一种用于不锈铁/铜/不锈钢钎焊的无银铜基钎料 【技术领域】
本发明涉及一种用于钎焊的无银铜基钎料，特别涉及一种用于不锈铁/铜/不锈钢钎焊的无银铜基钎料。
背景技术
近年来异种金属钎焊应用日趋广泛，例如，一种用于电磁炉的带铁磁性复底不锈钢锅，通过钎焊方法在锅的底部复合上一层起均热作用的铜板和一层有铁磁性的430不锈钢板，其生产工艺涉及到430不锈钢(俗称不锈铁)/铜/304不锈钢的大面积复合钎焊，钎焊时采用高频压力钎焊工艺一次完成不锈铁/铜/不锈钢三种异质材料大面积复合钎接，钎焊温度750～800℃。由于三种材料物理化学性质相差悬殊，特别是它们的热膨胀系数的不同，在焊接后的冷却过程中，三种材料的收缩量不一致而产生形变应力。如果焊接强度不足以克服形变应力，将会使焊缝开裂。该类产品的钎焊需采用AgCuZnSn或AgCuZnSnCd(银含量＞45％)银基粉状钎料才能获得较理想的钎焊效果，成品率达95％以上。虽然AgCuZnSn或AgCuZnSnCd钎料具有焊接温度低(750～800℃)，对母材润湿性好，焊缝强度高(τb≥100MPa)等特点，能适用于多种金属或合金中同种或异种材质的钎焊，如铜及铜合金、碳钢、不锈钢、硬质合金等等。但是，由于银基钎料价格昂贵，使用含Cd钎料严重损害操作人员身体健康和污染环境，因此，AgCuZnSn或AgCuZnSnCd钎料难于在复底不锈钢锅制造业中普及使用。为此，国内复底锅生产厂家一直在寻求一种环保、低成本、高性能、钎焊温度为750～800℃的粉状钎料，以实现铁磁性复底不锈钢锅批量生产。
无银CuPSn系钎料中的P、Sn可大幅度降低其熔化温度，并可使该系钎料具有优良的流动性和润湿性，其钎焊温度为750～800℃，与AgCuZnSn或AgCuZnSnCd的钎焊温度相近，但由于该系钎料含有P、Sn等元素，会与Cu、Fe形成脆性金属间化合物，用于钎焊不锈铁/铜/不锈钢复合钎焊时，虽然铜与不锈钢之间焊缝剪切强度τb≥100MPa，但不锈铁与铜之间焊缝剪切强度太低(τb≤50MPa)。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种钎焊温度750～800℃，可替代银基钎料的低成本无银铜基钎料。
本发明所述钎料以重量百分比计的元素成分包括：P 5.0～7.0％、Sn1.0～10.0％、Si 0.1～2.0％、Zr 0.1～1.0％和La 0.05～0.5％，余量为Cu。
所述无银铜基钎料含有Ni 1.0～5.0％。
所述无银铜基钎料含有B 0.05～0.5％。
本发明的关键技术在于通过在CuPSn基体中加入适量的Si、Zr和La等，或者可加入Ni或/和B以改善钎料性能，使钎料既保持750～800℃地钎焊温度，同时在不锈铁、铜、不锈钢上均有良好的润湿性和较高的焊接强度，特别是能使不锈铁与铜之间焊缝剪切强度τb≥100MPa。
元素Si、La、Zr等的加入主要起活性作用，与基材，特别是与不锈铁、不锈钢表面发生界面反应，增强钎料的润湿性能和界面结合能力，从而提高焊接强度。经试验确定，Si的加入量为0.1～2.0％为宜。La、Zr的添加量为微量，La为0.05～0.5％、Zr为0.1～1.0％为宜，过高则会使熔融钎料粘度增加，不利于钎料流动和铺展，使可焊性变差，焊接强度下降。
Ni元素的添加可以增强钎料的力学性能，使P的金属间化合物形貌由带状变为球状，降低钎料的脆性，提高焊接强度。通过试验确定Ni含量1.0～5.0％为宜，小于1.0％时改性作用不明显，大于5.0％时，钎料流动性变差。
B的加入可进一步改善钎料的流动性，更利于焊接强度的提高，加入量0.05～0.5％为宜，加入量不宜太高，否则又会使钎料脆性增加。
【具体实施方式】
钎料制备方法：按钎料成分配料，中频感应熔炼，精炼净化，采用气雾化法将熔融金属液流雾化成液滴，液滴冷却凝固成金属粉末，再将粉末过60目筛，制得粉状钎料。
本发明剪切强度测试方法参照GB/T 11363-1989，钎焊母材为304不锈钢片、430不锈铁片，尺寸为80mm×24mm×2mm，以及TP2纯铜片，尺寸为80mm×24mm×3mm，钎焊面用400号碳化硅砂纸沿纵向打磨，钎焊前，将试片放入超声波清洗器内清洗，去除油污等杂质。剪切强度测试在电子万能拉伸机(GP-TS2000/100KW)上进行，拉伸速度为1mm/min。
实施例1
钎料成分：P 5.0％、Sn 1.0％、Si1.0％、Zr 0.1％、La 0.05％，余量Cu。此成分钎料用于钎焊不锈铁/铜，焊缝剪切强度为110.5MPa。钎焊不锈钢/铜，焊缝剪切强度为120.0MPa。
实施例2
钎料成分：P 3.0％、Sn 7.0％、Si 2.0％、Zr 0.5％、La 0.1％、B 0.05％，余量Cu。此成分钎料用于钎焊不锈铁/铜，焊缝剪切强度为110.0MPa。钎焊不锈钢/铜，焊缝剪切强度为119.4MPa。
实施例3
钎料成分：P 6.5％、Sn 10.0％、Si 1.5％、Zr 0.8％、La 0.3％、Ni 1.0％、B 0.3％，余量Cu。此成分钎料用于钎焊不锈铁/铜，焊缝剪切强度为108.0MPa。钎焊不锈钢/铜，焊缝剪切强度为118.0MPa。
实施例4
钎料成分：P 7.0％、Sn 4.0％、Si 0.1％、Zr 0.5％、La 0.5％、Ni 5.0％、B 0.5％，余量Cu。此成分钎料用于钎焊不锈铁/铜，焊缝剪切强度为102.6MPa。钎焊不锈钢/铜，焊缝剪切强度为110.6MPa。
本发明的无银铜基钎料应用于高频感应压力钎焊一次完成不锈铁/铜/不锈钢异种金属大面积复合钎焊，焊缝剪切强度τb≥100MPa，钎料成本仅为AgCuZnSn或AgCuZnSnCd的1/5～1/4，适用于铁磁性复底锅的规模化生产。