重量%硼、7.5-8.5重量%硅、3.5-4.5重量%钨、0.35-0.45重量%碳、最多1重量%铁形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质的钴基钎焊粉末。本发明的实施方案包括如上所述的合金粉末之间的混合物,以及如上所述的合金粉末和不锈钢粉末316L、铜粉末、青铜粉末或钼粉末之间的混合物。本发明中所用的粉末的粒度低于355微米。(在本申请中,“低于...的粒度”是指98重量%的粒子具有低于该值的粒度)。在一个实施方案中,该粉末的粒度低于212微米。在另一实施方案中,该粉末的粒度低于150微米。在另一实施方案中,该粉末的粒度低于150微米且平均粒度为70-120 微米。在另一实施方案中,该粉末的粒度低于150微米并具有70-120微米的平均粒度。在另一实施方案中,该粉末的粒度低于106微米并具有40-70微米的平均粒度。根据本发明的另一实施方案,该粒度通常低于63微米,具有20-50微米的平均粒度。通过根据SS-EN24497的标准筛分析或通过根据SS-ISO13320-1的激光衍射测量该粒度分布。该粒子的形状为大致球形或圆形。用辅以用于图像分析的LeicaQWin软件的光学显微镜测得的圆度通常低于2——通过下列公式计算;圆度=周长2/4∏*面积*1.064,(1.064是校正系数)圆度值1相当于完美圆形,而无穷大的值相当于线。优选的铁铬基粉末和11-35重量%铬、0-30重量%镍、2-20重量%铜、2-6重量%硅、4-8重量%磷、0-10重量%锰和至少20重量%铁形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。粒度分布通常低于63微米,具有20-50微米的平均粒度。优选的镍基粉末和27.5-31.5重量%铬、5.6-6.4重量%磷、3.8-4.2重量%硅形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。粒度分布通常低于63微米,具有20-50微米的平均粒度。为了获得足够的粉末性质,即能使该粉末以足够的填充速率均匀填充模腔并有效并入合适的粘合剂以赋予该钎焊预成型坯完整性和强度的流动和表观密度,在附聚过程前加入附聚粘合剂。可以以总粉末和粘合剂混合物的0.1-5重量%,优选0.5-3重量%,最优选0.5-2重量%的添加量使用任何合适的水溶性粘合剂。合适的水溶性粘合剂的实例是聚乙烯醇、具有1500至35000的分子量的聚乙二醇、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、丙烯酸酯或明胶。优选的水溶性粘合剂是聚乙烯醇。此外,可以加入非水溶性粘合剂,如聚酰胺、聚酰胺 低聚物或聚乙烯。水溶性粘合剂和非水溶性粘合剂的总量为总粉末和粘合剂混合物的0.1-5重量%,优选0.5-3重量%,最优选0.5-2重量%。附聚法可以是喷雾或冷冻附聚法。优选的附聚法是冷冻附聚法。所得附聚物应具有低于1毫米的附聚物粒度。在一个实施方案中,附聚物粒度低于500微米。在另一实施方案中,附聚物的粒度低于500微米,且中值粒度为50-180微米,优选75-150微米。附聚物的形状是大致球形的。任选地,可以在压制前将非水溶性粘合剂添加到附聚粉末中。在这种情况下,粘合剂的总量也在水溶性粘合剂和非水溶性粘合剂的总量的上述区间内。将该附聚粉末装填在合适的模具中并在高于300MPa,优选400MPa至1000MPa的压制压力下压制成钎焊材料预成型坯到至少3.5克/立方厘米,优选至少4克/立方厘米,更优选至少4.5克/立方厘米或再更优选至少5.0克/立方厘米的密度。该压制压机可以是任何单轴机械、水力或电驱动的压制压机。可任选对推出的钎焊金属预成型生坯施以热处理或烧结过程。优选的热处理过程包括将该预成型坯加热到高于有机粘合剂的软化点但低于其分解温度的温度的步骤。对聚酰胺或酰胺低聚物而言,该温度为200℃至350℃,优选225℃至300℃。对聚乙烯醇而言,优选温度区间是125℃至200℃。优选的烧结过程包括在保护性气氛中,如在真空中或在氮气中将该预成型坯加热到低于该材料的液相线温度的温度的步骤。应该选择该钎焊金属预成型坯的重量以向待钎焊的组件提供足够的钎焊金属并提供允许自动化操作的形状和强度。根据SS-EN23995中描述的方法的生坯强度应为至少0.5MPa,优选至少1MPa,最优选至少2MPa。为了钎焊需要环形预成型坯的组件,以厘米计的半径与以克计的重量 之间的比率优选使得重量高于0.48*半径以获得足够的预成型坯强度。因此,本发明的制造钎焊预成型坯的方法包括:1.包含下列步骤的制造钎焊预成型坯的方法:-提供具有低于355微米的粒度的铁基、铁铬基、镍基或钴基钎焊粉末,-将所述粉末与0.1-5重量%,优选0.5-3重量%,最优选0.5-2重量%的选自聚乙烯醇、具有1500至35000的分子量的聚乙二醇、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、丙烯酸酯或明胶的水溶性粘合剂混合并任选添加和混入选自聚酰胺、酰胺低聚物和聚乙烯的非水溶性粘合剂,粘合剂总量为0.1-5%,优选0.5-3%,-对所述混合粉末施以附聚过程以产生具有低于1毫米的附聚粒度的附聚粉末,-任选添加选自聚酰胺、酰胺低聚物和聚乙烯的非水溶性粘合剂,粘合剂总量为0.1-5%,优选0.5-3%,-在单轴压制过程中在至少300MPa的压力下将所得附聚粉末压制到至少3.5克/立方厘米的密度,-任选热处理或烧结所述压坯,-回收所得压制预成型坯。在本发明的另一方面中,提供通过上述方法制成的钎焊预成型坯。在本发明的再一方面中,提供基于使用钎焊预成型坯的钎焊方法,其包括步骤:-提供根据上述方法制成的钎焊预成型坯,-将所述钎焊预成型坯施加到任何待钎焊的组件上,-组装所述待钎焊的组件和-对所述待钎焊的组件施以任何感应加热周期、真空钎焊法、电阻加热法或连续炉中钎焊法。在上述本发明的该另一方面的一个实施方案中,该钎焊方法用于钎焊在使用中受到高于300℃,优选高于400℃的温度的组件。实施例下列实施例仅用于例示本发明但不应限于此。实施例1将大约1千克球形镍基钎焊粉末与根据表1的各种量的具有大约50000的分子量的完全水解聚乙烯醇(PVOH)混合。该镍基钎焊粉末和29.5重量%铬、5.9重量%磷、4.1重量%硅形成合金并进一步含有低于2重量%的不可避免的杂质。该粉末的粒度低于63微米且中值粒度为20-50微米。样品ABCDPVOH的重量%0.50.513表1在液氮中对该混合样品进一步施以冷冻附聚过程以产生具有小于500微米的粒度和大约120微米的中值粒度的球形附聚物。在减压下进一步对所得附聚物施以冻干步骤。将样品B的附聚物进一步与1%酰胺低聚物(来自Arkema的3501)混合。作为参考材料,通过将非附聚球形镍钎焊粉末与分别2%和3%的3501混合,制备Ref1和Ref2样品。由样品A-D、Ref1和Ref2制成的圆盘在600MPa的压制压力下压制成具有25毫米直径和3毫米高度的圆盘。评估附聚和非附聚粉末的流动性质,即该粉末均匀填充模腔的能力,并评估所得压制圆盘的强度。结果显示在表2中。样品ABCDRef1Ref2PVOH的重量%0.50.513--低聚物的重量%-1--23流动性质良好良好良好良好无流动无流动压制圆盘的强度可接受良好良好良好可接受良好表2表2表明,甚至在0.5重量%的PVOH下,也获得压制圆盘的可接受的强度。参考样品无一表现出可接受的流动性质。实施例2根据实施例1的方法制备基于实施例1中所用的粉末的冷冻附聚样品。在附聚过程后,将一些样品进一步与根据实施例1的酰胺低聚物混合。下表3显示所用粘合剂。样品EFGHPVOH的重量%0.520.51低聚物的重量%--13表3具有55毫米外径、47毫米内径和3毫米高度的环形预成型坯在600MPa的压制压力下压制。评估所得环形预成型坯的强度和操作性质。还通过将预成型坯放置在316L不锈钢1.0mm钢板上、在真空炉下将该预成型坯和板加热到1080℃的温度(此时所有钎焊材料已熔融)来评估样品的钎焊性质。检查冷却样品的钎焊外观,如可流动性,即钎焊材料在熔融态下覆盖钢板的能力和冷却后的钎焊的视觉外观。表4表4表明所有样品都有效。对一些用途而言,在钎焊后的含碳残留物可能可接受,但样品G和H的钎焊试验表现出略差的钎焊外观。实施例3通过在600MPa的压制压力下压制样品A-D制造根据SS-EN23995的生坯强度样品。所得生坯强度和密度显示在表5中。样品ABCDPVOH的重量%0.50.513附聚后添加的低聚物的重量%-1--生坯强度MPa0.91.72.64.3密度克/立方厘米5.355.385.375.38表5表5表明所有样品表现出高于0.5MPa的生坯强度。当前第1页1 2 3 
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