一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其目的是實現(xiàn)鎢基粉末合金與鎢基粉末合金、鎢基粉末合金與鋼的可靠連接。該釬料以Cu、Ag作為基礎(chǔ)合金成分，根據(jù)元素的合金相圖和各種添加元素的作用機理，添加Ni、Nb和Zr元素構(gòu)成多元銅銀鎳鈮鋯釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/％)：銅(Cu)：60?80，銀(Ag)：10?30，鎳(Ni)：1?5，鈮(Nb)：1?5，鋯(Zr)0.1?0.5。
【專利說明】
一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，應(yīng)用于鎢基粉末合金 的釬焊以及鎢基粉末合金與其他金屬的釬焊，屬于焊接與連接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鎢基粉末合金是一種以鎢為硬質(zhì)相，以鎳、銅或鎳、鐵等為粘結(jié)相構(gòu)成的復(fù)合材 料，具有高導(dǎo)熱，高強度，高密度，高熔點，低熱膨脹系數(shù)，優(yōu)異抗蝕性、抗氧化性、抗沖擊韌 性以及良好的射線吸收能力等性能，在眾多工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如在軍工領(lǐng)域制造大口 徑、桿式動能穿甲彈彈芯材料，機槍脫殼穿甲彈彈芯，平衡配重與慣性元件，槍彈和艦炮彈 用的彈頭材料以及某些戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中的殺傷破片等;在機械加工領(lǐng)域制造鉆桿、連桿、刀夾、 刀桿、自動手表的擺錘、精密鑄造工藝的壓鑄模和擠壓模等。任何新材料的發(fā)展和應(yīng)用都離 不開二次加工，只有通過二次加工，才能使材料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品，而這個過程必需高效、低成本、 及時滿足市場需求。鎢基粉末合金具有很好的延性，可以進行乳制、旋鍛、鍛造、車、銑、刨、 車螺紋和攻絲等機加工，但是，由于其特殊的物理化學(xué)性能，焊接存在一定困難。這是因為 鎢基粉末合金導(dǎo)熱性極強，熔化焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象，焊接時要求采用能量密度高、 焊接熱輸入量大、焊接速度快的高效焊接技術(shù)與工藝。鎢基粉末合金線膨脹系數(shù)小，接頭中 會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，降低接頭的力學(xué)性能和抗熱震性能。鎢基粉末合金高溫下化學(xué)活性強， 300°C時表面失去光澤，500°C時表面氧化嚴重，焊接過程中接頭極易氧化、氮化、吸氫，焊縫 金屬晶粒粗大，焊接時要求采取保護措施。一些研究人員探索采用鎢極惰性氣體保護焊 (TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)焊接、激光焊接、摩擦焊、擴散焊和釬焊等工藝焊接鎢 基粉末合金材料。鎢極惰性氣體保護焊(TIG)和熔化極惰性氣體保護焊(MIG)的功率密度較 低，焊接過程中熱輸入量較大，焊接后熱影響區(qū)寬，焊縫晶粒粗大，導(dǎo)致接頭性能變差。激光 直接焊接鎢基粉末合金，焊接溫度高，遠遠超過鎢的再結(jié)晶溫度（1100 ± 5 °C )，晶粒長大的 速度很快，材料的力學(xué)性能明顯變脆。摩擦焊和擴散焊受到設(shè)備、工藝和接頭形式的限制只 能焊接小型部件和結(jié)構(gòu)簡單部件。使用普通的銀基和銅基釬料釬焊鎢基粉末合金，由于鎢 與銀、銅并不形成合金，釬焊效果并不理想，釬縫的強度受到影響，試驗結(jié)果表明，釬焊接頭 抗剪切強度低于200MPa。焊接加工技術(shù)作為開發(fā)新材料走向?qū)嵱没匾募庸し椒ǎ哂?靈活多樣，工藝簡便;在制造大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件時，可采用機械加工、鑄焊和鍛焊方法，化 大為小，化復(fù)雜為簡單，再逐次裝配焊接而成，是凈成形最佳制造工藝之一。由于鎢基粉末 合金焊接性差，只能通過機械加工制造結(jié)構(gòu)簡單的部件，很大程度上制約了其在大型結(jié)構(gòu) 復(fù)雜的部件開發(fā)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，實現(xiàn)鎢基粉 末合金與鎢基粉末合金、鎢基粉末合金與鋼的可靠連接。本發(fā)明所述的一種多元銅銀鎳鈮 鋯釬料，熔化溫度范圍800-900 °C，對鎢基粉末合金具有較好的潤濕性能。
[0004] 本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的：一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬 料，以銅銀作為釬料的基礎(chǔ)合金成分，添加 Ni、鈮和鋯元素構(gòu)成多元銅銀鎳鈮鋯釬料，釬料 合金成分按質(zhì)量百分比計(1以％):銅(〇1):60-80，銀以8) :10-30，鎳(附）：1-5，鈮(他）：1-5,鋯(Zr)0.1-0.5〇
[0005] 鎢基粉末合金具有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、耐熱沖擊性等特點，尤其是優(yōu)異的抗 高溫性能，通常都是利用其高溫性能制造耐高溫零部件，因此，鎢基粉末合金與鎢基粉末合 金、鎢基粉末合金與鋼極少采用軟釬焊進行連接。鎢與銅、銀在液態(tài)和固態(tài)下相互作用較 弱，使用普通的銀基和銅基釬料對鎢基粉末合金的潤濕性較差，釬焊接頭強度較低。試驗表 明，現(xiàn)有市售銀基釬料如銀銅錫、銀銅鋅、銀銅銦、銀銅鋅鎘和銀銅鈦等釬料，釬焊接頭室溫 抗剪強度普遍低于150-200MPa，高溫抗剪強度普遍低于100-130MPa(試驗溫度400°C)。為了 改善釬料的工藝性能（潤濕性、漫流性和填縫性等）、提高其物理、化學(xué)和力學(xué)性能，本發(fā)明 所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，采取了加入多元、微量合金元素的 方法。合金元素的選擇應(yīng)考慮以下幾個因素：（1)調(diào)整釬料合金系統(tǒng)熔化溫度范圍應(yīng)能控制 在800-1000 °C之間。鎢基粉末合金中鎢的再結(jié)晶溫度為1100±5°C，而且晶粒長大的速度很 快，釬焊溫度如果超過此溫度，材料明顯變脆。因此，在釬焊件工作溫度允許的情況下，釬焊 溫度盡量不要超過1100°C，這就要求釬料的液相線不能超過1000°C。（2)改善釬料的工藝性 能和提高釬焊接頭的力學(xué)性能。試驗研究發(fā)現(xiàn)，加入的合金元素如果能與被釬焊材料在液 態(tài)或固態(tài)下相互溶解或形成化合物，則釬料在液態(tài)下能夠潤濕母材，顯著提高釬焊接頭的 力學(xué)性能。（3)添加的合金元素應(yīng)具有熔點高、熱強度高和抗腐蝕性能等特點。
[0006] 本發(fā)明的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料是以Cu、Ag作為基礎(chǔ)合金 成分，添加 Ni、Nb和Zr元素構(gòu)成多元銅銀鎳銀錯釬料。Ni、Nb和Zr恪點高，抗腐蝕性能優(yōu)異， 與W在液態(tài)和固態(tài)下能相互溶解或形成化合物。根據(jù)Cu與Ag的合金相圖，含Cu量28(Wt/% )， 含Ag量72(Wt/%)，Cu與Ag形成二元共晶，共晶溫度780°C。隨著Cu、Ag二元合金中含Cu量增 加，合金液相線溫度提高。含Cu量增加到60(Wt/%)時，合金液相線溫度達到905°C;含Cu量 增加到80(Wt/%)時，合金液相線溫度達到970°C，如果釬料中的含Cu量超過80(Wt/%)，合 金液相線溫度超過l〇〇〇°C，釬焊溫度則將要超過1100°C，結(jié)果是鎢基粉末合金晶粒長大，材 料變脆。Cu、Ag作為基礎(chǔ)合金成分，釬料中的含Cu量應(yīng)控制在60-80 (Wt/ % )。根據(jù)W與Ni的合 金相圖，W和Ni形成有限固溶體，在1000°C時，W在Ni中最大溶解度為12(Wt/% )，但是室溫下 W在Ni中的溶解度較小，隨著釬料中含Ni量的增加，釬料的塑性和韌性降低。根據(jù)Cu與Ni的 合金相圖，Cu和Ni形成無限固溶體，隨著釬料中含Ni量的增加，也會使釬料固、液相線溫度 提高。根據(jù)W與Nb的合金相圖，W與Nb形成無限固溶體，媽是Nb的有效強化元素，但是隨著釬 料中含Nb量的增加，鎢基粉末合金釬焊接頭的塑性/脆性轉(zhuǎn)變溫度將上升，晶粒也顯著長 大。Zr是活性元素，釬料中加入Zr能降低釬料液/氣表面張力和釬料與鎢基粉末合金固/液 界面張力，有利于提高釬料與鎢基粉末合金的親和力，改善釬料對鎢基粉末合金的潤濕性。 根據(jù)W與Zr的合金相圖，室溫下W在Zr中的溶解度較低，形成β-Zr固溶體，含W量超過0.5 (Wt/% )，則形成W2Zr金屬間化合物；與此相反，室溫下Zr在W中的溶解度極低，隨著釬料中 含Zr量的增加，釬料的塑性和韌性降低，釬焊接頭變脆。本發(fā)明的一種釬焊鎢基粉末合金用 多元銅銀鎳鈮鋯釬料，根據(jù)各種添加元素的作用機理，在綜合考慮到釬料的成本、熔化溫度 范圍、工藝性能、物理、化學(xué)和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，對加入的合金元素進行性能試驗研究，控 制多元銅銀鎳鈮鋯釬料的熔化溫度范圍在800 - 1000°C之間，對鎢基粉末合金具有較好的 潤濕性能，確定多元銅銀鎳銀錯釬料合金成分，多元銅銀鎳銀錯釬料合金成分按質(zhì)量百分 比計(機/%):銅(&1) :60-80，銀(厶8):10-30，鎳(附）：1-5，鈮(他） ：1-5，鋯(2〇0.1-0.5。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，熔化溫度范圍在 800 - 1000°C之間，在保證釬焊件工作溫度允許的情況下，盡量提高釬料的熔化溫度和釬焊 接頭的再熔化溫度，保證釬焊接頭的耐高溫性能；同時又避免鎢基粉末合金中鎢的晶粒長 大。本發(fā)明所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料對鎢基粉末合金潤濕性 好，與鎢基粉末合金的親和力強，釬焊接頭抗剪切強度超過200MPa。
【附圖說明】
[0009] 圖1是多元銅銀鎳鈮鋯釬料對鎢基粉末合金潤濕性。
[0010] 圖2是多元銅銀鎳鈮鋯釬料釬焊鎢基粉末合金試件。
[0011] 注：由于附圖不能有顏色，用灰度表示了。
【具體實施方式】
[0012] 通過以下給出的實施例并結(jié)合附圖（圖1和2)對本發(fā)明方法作進一步具體闡述。
[0013] 圖1是多元銅銀鎳鈮鋯釬料對鎢基粉末合金潤濕性。
[0014] 圖2是多元銅銀鎳鈮鋯釬料釬焊鎢基粉末合金試件，由圖可見，多元銅銀鎳鈮鋯釬 料對鎢基粉末合金潤濕性極好，潤濕表面光潔，形成良好釬角。
[0015] 本發(fā)明所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，所用材料Cu、Ag、 Ni、Nb和Zr純度均為99.99%，通過對加入的合金元素進行性能試驗研究結(jié)果確定釬料合金 成分，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/% ):銅(Cu) :60-80,銀(Ag): 10-30,鎳(Ni): 1-5， 鈮(Nb): 1-5，鋯(Zr)0.1-0.5;按試驗設(shè)計配比組成稱取Cu、Ag、Ni、Nb和Zr放入陶瓷坩堝，再 將坩堝置于真空熔煉爐中加熱并熔化制備成多元銅銀鎳鈮鋯釬料。熔煉溫度應(yīng)控制在 1150 -1200°C范圍，保溫時間10分鐘，并充分將合金元素攪拌均勻。用上述方法冶煉釬料， 成分均勻，釬料總燒損系數(shù)小于0.1 %。按國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 11364-2008釬料潤濕性試驗方 法》和《GB/T 11363-2008釬焊接頭強度試驗方法》測定了釬料的潤濕性能和接頭抗剪切強 度。
[0016] 本發(fā)明所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，達到的技術(shù)指標(biāo)： (1)熔化溫度范圍：812 - 978 °C ; (2)潤濕性良好：對鎢基粉末合金的潤濕面積達到130_ 150mm2; (3)釬焊鎢基粉末合金接頭抗剪強度為235-245Mpa。
[0017]下述所有實施例均采用純度為99.99%的Cu、Ag、Ni、Nb和Zr金屬，通過對加入的合 金元素進行性能試驗研究結(jié)果確定釬料合金成分，形成以下技術(shù)方案，釬料合金成分按質(zhì) 量百分比計(Wt/% ):銅（Cu) :60-80,銀(Ag): 10-30,鎳(Ni): 1-5,鈮(Nb): 1-5,鋯(Zr)0. ΙΟ. 5; 按試驗設(shè)計配比組成稱取 Cu、Ag、Ni 、Nb 和 Zr 放入陶瓷坩堝 ，再將坩堝置于真空熔煉爐 中加熱并熔化制備成多元銅銀鎳鈮鋯釬料。熔煉溫度應(yīng)控制在1150 - 1200 °C范圍，保溫時 間10分鐘，并充分將合金元素攪拌均勻。
[0018] 實施例見下表1:
[0019]表1多元銅銀鎳鈮鋯釬料成分及其釬焊鎢基粉末合金的性能
【主權(quán)項】
1. 一種釬焊媽基粉末合金用多元銅銀鎳銀錯釬料，其特征在于，以Cu、Ag作為基礎(chǔ)合金 成分，添加 Ni、Nb和Zr元素構(gòu)成多元銅銀鎳銀錯釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計 (機/%):銅(〇1):60-80，銀以8):10-30，鎳(附） ：1-5，鈮(他）：1-5，鋯(2〇0.1-0.5。2. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu:80，Ag: 10，Ni :5，Nb:4.9，Zr :0.1。3. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :75，Ag:20，Ni:2.8，Nb:2，Zr:0.2。4. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :70，Ag:24，Ni:l，Nb:4.5，Zr:0.5。5. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :65，Ag:28，Ni:4.9，Nb:2，Zr:0.1。6. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :62，Ag:30，Ni:4.8，Nb:2.8，Zr:0.4。7. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :80，Ag:15，Ni:2，Nb:2.7，Zr:0.3。8. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :75，Ag:15，Ni:4.9，Nb:4.9，Zr:0.2。9. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于，釬 料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :70，Ag:24，Ni:2，Nb:3.5，Zr:0.5。10. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于， 釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :65，Ag:28，Ni:3，Nb:3.7，Zr:0.3。11. 如權(quán)利要求1所述的一種釬焊鎢基粉末合金用多元銅銀鎳鈮鋯釬料，其特征在于， 釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(Wt/%):Cu :60，Ag:30，Ni:4.8，Nb:5，Zr:0.2。
【文檔編號】B23K1/19GK106077867SQ201610564583
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】邱小明, 盧裕臻, 羅翠, 邢飛, 尚慶慧, 王銀雪, 阮野
【申請人】吉林大學(xué)