一种Cu-P基非晶钎料及其制备方法

摘要

本发明属于非晶钎料和铜及铜合金钎焊技术领域，涉及一种Cu-P基非晶钎料及其制备方法。本发明按质量百分比其组分及含量为：P为7.0－8.0％，Ni为14.0％，Sn为5.0％，Zr为0.02－0.06％，Si为0.2％；其余为Cu。本发明的制备采用快速凝固技术，所制得的钎料表面光洁，两侧平整，具有好的韧性。该钎料的熔化温度范围为590～635℃，钎焊温度650～685℃。该钎料适用于铜及铜合金的钎焊，适用的钎焊工艺方法有火焰钎焊、炉中钎焊、气保护钎焊及盐浴钎焊等。采用该钎料火焰钎焊紫铜，钎料润湿性明显好于常规熔炼技术制备的同成分钎料，钎焊接头剪切强度大于92MPa。所以，应用前景好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Cu—P基非晶钎料及其制备方法，具体涉及一种钎焊铜及铜合金的含锆Cu-P-Sn-Ni-Si非晶钎料及其制备方法，属于非晶钎料和铜及铜合金钎焊技术领域。

背景技术

银基钎料的熔点适中，工艺性好，并具有良好的强度、韧性、导电性、导热性和抗腐蚀性，在现代工业各领域，如电子、家电、航天航空、能源、汽车制造等获得广泛应用。随着科技的发展和社会的进步，对银基钎料的需求量也日益增长，我国每年仅用于制作银基钎料方面银的消耗量达千吨以上。但银是贵金属.属于国控物资，我国每年均需进口大量白银。另外，大多数银基钎料都含有毒元素镉。为了降低成本，避免污染环境，开发节银、代银钎料一直是国内外钎焊领域的研究前沿和热点，具有较大的经济效益和社会效益。

Cu-P基钎料以其低的熔点，良好的钎焊工艺性能，特有的自钎作用(对紫铜钎焊)以及低廉的价格等优点，是一种最有希望的代Ag钎料。但Cu—P基钎料由于含有脆性化合物Cu₃P，导致合金在室温下呈脆性，接头强度和韧性比银基钎料差很多，钎料加工困难，用传统方法很难制成箔带，这就导致了Cu-P基钎料应用的局限性。采用快速凝固技术制备Cu-P基非晶钎料，可以解决钎料制备成型，并提高钎料的性能。从非晶形成能力考虑，二元Cu—P系形成非晶的能力很差，加入Ni后的三元系，非晶形成能力大大增强，而再加入Sn的四元系，非晶形成能力又得到进一步增强。从Cu-P基钎料的钎焊性考虑，磷能明显降低钎料熔点，改善流动性，对紫铜具有自钎能力。但随含磷量的增加，钎料的塑性韧性则降低，在常温下加工性变差；钎料中加入镍，则提高熔点，但能改善对Fe、Co、Ni基合金的润湿性，提高接头强度和耐蚀性。钎料中加入锡，可降低熔点，改善润湿性。但使接头的强度降低。

为了获得Cu-P基非晶钎料并改善其钎焊性，必须对Cu-P基合金成分进行优化设计，兼顾合金的非晶形成能力和钎焊性，在上述基础上，再添加一定的微量元素，进一步提高Cu-P基非晶钎料的性能，从而使Cu-P基非晶钎料真正进入实用化阶段，并获得广泛应用，这是Cu-P基非晶钎料制备和铜及铜合金钎焊技术领域急待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决Cu-P基钎料的室温脆性和可成型性问题。提供一种熔点低，容易加工，钎焊性能优良的非晶钎料，以扩大此类代银钎料的应用。它通过添加微量合金元素并优化Cu-P基合金成分，采用快速凝固技术制取非晶态钎料，用于钎焊铜及铜合金，保证良好的钎焊工艺性和接头力学性能。

为了实现上述目的，本发明的一种Cu—P基非晶钎料，其特征在于：该钎料的组分及含量(按质量百分比)为：P为7.0-8.0％，Ni为14.0％，Sn为5.0％，Zr为0.02-0.06％，Si为0.2％；其余为Cu，各组分质量之和为100％。

其中，上述的铜、锡和镍的纯度均为99.9％以上，锆的纯度为99.99％，均为工业级；

上述的硅、磷为铜硅、铜磷中间合金，其中，铜硅中间合金中硅的质量分数为12-18％，铜磷中间合金中磷的质量分数为10-15％，均为工业级。

制备一种Cu—P非晶钎料的方法，包括下述步骤：

1、配方：将锆、铜、锡、镍和铜硅、铜磷中间合金原材料粉碎，配比；

2、装料：将上述配料置于电弧炉中，电弧炉的5个铜坩埚，其中一个坩埚中放入一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放入四种同配方或不同配方的配料；

3、抽真空：先将炉内抽真空至10^-2Pa，充氩气洗炉3-4次后，再抽真空至10^-2Pa，充氩气至-0.06MPa；

4、去氧：将放入坩埚中的一块纯Ti试样熔炼3-4次，以去除气氛中残留的氧；

5、熔炼：为了使铸态合金均匀，将铜坩埚内的配料在电磁搅拌作用下反复熔炼3-4次，并使用反倒拔棍翻转配料，即获得熔炼后的试样；

6、称重：对试样进行称重，若发现试样的失重在0.1％以内，则可认为合金实际成分与名义成分基本一致，即为制备的非晶钎料的母合金；

7、将母合金粉碎，装入石英玻璃管内；

8.开启炉门，将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将石英玻璃管喷嘴至铜辊表面间距调整为0.8-1mm，以保证喷射在铜辊上的液体是平板流，而形成稳定流状态；

9.关闭炉门，先采用机械泵抽真空至5.6×10^-1Pa，然后用分子泵抽高真空至7.5×10^-4Pa；

10、打开充气阀，向炉内充入市购的99.99％高纯Ar气至-0.05MPa；

11、、开启电机，设定铜辊转速为38-41m/s；开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融，其熔喷温度为1173-1273K；

12、将前述氩气压力调至50kPa，打开石英玻璃管的充气阀，氩气充入石英玻璃管内，将过热熔体从喷嘴吹出，连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到急冷而成箔带状，从而得到非晶钎料。

上述步骤2中所述的电弧炉为WS-2型高真空Ar气氛保护非自耗电弧炉；

上述步骤7中所述的甩带机为HVDS-II高真空单辊甩带机；

上所述的所述的步骤7、步骤8、步骤11、步骤12中所述的石英玻璃管的端部开有一长方形小孔，也称喷嘴，其长度为6-8mm；宽度为0.5-1mm。

本发明的一种Cu—P基非晶钎料及制备方法，其有益效果主要体现在：

1、采用快速凝固技术制备Cu—P基箔带钎料，其非晶态箔带厚度为0.08±0.002mm，表面光洁，两侧平整，具有较好的韧性。解决了常规热加工手段无法将Cu—P基钎料加工成箔带的难题；

2、采用急冷工艺制备的非晶态钎料和同成分的常规钎料相比：钎料熔化温度更低，其熔化温度范围为590-635℃，钎焊温度650-685℃。该钎料适用于铜及铜合金的钎焊，适用的钎焊工艺方法有火焰钎焊、炉中钎焊、气保护钎焊及盐浴钎焊等。熔化区间更窄，在紫铜上的润湿性和接头剪切强度均高于常规钎料，如表1所示；

3、钎料中加入的微量Zr，可以起到孕育剂的作用。它能够细化晶粒，改变组织，提高锡在铜中溶解度，从而改善铸态钎料及钎缝的组织，进一步提高钎焊接头性能。

   表1 Cu-7.6P-7Sn-14Ni-0.2Si-0.04Zr非晶和常规钎料性能对比

 

钎料熔化温度(℃)    铺展面积(mm²)   接头剪切强度(MPa)       备注常规钎料601-66718385母材为紫铜非晶钎料595-629275105母材为紫铜

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的一种Cu—P基非晶钎料及制备方法作进一步的说明。

实施例1：

一、组分配方：

钎料的组分和含量按质量百分比为：P：7.6％，Ni：14.0％，Sn：5.0％，Zr：0.04％，Si：0.2％，其余为Cu，各组分质量百分比之和为100％。

二、制备方法：

1、配方：将锆、铜、锡、镍和铜硅、铜磷中间合金原材料粉碎，配比；

2、装料：将上述配料置于电弧炉中，电弧炉的5个铜坩埚，其中一个坩埚中放入一块纯Ti试样，其余四个坩埚可同时放入四种同配方或不同配方的配料；

3、抽真空：先将炉内抽真空至10^-2Pa，充氩气洗炉3-4次后，再抽真空至10^-2Pa，充氩气至-0.06MPa；

4、去氧：将放入坩埚中的一块纯Ti试样熔炼3-4次，以去除气氛中残留的氧；

5、熔炼：为了使铸态合金均匀，将铜坩埚内的配料在电磁搅拌作用下反复熔炼3-4次，并使用反倒拔棍翻转配料，即获得熔炼后的试样；

6、称重：对试样进行称重，若发现试样的失重在0.1％以内，则可认为合金实际成分与名义成分基本一致，即为制备的非晶钎料的母合金；

7、将母合金粉碎，装入石英玻璃管内；然后将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至甩带机的铜辊表面间距调整为0.8-1mm，以保证喷射在铜辊上的液体是平板流，而形成稳定流状态；

8、关闭炉门，采用机械泵抽真空至5.6×10^-1Pa，分子泵抽高真空至7.5×10^-4Pa，然后打开充气阀，向炉内充入市购的99.99％高纯Ar气至-0.05MPa；

9、开启电机，设定铜辊转速为38-41m/s；开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融，其熔喷温度为1173-1273K；

10、将前述氩气压力调至50kPa，打开石英玻璃管的充气阀，氩气充入石英玻璃管内，将过热熔体从喷嘴吹出，连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属由于受到急冷而成箔带状，从而得到非晶钎料。

该制备获得的非晶钎料的熔化温度范围为595-629℃，火焰钎焊紫铜的接头剪切强度为105MPa。

实施例2：

一、组分配方：

钎料的组分和含量按质量百分比为：P：7.0％，Ni：14％，Sn：5.0％，Zr：0.06％，Si：0.2％，其余为Cu，各组分质量百分比之和为100％。

二、制备方法：与实施例1制备方法相同。

该制备获得的非晶钎料的熔化温度范围为593-635℃，火焰钎焊紫铜的接头剪切强度为102MPa。

实施例3：

一、组分配方：

钎料的组分和含量按质量百分比为：P：8.0％，Ni：14％，Sn：5.0％，Zr：0.02％，Si：0.2％，其余为Cu，各组分质量百分比之和为100％。

二、制备方法：与实施例1制备方法相同。

该制备获得的非晶钎料的熔化温度范围为590-634℃，火焰钎焊紫铜的接头剪切强度为92MPa。