專利名稱：銅焊材料和由其制造的銅焊產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過銅焊連接部件的鐵基銅焊材料。本發(fā)明還包括一種通過采用本發(fā)明的鐵基銅焊材料銅焊鐵基材料制成的部件來制造的銅焊產(chǎn)品。
不同的鋼或者鐵基材料通常是通過采用Ni、Ag或者Cu焊接材料進行銅焊來連接的。
銅焊是一種用于固定/連接的方法，其溫度低于要被固定/連接的部件的基材的固線溫度。
銅焊材料由用于連接和固定的材料構(gòu)成，其在銅焊工藝中完全或者部分熔化。
US4135656涉及一種Ni基合金，其含有基于重量百分比的19-23％Mn、5-8％Si、4-6％Cu，0.6～1.8％B和剩余為除了少量其他元素的Ni。US4314661記載了另一種Ni基合金，其含有以原子百分?jǐn)?shù)計的0-4％Fe、0-21％Cr、0-19％B、0-12％Si、0-22％P和剩余為Ni。
當(dāng)采用Cu焊接時，通常使用純的或者基本上純的Cu。這種純的銅焊材料具有充分確定的熔點，而Ni銅焊材料的熔點視情況而定，因為Ni銅焊材料是一般具有熔點間隔的合金。
當(dāng)連接板式換熱器中的不銹鋼板時，通常使用銅焊材料。但是銅并不適用于所有的用途。使用銅的銅焊材料用于食品用途是被不允許的，但是，它可以在用于分區(qū)供暖和用于自來水設(shè)施的板式換熱器中使用。
用鎳的銅焊材料連接的換熱器用在許多用途中，也被允許用于有限數(shù)量的食品用途中。
如果將含有鎳合金的銅焊材料用于鐵或者非鎳基材料的部件的連接，銅焊焊點的組成與這種被連接的材料的組成明顯不同。這可能導(dǎo)致在化學(xué)上和機械性質(zhì)上產(chǎn)生不利的差異。
本發(fā)明提供通過銅焊的方式連接部件的可行性，該銅焊使用具有與用于制造產(chǎn)品的基材基本相同的組成的銅焊材料，其中銅焊材料含有降低其液線溫度的添加元素。因此，本發(fā)明提供生產(chǎn)如板式換熱器的設(shè)備的可行性，該換熱器通過使用本發(fā)明的銅焊材料可滿足食品用途的要求。本發(fā)明的特征主要在于其中銅焊由除了鐵之外含有以下成分的合金構(gòu)成以重量百分比計的0-40％Cr，優(yōu)選9-30％Cr，0-16％Mn，優(yōu)選0-8％Mn和進一步優(yōu)選0-5％Mn，0-25％Ni，0-1％N和最多7％Mo和低于6％Si和/或0-2％B，優(yōu)選0-1.5％B和/或0-15％P，其中硼、磷和硅的組合或者分別加入降低了液線溫度，即銅焊材料完全熔化的溫度。該銅焊材料中的鐵含量合適地為至少50％。本發(fā)明的銅焊材料通常必須含有Fe和Cr。
為了獲得所需的熔點降低，B和/或P和/或Si的有效操作量應(yīng)在上述給出的區(qū)間內(nèi)。但是Si的分析量可能相當(dāng)高，這是由于Si可能以例如碳化硅或者氮化硅的狀態(tài)存在，與氧成鍵或者以其他方式被燒結(jié)。由于同樣的原因，B或P的分析量也可以較高。
鐵基銅焊材料可以含有合金元素，如Ti、W、Al、Cu、Nb、Ta、V和其他元素。組成的改變也可能是不可避免的少量雜質(zhì)元素如C、O和S造成的。
降低熔點的元素按下式的量加入到銅焊材料中是有利的指數(shù)＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指數(shù)的值應(yīng)該為4.5-18。
鐵基銅焊材料有利地是通過氣霧化或者水霧化具有上述組成的鐵錠或者壓碎這種鐵錠來制造。另一用于制造的有利方法是熔體紡絲。
本發(fā)明還包括通過將鐵基部件銅焊在一起來制造的銅焊產(chǎn)品，由此，這種產(chǎn)品的特征在于采用鐵基銅焊材料連接部件，該鐵基銅焊材料是含有降低液線溫度的元素如B和/或P和/或Si的合金。鐵基銅焊材料的組成具有主權(quán)利要求所述的組成是有利的。
在銅焊產(chǎn)品中的鐵基部件和鐵基銅焊材料都含有9-30％的Cr是有利的。
銅焊產(chǎn)品對用于至少兩種熱交換流體的銅焊板式換熱器是有利的，其中該銅焊板式換熱器包括至少一個通過將多個許多鐵基材料構(gòu)成的薄壁換熱板用鐵基材料銅焊在一起而制造的板式裝置。該換熱板在其間界定用于換熱流體的板間空間。所獲得的銅焊焊點具有接近鐵基銅焊材料的組成的金相組成，在銅焊焊點中和周圍具有與鐵基板材相比局部較高量的B、P、Si。
為了銅焊鐵基材料，通常使用上文提到的Cu或者Ni銅焊材料。出乎意料地是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以以具有與希望連接的部件中的材料組成相同的基底材料為原料。通過使這種材料與硅和/或硼和/或磷形成合金，可以獲得功能良好的銅焊材料。通過研究純鐵和Si、B和P的兩相相圖，可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Si合金在Si約為19％時具有1212℃的熔點最低值。對于Fe-B合金來說，在B約為4％時，熔點最低值約為1174℃。在Fe-P體系中，在P約為10％時熔點最低值約為1048℃。
在大多數(shù)情況下，不使用純鐵材料而使用除了鐵之外還含有比較大量的Cr和Ni的合金。在許多合金中，還有Mo和Mn。通過使用相圖，以在理論上呈現(xiàn)在這些合金中加入不同量的硼和/或磷和/或硅的效果幾乎是不可能的，這是因為維數(shù)會像合金中的元素數(shù)目一樣大。
為了獲得銅焊焊點，銅焊材料的液線溫度應(yīng)該低于1230℃，優(yōu)選低于1200℃。
出乎意料地是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，組合或者單獨加入較低量的硅、硼或者磷可以降低可以獲得合適的銅焊材料的液線溫度。
在下面的表中，給出了本發(fā)明銅焊材料組成的不同實施例。
表1一些熔體的組成分析
所表示的余量(剩余部分)是指熔體中的剩余材料由Fe構(gòu)成。
將樣品在1190℃的溫度下進行銅焊。試驗銅焊該樣品的視覺檢查的結(jié)果是所有樣品熔融并且獲得銅焊焊點，對于所有焊點也都獲得了機械強度。
本發(fā)明的銅焊材料適合以粉末或者箔的形式制備。粉末可以通過生產(chǎn)錠，然后將其壓碎或者研磨來制造。該制造方法利用了這種材料的易碎性。鑄錠的缺點是一定程度的偏析危險可能產(chǎn)生具有熔點間隔的非均質(zhì)材料，該間隔難以界定或者很寬。對于較小的鑄錠和/或快速冷卻，偏析的危險減少。在鑄錠中，重要的是通過利用真空澆鑄或者采用屏蔽氣體進行澆鑄來使與空氣的接觸最小。機械處理的結(jié)果使得銅焊材料的能量含量提高，進而其反應(yīng)性提高。
其他用于制造具有均質(zhì)組成的粉末的方法包括水霧化或者氣霧化。粉末的性質(zhì)隨制備方法而改變。壓碎和研磨顆粒是有角并且有尖的，水霧化的為結(jié)節(jié)狀，氣霧化的幾乎為球狀。顆粒形狀的不同在用于銅焊時賦予銅焊材料一定程度的不同性質(zhì)。通過選擇不同的霧化方法和由篩選組合的壓碎/研磨的程度，可以控制粒徑的分布。在水霧化中，氧含量通常較高，這是由于水霧化比氣霧化產(chǎn)生較高的氧潛能。較高的氧含量可能引起在該材料中形成氧化物，這對銅焊焊點的機械性質(zhì)有不利影響。由此降低了Si和/或B和/或P在銅焊材料中的有效百分比，這意味著熔點間隔的位移。
通過熔體紡絲由金屬熔體制造箔可以通過將金屬熔體在冷表面上以可以形成例如箔的方式直接冷卻來進行。在常規(guī)連續(xù)箔生產(chǎn)中，該冷表面由銅或者銅合金制造的冷輥構(gòu)成。在通常加入硼的情況下，也可以得到無定型的箔。
本發(fā)明的銅焊材料可以用于希望通過不同方法獲得銅焊焊點的地方。通過所述的任何方法制造的銅焊材料的粉末可以懸浮在一些粘合劑中，以期以合適的方法應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.用于通過銅焊連接部件的鐵基銅焊材料，其特征在于該銅焊材料由除了鐵之外含有下面成分的合金構(gòu)成以重量百分比計的0-40％Cr，優(yōu)選9-30％Cr，0-16％Mn，優(yōu)選0-8％Mn和進一步優(yōu)選0-5％Mn，0-25％Ni，0-1％N和最多7％Mo，低于6％Si，和/或0-2％B，優(yōu)選0-1.5％B和/或0-15％P，其中硼、磷和硅的組合或者分別加入降低了液線溫度，即銅焊材料完全熔化的溫度。
2.權(quán)利要求1的鐵基銅焊材料，其特征在于按根據(jù)下式的量在銅焊材料中加入熔點降低元素指數(shù)＝％P+1.1×％Si+3×％B，其中指數(shù)的值應(yīng)該為4.5-18。
3.權(quán)利要求1到2的鐵基銅焊材料，其特征在于該銅焊材料通過對具有上述組成的錠進行氣霧化或者水霧化或者壓碎，或者對具有該組成的熔體進行熔體紡絲來制造。
4.上述任意一項權(quán)利要求的鐵基銅焊材料，其特征在于該銅焊材料含有0-20％的Hf和/或0-2％的C。
5.通過銅焊鐵基部件制造的銅焊產(chǎn)品，其特征在于通過鐵基銅焊材料連接該部件，所述鐵基銅焊材料是與降低液線的元素如B和/或P和/或Si的合金。
6.權(quán)利要求5的銅焊產(chǎn)品，其特征在于鐵基部件和鐵基銅焊材料都含有9-30％的Cr。
7.權(quán)利要求6的銅焊產(chǎn)品，其特征在于該產(chǎn)品是用于至少兩種熱交換流體的板式換熱器，該板式換熱器包括至少一個通過將多個鐵基材料制成的薄壁換熱板用鐵基銅焊材料銅焊在一起而制造的板式裝置，所述換熱板在其間界定出用于所述換熱流體的板間空間，所獲得的銅焊焊點具有接近鐵基板材組成的金相組成，其在銅焊焊點中和周圍具有與鐵基板材相比局部較高量的B和/或P和/或Si。
全文摘要
一種用于通過銅焊來連接部件的鐵基銅焊材料是一種合金，其除鐵之外含有以重量百分比計的0－40％ Cr，優(yōu)選9－30％ Cr，0－16％ Mn，優(yōu)選0－8％ Mn和進一步優(yōu)選0－5％ Mn，0－25％ Ni，0－1％ N和最多7％ Mo，低于6％Si和/或0－2％B，優(yōu)選0－1.5％B和/或0－15％P，其中硼、磷和硅的組合或者分別加入降低了液線溫度，即銅焊材料完全熔化的溫度。一種銅焊產(chǎn)品通過用鐵基銅焊材料銅焊鐵基部件來制造，該鐵基銅焊材料與降低液線溫度的元素如B和/或P和/或Si構(gòu)成合金。
文檔編號B23K35/40GK1514758SQ02811430
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月5日
發(fā)明者P·E·舍丁, P E 舍丁 申請人:阿爾法拉瓦爾有限公司