專利名稱：一種釬焊材料及其制備方法以及用其進行釬焊的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于釬焊材料的制備方法及其應用，具體涉及一種應用于Ti(C，N)基金屬陶瓷與鋼焊接的釬焊材料及其制備方法以及用其進行焊接 的方法。
背景技術：
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對材料性能的要求越來越苛刻，在很多場合下金屬 材料已經不能滿足需求。與之相比，金屬陶瓷材料具有一系列優(yōu)良的物 理和化學性能，如良好的高溫強度、高硬度和優(yōu)良的耐腐蝕性。但由于 金屬陶瓷材料的脆性、不可變形性和加工性能差，難以制造結構復雜的 金屬陶瓷零件，故大尺寸和結構復雜的金屬陶瓷零件，采用連接技術是 不可避免的。通過連接技術可以實現(xiàn)低成本制造形狀復雜、多組分部件， 同時還可以提高金屬陶瓷結構的可靠性。因此金屬陶瓷材料的連接技術 已成為近年來材料連接領域的一個重要研究課題。Ti(C,N)基金屬陶瓷是一種顆粒型復合材料，是在TiC基金屬陶瓷的基 礎上發(fā)展起來的新型金屬陶瓷。Ti(C,N)基金屬陶瓷具有高硬度、耐磨、 耐氧化、耐腐蝕等一系列優(yōu)良綜合性能，它在相同硬度時耐磨性高于 WC-Co硬質合金，其密度卻只有硬質合金的一半。因此，Ti(C,N)基金屬陶 瓷已被廣泛用作工具材料。這種新型金屬陶瓷工具材料的廣泛應用是以 其成功的連接技術為前提的，但由于Ti(C,N)基金屬陶瓷屬于脆性材料， 熔點比金屬高，其線膨脹系數(shù)與金屬相差較大,使得Ti(C,N)基金屬陶瓷與 金屬焊接后接頭中的殘余應力很高，加之與金屬的相容性較差，使得 Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的焊接性較差，國內外對于Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬的連接技術研究較少，缺乏合適的釬焊材料且存在連接強度不高等問題，限制了Ti(C,N)基金屬陶瓷材料在工業(yè)生產中的廣泛應用。目前， 對Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬焊接的方法包括真空電子束焊、激光焊、真 空擴散焊和釬焊等連接技術，其中釬焊、擴散焊連接方法比較成熟，應 用較廣泛，對Ti(C，N)基金屬陶瓷與鋼進行釬焊連接己取得了一些進展， 李先芬等對Ti(C，N)基金屬陶瓷與45鋼采用銅基、銀基釬焊材料分別進行了火焰釬焊試驗和在氬氣保護爐中釬焊試驗，獲得的接頭最高剪切強度 為114MPa,平均剪切強度為51MPa，但釬焊連接強度普遍不高，且連接質 量不穩(wěn)定；見李先芬、丁厚福、徐道榮、劉寧、許育東，"Ti(C，N)基金 屬陶瓷與45號鋼釬焊的試驗研究"熱加工工藝，2003.(2):24。發(fā)明內容本發(fā)明提供一種釬焊材料，同時提供其制備方法以及用其進行釬焊 的方法，解決現(xiàn)有Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬連接中存在的連接強度和工 作溫度偏低的問題，實現(xiàn)Ti(C，N)基金屬,瓷與鋼的牢固連接，且使連接 接頭具有較好的連接強度和較高的工作溫度。本發(fā)明的一種釬焊材料，包含Cu、 Ag、 Zn、 Ni成分，其特征在于 其還包含Ti和Si;所述各成分質量百分比為40《Cu《45， 20《Ag《25， 2KZn《23， 5《Ni《10， KTi《3, KSi《5;各成分混合、壓制成型、經燒結、退火軋制成釬焊材料薄片。本發(fā)明的釬焊材料制備方法，包括(1) 混合步驟將Cu、 Ag、 Zn、 Ni、 Ti和Si金屬粉末按所述質量 百分比放入行星球磨機中混合球磨，得到合金粉末；(2) 成型步驟將合金粉末采用模壓壓制成型，壓力為450 550Mpa;(3) 燒結步驟對壓制成型的壓坯采用真空燒結或保護氣氛燒結，燒結溫度75(TC 80(TC，燒結時間15 30min;(4) 軋制步驟燒結體退火軋制成釬焊材料薄片。 所述的釬焊材料制備方法，其特征在于所述混合步驟中，Ag、 Cu金屬粉末粒度為200目，Zn、 Ni、 Ti、 Si金屬粉末粒度為300目，在行星球磨機中混合球磨60 120min。本發(fā)明的釬焊材料進行釬焊的方法，包括(1) 焊前準備步驟用金相砂紙打磨金屬陶瓷、鋼待焊接表面以及釬焊材料薄片，再將它們放在丙酮溶液中進行超聲波清洗，最后用酒精沖洗并吹干；(2) 裝配步驟將待焊接的金屬陶瓷、鋼互相搭接，搭接部位放置釬焊材料薄片，搭接部位上放置質量為100 150g的壓塊，再將所述各 部件放入真空加熱爐中；(3) 升溫步驟真空加熱爐升溫，升溫速率為10 15°C/min，升溫 至250 300。C保溫20 30 min;再升溫至500 550。C保溫20 30 min， 升溫至釬焊溫度80(TC 100(rC，保溫10 15min;真空度小于5 X l(T2Pa;(4) 降溫步驟真空加熱爐從釬焊溫度降溫到350 40(TC保溫60 120min，降溫速率8 l(TC/min，溫度降到IO(TC后，自然冷卻至室溫后 出爐。本發(fā)明在銅基釬焊材料的基礎上添加鎳和鈦元素，改善釬焊材料對 Ti(C，N)基金屬陶瓷的潤濕性，采用粉末冶金方法制備該種釬焊材料，并 選擇合理的釬焊工藝提高Ti(C，N)基金屬陶瓷與鋼釬焊接頭的連接強度。以本發(fā)明制備的釬焊材料及釬焊工藝成功實現(xiàn)了Ti(C,N)基金屬陶瓷 與鋼的牢固連接，接頭最大剪切強度達到268.5MPa，平均剪切強度達到 240.9MPa，這是迄今為止Ti(C，N)基金屬陶瓷與鋼連接接頭的最高剪切強 度。


圖1為釬焊各部件裝配結構示意圖；圖2為釬焊方法實施例1中升溫和降溫步驟的工藝曲線。
具體實施方式
以下結合實施例進一步說明本發(fā)明的技術工藝及過程。制備方法實施例l-(1)按質量百分比Cu45%， Ag25%， Zn23%， Ni 5%， Ti 1%， Sil%，稱取均為200目的Ag、 Cu粉，300目的Zn、 Ni、 Ti、 Si粉，在 行星球磨機中進行球磨混合60min，球料比5: l，球磨機轉速為200r/min 300r/min,得到合金粉末。(2)將球磨后的合金粉末使用粉末成形壓力 機壓制得到壓坯，壓力為450Mpa; (3)釬焊材料壓坯采用真空燒結， 燒結的溫度選擇在750'C左右，并保溫15min，得到厚度大約為1 3mm 的釬悍材料片；(4)然后退火軋制成厚度為0.2mm左右的釬焊材料薄片。制備方法實施例2: (1)按質暈百分比..Cu43%， Ag23%， Zn21%， Ni 8%， Ti 2%， Si3%，稱取均為200目的Ag、 Cu粉，300目的Zn、 Ni、 Ti、 Si粉，在 行星球磨機中進行球磨混合90min，球料比5: l，球磨機轉速為200r/min 300r/min，得到合金粉末。(2)將球磨后的合金粉末使用粉末成形壓力 機壓制得到壓坯，壓力為500Mpa; (3)釬焊材料壓坯采用真空燒結， 燒結的溫度選擇在780"C左右，并保溫20min，得到厚度大約為1 3mm的釬焊材料片；(4)然后退火軋制成厚度為0.2mm左右的釬焊材料薄片。 制備方法實施例3: (1)按質量百分比Cu40°/。， Ag20°/。， Zn22%， Ni 10%， Ti 3%， Si 5%，稱取均為200目的Ag、 Cu粉，300目的Zn、 Ni、 Ti、 Si粉，在 行星球磨機中進行球磨混合120min，球料比5: 1，球磨機轉速為 200r/min 300 r/min，得到合金粉末。(2)將球磨后的合金粉末使用粉 末成形壓力機壓制得到壓坯，壓力為550Mpa; (3)釬焊材料壓坯的燒 結采用真空燒結，燒結的溫度選擇在80(TC左右，并保溫30min，得到厚 度大約為l 3mm的釬焊材料片；(4)然后退火軋制成厚度為0.2mm左 右的釬焊材料薄片。釬焊方法實施例l:(1) 用電火花線切割的方法分別將Ti(C，N)基金屬陶瓷和45鋼切成35 mmX8 mmX6 mm試片，釬焊前，Ti(C,N)基金屬陶瓷和釬焊材料待連接 表面用金相砂紙打磨，隨后將連接試樣和釬焊材料片放在丙酮溶液中用 超聲波清洗15min，最后用酒精沖洗并吹干。(2) 釬焊連接在真空爐中進行。釬焊結構如圖l，釬縫寬度約為 0.2mm。釬焊時為了保證試樣和釬焊材料的良好接觸，在裝配好的試樣上 放置質量為100g的模具鋼壓塊。(3) 釬焊連接過程中真空度始終保持在5X10々P以下，升溫速率為 10°C/min，升溫到25(TC和500。C分別保溫20min，作為雙級預熱過程，然 后升溫至釬焊溫度80(TC后，保溫10min作為焊接時間，(4)開始降溫， 降溫到350"C時保溫60min,降溫速率8'C/min，當降溫到10(TC后隨爐冷卻 至室溫后出爐。升溫和降溫的工藝曲線如圖2所示。釬焊方法實施例2:(1) 用電火花線切割的方法分別將Ti(C,N)基金屬陶瓷和45鋼切成35 mmX8 mmX6 mm試片，釬焊前，Ti(C，N)基金屬陶瓷和釬焊材料待連接 表面用金相砂紙打磨，隨后將連接試樣和釬焊材料片放在丙酮溶液中用 超聲波清洗15min，最后用酒精沖洗并吹干。
(2) 釬焊連接在真空爐中進行。釬焊結構如圖l，釬縫寬度約為 0.2mm。釬焊時為了保證試樣和釬焊材料的良好接觸，在裝配好的試樣上 放置質量為120g的模具鋼壓塊。
(3) 釬焊連接過程中真空度始終保持在5X1(^P以下，升溫速率為 12°C/min，升溫到280'C和53(TC分別保溫25min，作為雙級預熱過程，然 后升溫至釬焊溫度85(TC后，保溫15min作為焊接時間，(4)開始降溫， 降溫到400'C時保溫120min，降溫速率9X:/min，當降溫到10(TC后隨爐冷 卻至室溫后出爐。
釬焊方法實施例3:
(1) 用電火花線切割的方法分別將Ti(C,N)基金屬陶瓷和45鋼切成35 mmX8 mmX6 mm試片，釬焊前，Ti(C,N)基金屬陶瓷和釬焊材料待連接 表面用金相砂紙打磨，隨后將連接試樣和釬焊材料片放在丙酮溶液中用 超聲波清洗15min，最后用酒精沖洗并吹干。
(2) 釬焊連接在真空爐中進行。釬焊結構如圖l，釬縫寬度約為 0.2mm。釬焊時為了保證試樣和釬焊材料的良好接觸，在裝配好的試樣上 放置質量為150g的模具鋼壓塊。
(3) 釬焊連接過程中真空度始終保持在5X10々P以下，升溫速率為 15°C/min，升溫至lj300。C禾口550。C分別保溫30min，作為雙級預熱過程，然 后升溫至釬焊溫度100(TC后，保溫12min作為焊接時間，(4)開始降溫， 降溫到380。C時保溫90min,降溫速率10。C/min，當降溫到100。C后隨爐冷 卻至室溫后出爐。
權利要求
1.一種釬焊材料，包含Cu、Ag、Zn、Ni成分，其特征在于其還包含Ti和Si；所述各成分質量百分比為40≤Cu≤45，20≤Ag≤25，21≤Zn≤23，5≤Ni≤10，1≤Ti≤3，1≤Si≤5；各成分混合、壓制成型、經燒結、退火軋制成釬焊材料薄片。
2. 權利要求1所述的釬焊材料制備方法，包括(1) 混合步驟將Cu、 Ag、 Zn、 Ni、 Ti和Si金屬粉末按所述質量 百分比放入行星球磨機中混合球磨，得到合金粉末；(2) 成型步驟將合金粉末采用模壓壓制成型，壓力為450 550Mpa;(3) 燒結步驟對壓制成型的壓坯采用真空燒結或保護氣氛燒結，燒結溫度75(TC 80(TC，燒結時間15 30min;(4) 軋制步驟燒結體退火軋制成釬焊材料薄片。
3. 如權利要求2所述的釬焊材料制備方法，其特征在于 所述混合步驟中，Ag、 Cu金屬粉末粒度為200目，Zn、 Ni、 Ti、Si金屬粉末粒度為300目，在行星球磨機中混合球磨60 120min。
4. 用權利要求1所述釬焊材料進行釬焊的方法，包括(1) 焊前準備步驟用金相砂紙打磨金屬陶瓷、鋼待焊接表面以及 釬焊材料薄片，再將它們放在丙酮溶液中進行超聲波清洗，最后用酒精沖 洗并吹干；(2) 裝配步驟將待焊接的金屬陶瓷、鋼互相搭接，搭接部位放置 釬焊材料薄片，搭接部位上放置質量為100 150g的壓塊，再將所述各部件放入真空加熱爐中；(3) 升溫步驟真空加熱爐升溫，升溫速率為10 15°C/min，升溫 至250 300。C保溫20 30 min;再升溫至500 550。C保溫20 30 min， 升溫至釬焊溫度800。C 1000。C，保溫10 15min;真空度小于5X10-2Pa;(4) 降溫步驟真空加熱爐從釬焊溫度降溫到350 40(TC保溫60 120min，降溫速率8 10。C/min，溫度降到IO(TC后，自然冷卻至室溫后 出爐。
全文摘要
一種釬焊材料及其制備方法以及用其進行焊接的方法，屬于釬焊材料的制備方法及其應用，解決現(xiàn)有Ti(C，N)基金屬陶瓷與金屬連接中存在的連接強度和工作溫度偏低的問題，實現(xiàn)Ti(C，N)基金屬陶瓷與鋼的牢固連接，且使連接接頭具有較好的連接強度和較高的工作溫度。本發(fā)明釬焊材料各成分質量百分比為40≤Cu≤45，20≤Ag≤25，21≤Zn≤23，5≤Ni≤10，1≤Ti≤3，1≤Si≤5。制備方法包括混合、壓制成型、燒結和軋制步驟，軋制成釬焊材料薄片。用釬焊材料進行釬焊的方法包括焊前準備、裝配、升溫和降溫步驟。本發(fā)明采用的釬焊材料和釬焊工藝成功實現(xiàn)了Ti(C，N)基金屬陶瓷與45鋼的牢固連接，接頭的最大室溫剪切強度達到268.5MPa，平均剪切強度達到240.9MPa。
文檔編號B23K1/008GK101327551SQ20081004793
公開日2008年12月24日 申請日期2008年6月5日 優(yōu)先權日2008年6月5日
發(fā)明者葉大萌, 姚振華, 楊青青, 熊惟皓, 峻 瞿, 肖建華 申請人:華中科技大學