新型环保高磷焊料

关键字：: 钎料　　钎焊　　磷　　焊料　　间隙
产　　品：: 磷铜合金
价　　格：: 30元　我要购买
摘　　要：: 沈阳特种焊料有限公司是国内最早的钎料材料生产企业之一。多年来,公司以技术进步为先导,跟踪国际钎焊行业先进技术水平,不断开发出一系列新型焊料产品。目前公司主导产品已达到五大系列四十多种,其中银钎料、磷铜钎料等合金系列产品的产量和质量达到国内领先水平,产品广泛使用于汽车空调、民用空调、冰箱、制冷。本项目要研制出一种低银高磷焊料,利用CU-P合金良好的钎焊性能,改变合金组织,使之由脆性变为韧性,替代价格昂贵的银,并解决在高磷冶炼中磷由于氧化而造成对环境及人体的污染,使磷的烧损率降低,达到国家规定标准。研制的新型高磷泛适用于空调机、电冰箱、机械加工等领域,满足了市场急需。一、技术开发状况：为了解决这个难题,沈阳特种焊料有限公司在中国科学院沈阳金属研究所大力支持下进行了技术攻关。在整个研究试验阶段,我公司领导及多名高级技术人员参与研发,金属所提供检测仪器,跟踪负责。研制小组经过多次实验,攻关设计和优化了银铜等成分,解决了焊料的高温氧化行为对其性能的影响。通过采用锡锌等材料替代技术,减少了贵金属使用量降低了生产成本,比目前工业应用的代银焊料焊接温度低,适应了空调机、电冰箱、机械加工等领域,满足了市场急需。本项目又研制了一种新的工艺方法,采用真空冶炼新技术,成功地将磷的烧损率降为0.015﹪。改变了银磷铜等含量及溶点温度,使产品可塑性,抗易脆裂性,流动性增强,适用于间隙不匀及承受震动载荷等特殊环境。此技术是高磷焊料新品种的创新,为公司开发了新型高性能产品。二、产品的关键技术：这些年来,沈阳特种焊料公司焊料的品种增多,焊料年产量逐年增加,钎焊材料标准化工作不断完善,在钎焊材料的研究、实验、生产上取得了重大进展。无银低银钎料研究及开发、锡锌替代贵重金属的新配方、CU-P系列钎料的加工成型技术有突破性进展。本项目研究的铜及铜合金、铜－纲、铜－硬质合金的对焊中常用含银10﹪～50﹪的焊料,这种焊料因含银高而价格昂贵。研制小组在总结多年的设计经验的基础上。不断实验摸索焊料产品新配方,总结多年的生产实践经验,通过采用锌、锡等材料的替代技术,改变了合金组织,充分利用CU-P合金的良好钎焊性能,使之由脆性变韧性,减少了贵金属的使用量,降低了生产成本,钎料焊接温度低,适用于铜、铁、镍及合金的焊料,解决了铜磷焊料难加工的问题,提高了焊料的性价比,降低了生产成本,满足了用户急需。铜磷钎料是以铜一磷二元合金为基的钎料,它具有良好的流动性,这种钎料价格便宜,工艺性好。钎焊铜及银时可以不用钎剂,接头具有良好的强度。银铜磷钎料在铜磷合金中加入银可降低熔点,改善钎料的塑性和对铜的润湿性,还可提高钎料的强度和韧性。银钎料以银或银基固溶体组织合金。它具有优良的工艺性能,不高的熔点,良好的润湿性和填满间隙的能力,并且强度高,塑性好,导电性和耐蚀性优良,可以用来钎焊除铝、镁及其他低熔点金属以外的所有黑色金属和有色金属。本项目产品以新型环保高磷焊料的研究为核心,其主要技术为： 1．研制一种新型环保高磷焊料产品,利用CU-P合金良好的钎料性能,改变合金组织研制成一种低银产品,解决含银高价格昂贵问题。同时研制出一种新的工艺冶炼制备方法,解决了磷在高温氧化的难题,使之磷的烧损率最低,解决了磷对企业环境和人体的污染问题。 2．在新型环保高磷焊料低银产品基础上,进一步研制出一种替代贵金属银的加锡非晶态铜基无银材料,用于焊接紫铜。此产品为新型环保高磷产品的第二代产品。 3．对无银加锡非晶态铜基焊料焊接紫铜时的加热温度、保温时间及间隙对钎焊接头性能进行研究,并通过纤维组织进行分析。 4．对新型环保高磷钎料应用到空调制冷设备中钎焊技术的研究。通过以上关键技术的实验攻关、检测、试制,完成本项目的产品开发。三、产品开发的原理、钎料成分结构参数、性能及应用效果： (一)、新型环保高磷焊料的研制：铜－纲、铜及合金、纲－硬质合金的对焊中常用含银10﹪～50﹪的焊料,其组成为50Ag-35Cu-10Zn这种焊料含银高并且价格昂贵。在本项目中设计优化了银磷铜锌等成分,利用铜、磷合金良好的钎焊性能,通过物理冶金和力学冶金的方法,改变合金组织,使之产生良好的韧性,从而解决了铜磷焊料难加工问题。用锌替代贵金属银,使银含量降到1﹪,降低了生产成本,提高了本产品性价比。这种钎料在670～680摄氏度下焊接,温度适宜,焊接性能好,是一种市场急需的低银高磷韧性焊料新产品,更适合于铜、铁、镍及合金的钎料。为了增加焊接材料的流动性,加磷是必须的,目前还未找到其替代品。由于磷在高温时极易与空气结合而氧化的特点,本项目着重解决磷在熔炼添加时与空气隔绝,在磷全部熔入铜水之后加入其它覆盖材料,出炉浇注。本项目研制了一种新的真空冶炼工业方法,采用溶池表面覆盖保护材料的工艺,有效控制了磷的氧化物生成,其主要方法为：保证磷在加入前的绝对干燥,避免在加入过程中产生高压水蒸气,使大量金属液溅出;在真空炉内,准确地将低熔点的磷加入到高温的金属液体中去,并保证全部溶解;在出炉前,在真空炉内加入覆盖材料,在金属液的表面防止磷蒸发及氧化;浇注采用金属液从保温炉侧底部出液,连铸模具与保温炉连接,使金属液不与空气接触,减少氧化过程。通过上述技术措施,大大降低钎焊材料生产行业的磷烧损率,使其从通常的0.3﹪降至0.015﹪,极大地减少了行业生产对环境的污染程度。此项工艺技术先进可靠,其环保的各项指标远低于国家标准,公司在采用此项技术后,其产品质量也得到了很大提高。钎焊材料的化学成分稳定、均匀。满足了市场急需,受到用户欢迎。研制的新型环保高磷焊料产品,由于提高了产品的韧性、强度、抗冲击性,更适用于受震动载荷等特殊环境,产品首次进入空调压缩机焊接加工生产中,为公司开拓了市场,创造了极大的经济效益和社会效益。 (二)无银加锡非晶态铜基钎料紫铜性能研究：随着工业和科技的飞速发展,钎焊工艺更加广泛地应用于有色金属和黑色金属的焊接。但传统工艺所用钎料,有些含有昂贵的银和有毒的镉,有些因脆性大,只能以粉末状使用。这不仅带来了钎料成本高的缺点,而且会损害焊工健康,造成环境污染;焊接时使用的钎剂、粘结剂也易使钎缝产生气孔、夹杂等缺陷。本项目研制的无银加锡非晶态铜基钎料具有很多优点,受到焊接界的高度重视,并得到越来越广泛的应用。加锡非晶态铜基钎料是一种新型的钎焊材料,其合金内部的原子排列基本上保留了液态金属的结构状态即长程无序、近程有序,这种结构特点使其具有许多优异的性能。钎焊接头的性能主要与接头形式、钎料强度、钎缝间隙及钎料与母材的相互作用程度有关。为了使无银加锡非晶态铜基钎料有更好的应用效果,根据用户的使用情况研制小组又专门对采用搭接接头形式时无银加锡非晶态铜基钎料焊紫铜时的加热温度、保温时间及搭接间隙对钎焊接头剪切强度的影响作了较为深入的研究。 1、试验材料和方法： 1.1 试验材料试验用钎料化学成分及物理性能如下,母材为紫铜。化学成分﹪：Cu73.6;Ni9.6;Sn9.7;P7.0; 液相线 640℃、固相线 597℃。 1.2 试验方法 1.2.1 湿润性试验将10×10mm钎料安放在规格为17×17×2mm的紫铜试样上,在充有氩气的管式炉中加热,温度分别为700℃和800℃,保温10分钟。用图形称重法测出钎料铺展面积,并计算润湿角。 1.2.2 焊接试验接头型式为搭接,单片试样尺寸为30×10×4mm,搭接长度为3mm,焊接方法采用炉中钎焊法。 1.2.3 力学性能试验采用自制的专用剪切模具在万能材料试验机上测试钎焊接头的剪切强度。 1.2.4 钎缝的显微组织分析用光学显微镜、扫描电镜对钎缝进行显微组织分析。 2、实验结果及分析 2.1 钎料润湿性钎料的润湿性直接影响着焊接质量。不同温度下非晶态铜基钎料的漫流铺展面积、润湿角。可以看出,无银加锡非晶态铜基钎料对紫铜有优良的润湿性,800℃时的润湿性比700℃时的润湿性好。即润湿性与加热温度有关。随着温度的升高,钎料的表面张力降低、铺展性增强、润湿性有所提高,非晶态铜基钎料润湿性。 2.2 加热温度－搭接间隙对接头力学性能的影响对用炉中钎焊法保温十分钟时搭接试样的剪切强度进行测试,得到如图1所示关系曲线。可以看出,当加热温度一定,搭接间隙较小时,随着搭接间隙的增大,剪切强度也随之升高,并在0.15mm左右达到最高值,间隙的继续增加,会使剪切强度下降;当搭接间隙一定时,随着温度的升高,剪切强度逐渐增大;对于不同的加热温度,搭接间隙的最佳值均出现在0.15mm左右。随着温度的升高,钎料与铜的相互作用增强,影响焊缝强度的P元素加速向基体扩散,所以焊缝中的三元共晶体和二元共析体减少。同时,基体铜向焊缝扩散溶解也加速,冷凝时生成的α固溶体数量增加,因α固溶体强度和塑性都较大,所以钎焊接头处的性能得到改善。另外,随温度的升高,钎料的填充性和润湿性的提高也是改善钎焊接头处性能的有利因素。 2.3 搭接间隙对接头组织的影响由剪切强度试验结果可知,搭接间隙过小、过大对钎焊接头力学性能都有不利影响。图5、图6分别为860℃、间隙为0.10mm和0.20mm时的钎缝显微组织。可以看出,图5与图4相比,α固溶体数量少,三元共晶体和二元共析体含量较多。这是因为,此时的间隙偏小,间隙内的气体和残渣难以排出;同时间隙小,母材对钎缝合金层的机械约束作用较大,也会较大程度的降低钎焊接头强度。由于间隙偏大时钎料的毛细填缝作用减弱,使得钎料不能填满间隙。同时,间隙过大时,母材对填缝钎料的互扩散过程受到限制,致使母材对钎缝的区的合金化作用减弱。表现为中心线处及附近α固溶体不存在或间断,这样就降低了钎焊接头的力学性能。间隙不仅保证了钎料充分而致密地填缝,并且由于非晶态合金原子混乱的排列结构,使其在焊接时向晶态转化的过程中极易形成均匀的亚结构,保证了母材对填缝钎料良好的合金化作用以及母材对钎缝合金层的足够的支撑作用,从而保证了钎焊接头的良好性能。 2.4 扫描电镜显微组织分析从700℃炉中钎焊十分钟时钎缝剪切断口的扫描电镜照片,基本上呈韧性断口,说明利用这种钎料钎焊紫铜可以得到具有良好韧性的钎焊接头。由此可以看出非晶态钎料焊接时得到了性能良好的微细亚结构。 3、结论 3.1非晶态铜基钎料对紫铜有优良的润湿性,且随着温度的升高,钎料的润湿性提高。 3.2 同一温度下,间隙较小时,剪切强度随着搭接间隙的增大而升高,当间隙达到某一值(约0.15mm)时,剪切强度达到最大值,之后,随着搭接间隙的增大,剪切强度降低;对于不同的加热温度,最佳搭接间隙相近。 3.3 不同的加热温度下,加热时间存在一个最佳值。加热时间过长或过短都会降钎焊接头的低剪切强度。 3.4 用非晶态铜基钎料炉中钎焊紫铜,可以获得良好的钎缝显微组织,钎缝具有较高的剪切强度和良好的韧性。 (三)空调制冷设备中钎焊应用技术的研究：项目研制小组在研制出新型环保高磷焊料产品后,为了探索新产品在焊接生产中的使用效果,他们又赶赴沈阳三洋空调公司、上海德尔福汽车空调公司、辽宁新电汽车空调公司等用户单位,现场跟产工作,重点研究了新型环保高磷焊料产品在空调制冷设备中的应用技术问题,并写出如下报告。近年来,随着改革开放的不断深入,中国加入WTO后国际上知名品牌的空调设备源源不断地进入中国市场,为了在市场上使国内品牌空调机能与国外产品相抗衡,除了更新和完善原产品结构外,还需在工艺制造上保证产品质量,才能提高产品性能,增强产品的竞争力。而制冷系统各部件间的连接需要依靠焊接来实现。因此焊接对保证产品质量有着十分重要的作用。作为现代焊接技术的三大主要组成部分之一的钎焊,由于具有焊接温度低、焊接引起的应力和变形小、焊件原组织和机械性能相对变化小等优点。所以被广泛应用于制冷机系统各部件间的连接。一般说空调设备常见的不制冷或制冷效果差等故障往往是由于焊接质量差或钎焊过程中产生负面影响导致制冷剂泄漏、系统脏堵等。因此要得到一个优质的焊缝及控制钎焊过程中对系统产生负面影响是空调机制造过程中难度最大、最为重要的问题。Iso9001中也强调了这一重要的控制点。 1、钎料与钎剂的确定 (1)钎料的选择钎料的选择在很大程度上决定了钎焊接头的性能,选择合适的钎料是一个重要而复杂的问题,应从钎料和母材相匹配、焊接性、使用要求、设计要求和价格因素等综合考虑。对于如系统中的：压缩机、储液器、气液分离器、四通换向阀等进出口的焊缝因其受振动载荷大、塑性要求现在选用本项目新型环保高磷焊料,由于用锌替代了银,降低了银含量,性能比高,选用钎料的润湿性好、填充性好、有良好的综合性能。对于如系统中的干燥过滤器等进出口的焊缝因其所处的位置承受冲击、振动载荷较小,塑性要求一般而选用本项目无银加锡非晶态铜基钎料,这是因为钎料的润湿性好、填充性好、具有一定的塑性和抗拉强度。对于如钎焊翅片式换热器的U 型弯头,因该处的焊缝不承受冲击及弯曲载荷、无塑性要求而选用铜磷钎料BCu93P焊。这是因为本公司铜磷钎料的机械性能差,但润湿性好、填充性好、价格低廉、钎焊时无需加入钎剂。 (2)钎剂的选择钎剂的作用是清除焊件及钎料表面的氧化物,防止焊件在高温下继续氧化,改善钎料对钎焊金属表面的润湿性及填缝能力。经过数十次试验结果的反复比较,最后在实际应用中选用国内合资厂产品。该产品的综合性能好,焊后又便于清洗。 2、钎焊接头的形式由于钎料的强度低于母材强度,焊缝的强度也就低于母材的强度,因此依靠增大搭接面积来实现接头强度与焊件具有相等承载能力。基于这原理,钎焊接头采用搭接形式。而且规定钎焊搭接长度值为Lj=Fab/2πRtj(管－管接)、Lj=(ab/rj)·H(板件搭接。H 为板厚);焊缝间隙值一般取(0.05～0.2)mm为宜。 3、焊件的表面要求焊件在钎焊前的加工和存放过程中会产生氧化膜和沾上污垢,这会影响焊接质量,因此焊件必需在焊前进行清洁处理。 (1)表面氧化膜的清除单件和数量较少的部件(包括一些不可拆元件如：储液器、过滤器、膨胀阀等用砂布打磨钎焊面的氧化膜。)成批量的系统管子如：紫铜管、集管、毛细管等用5﹪～15﹪的H2SO4水溶液酸洗20～25分钟,完毕,用热水和冷水将焊件上的残留酸液冲洗干净,随即放在洁净的房内凉10～15分钟,最后用99.99﹪的氮气吹尽残余水份或直接放在100～120℃烘房内烘干。经酸洗合格并吹干或烘干的铜管立即放人清洁干燥的封闭容器内,不接触脏物,12小时内完成钎焊。 (2)表面油脂的清除不可拆元件、钎料及少数酸洗合格后其表面不小心沾上油垢的铜管,对其钎焊面用三氯乙烷擦洗。 4、施焊过程 (1)焊前冲氮系统管路的铜管当被氧乙炔火焰加热至高温时其表面被氧化,产生许多氧化膜,当系统进入正常工作状态时这些氧化膜脱落致使堵塞毛细管、过滤器等,并使压缩机气缸孔内表面拉毛,使制冷设备不能正常运行,因此必须在焊前预通6L/min氮气,直到所有被焊焊缝冷却近室温时才停止通气,从而杜绝系统中氧化膜的存在。 (2)钎焊燃气中加助焊剂气体助焊剂的功能是在金属表面覆盖一层化学薄膜,从而起到了防止金属在高温下与空气中的氧气、水发生化学反应,生成金属氧化物。而钎焊过程中产生的副作用之一是钎焊接头附近的母材高温氧化,呈现发黑现象。因此在火焰钎焊的燃气中加入气体助焊剂,有效地解决了这一问题。 (3)钎焊火焰的选择钎焊紫铜与紫铜时采用中性焰。钎焊紫铜与碳钢时采用碳化焰。钎焊黄铜时采用氧化焰。 (4)钎焊接头的冷却与清洗钎焊完毕停留约1分钟左右,用水冷却(仅适于使用钎剂钎焊时),利用金属与钎剂热膨胀系数不同,使钎剂在金属表面自然分离解除钎剂对金属的腐蚀。 (5)钎焊接头的检验 (a)外观检验焊缝接头表面无裂纹、夹渣、气孔、母材熔蚀等缺陷,接头表面无钎剂残留。 (b)气密性检验在空调管路系统内冲人氮气,用氦质谱仪检漏,合格后系统充R22工质,再用高灵敏度的电子检漏仪进行最终检漏。 5、钎焊工考核标准的改进国内目前制冷业中许多管路的钎焊大部分处于手工操作状态。因此要获得一个优良的焊缝接头除确定正确钎焊工艺外,正确选择和培训一批优秀的钎焊工是获得优良焊缝接头的必要条件,也是保证焊缝接头性能合格的关键之一。 (1)目前状况长期从事制冷焊接的钎焊工,普遍认为只要焊缝外形好、熔入接头的钎料量多则该焊缝就是一个完美的焊缝。对于那些处于水平固定位置且操作人员又无法自然站立着施焊的工件钎焊接头,如大型风冷热泵机组上的系统总装接头,许多钎焊工对该接头过分的加热、保温、使填充金属量剧增,想借此来弥补钎料渗透深度不足的区域,结果这一操作反而导致已经均匀渗透到一定深度的钎料,在过热条件下沿重力方向重新进行不均匀分布,最终,沿重力方向钎料填充量是相反方向的几倍,以致最浅处达不到规定渗透深度。另外还导致母材晶粒长大、脆性化合物生成等,产生大量缺陷,整个接头性能降低,产品加工成本提高。而且,系统管路中的许多焊缝难以用无损检测技术测定焊缝内存在的缺陷及钎料渗透的深度。因此,针对这一情况对钎焊工的技术考核标准必须作出相应的改进。 (2)钎焊工考核标准一般认为只要焊缝表面无裂纹、夹渣、气孔、母材熔蚀等缺陷即可。美国制冷业的考核要求是除了上述内容相同。研制小组经过试验研究后决定推行如下考核标准：除了与上述一般认为内容相同外还应增加对同径搭接焊的紫铜管焊缝进行周向解剖,该周向的解剖位置L值由下式确定,L=Lj+(1.5～2) 且L＜14mm,此外将钎焊接头的合格标准定为：被周向解剖的横截面上同时出现三层金属,即除了内、外、两层为紫铜管金属之外,中间层为均匀无缺陷的钎料金属。周向解剖的优点是有利于直观检验钎焊工是否将钎料填到规定深度,该规定深度的整个圆周上是否都填满钎料。而且与美国制冷业标准存在的随机性大的不足之处相比周向解剖减少了缺陷漏检的几率。

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