專利名稱：用于高溫應用的鐵基硬釬焊焊料的制作方法
技術領域：
本發明涉及鐵基硬釬焊焊料(brazing filler metal)組合物。更具 體地，這些硬焊合金適用于以相對于目前已知的硬釬焊焊料組合物來 說顯著更低的成本制造若干不同類型的熱交換器和催化轉換器。
背景技術：
具有高鉻含量的鎳基硬釬焊焊料由于其高的耐腐蝕性和耐熱性而
得到普遍使用。例如，鎳基填料可用于制造和修補要求在高溫、腐蝕 性和/或苛刻環境下運行的設備和部件。更具體地，鎳基或鈷基硬釬焊 焊料可用于某些類型的熱交換器，例如汽車應用中的廢氣調節(EGR) 冷卻器。用于這些應用的焊料(filler metal)必須具有某些適合使用的性 能。這樣的性能包括對于高溫氧化的耐受性；耐腐蝕性；對基底金屬 良好的浸潤性；以及在硬焊期間不會引起基底金屬的脆化。
America Welding Society ( ANSI/AWS A5.8 )標準定義了若干不同 級別的鎳基硬釬焊烊料。這些硬釬焊焊料中的許多均被用于熱交換器 的制造。例如，BM-2是具有Ni-Bal、 Cr-7、 B畫3、 Si-4.5、 Fe-3的標稱 組成的鎳基硬釬焊焊料，其公知為能夠制造具有高強度的硬焊接頭的 硬釬焊焊料。該焊料的主要缺點是由于硼擴散進入基底金屬而使得強 度劣化(尤其是在例如熱交換器的薄片材中)以及基底金屬的腐蝕。 其它含硼鎳基焊料(例如BNi-l、 BNi-lA、 BNi-3、 BNi-4和BNi-9 )由 于其接近3%的高硼含量而具有類似的缺點。
為了克服硼擴散的缺點，已經考慮到了其它不含硼的合金。這些 為BNi-6(Ni-10P)、 BNi-7(Ni-14Cr-10P)合金。這些合金含有大約10%
的磷并由于接頭中的易脆相而產生不具有所需強度的接頭。另一不含
硼的鎳基硬焊合金是BNi-5 (Ni-Bal; Cr-19，Si-10)。盡管這些合金在 制造不具有硼擴散進入基底金屬帶來的有害效果的接頭方面表現優 異，然而存在其它缺點。
美國專利No 6，203，754和6，696，017教導了 Ni-Cr-Si-P組成類型的
鎳基焊料，其滿足對于硬焊熱交換器的數項要求并具有優異的耐腐蝕 性。但是，這些以及所有上述鎳基焊料的一個主要缺點就在于昂貴的 鎳的高含量。這些合金含有至少60%的鎳。更典型地，它們含有70-90 %的鎳。這些合金中的鎳含量提高了硬釬焊焊料的成本并由此使得熱 交換器的成本增加至不具吸引力的水平。此外，世界市場上對于鎳原 料的供應是不穩定的，且因此其價格以不可預測的方式進行增長。
因此，根據以上所述的因素，本領域對滿足用于熱交換器環境的 具體要求同時排除硼擴散并實現低成本的硬釬焊材料存在需求。
發明內容
本發明涉及對鎳-、鈷-和鐵-基的基底金屬具有優異浸潤性的硬釬 焊焊料組合物；其產生出具有高強度和熱/腐蝕耐受性的硬焊接頭；并 且相對于鎳基焊料來說成本顯著降低。更具體地，這些焊料適合以相 對于目前已知的硬釬焊焊料組合物來說顯著降低的成本用于制造若干 不同類型的熱交換器和催化轉換器。
上述硬釬焊焊料的典型用途為暴露于高溫的組件。這些應用的實 例為若干類型的用于汽車應用中的廢氣再循環的熱交換器(板式和管 式類型)。還可以預見在汽車和商業排放裝置(例如催化轉換器)中 的類似用途。這些應用將要求硬焊合金耐受高溫并還能耐受硫酸冷凝 物的腐蝕。
本發明的上述目的通過具有下列組成的硬釬焊焊料合金實現 鉻-大約20-35wt%; 硅-大約3-12wt%; 磷陽大約3-12wt。/o;和 余量的鐵、附帶成分和痕量雜質。
所述合金任選地含有鎳(Ni)(直至25%);鉬(Mo)(直至5 % );釩(Va)(直至5% );以及鋁(Al)、鈣(Ca )、釔(Y)或 稀土金屬混合物(misch metal)中的一種或多種(總計直至0.2%)。
本發明提供了制造鐵基硬釬焊焊料粉末的方法，包括如下步驟
提供大約20-35wt%的鉻、大約3-12wt%的硅、大約3-12wt%的磷以及 余量的鐵、附帶成分和雜質的均勻合金；并使用霧化方法以形成和收 集來自所述均勻合金的粉末狀顆粒。來自上述方法的粉末也可以通過 常規方法轉化為膏狀焊料或轉移條(transfer tape)。
上述粉末、膏狀或條狀形式的硬釬焊焊料可以通過爐內硬焊方法 在熱交換器的制造中使用。因此，本發明還提供了形成牢固的、耐腐 蝕性硬焊接頭的方法，其包括提供待接合的笫一表面和第二表面的步 驟。另一步驟包括將硬釬焊焊料應用于笫一和第二表面之間的所需位 置，其中所述硬釬焊焊料包括大約20-35wt。/。的鉻、大約3-12wt。/。的 硅、大約3-12wt。/。的磷以及余量的鐵、附帶成分和雜質的均勻合金。 所述方法的后續步驟包括在高于所述硬釬焊焊料熔點的溫度下爐內硬 焊所述硬釬焊焊料以及所述笫 一和第二表面。所述硬釬焊焊料可以以 粉末、膏狀焊料和轉移條中的一種或多種形式施加到第一和第二表 面。
本發明的一個方面是以相對于鎳基硬釬焊焊料來說顯著降低的成 本提供硬釬焊焊料以用于大體積的商業應用。本發明的另一方面是提 供可以成功用于催化轉化器或熱交換器的制造中的硬釬焊焊料組合 物。本發明的又一方面是提供具有低于12001C的熔點并具有對不銹鋼 基底金屬的優異浸潤性的硬釬焊焊料組合物。本發明還提供了具有優 異的耐腐蝕性和耐熱性的硬釬焊焊料。
本發明的再一方面是提供具有顯著減少量的鎳的硬釬焊焊料。本 發明的另一方面是提供處于粉末、條狀、膏狀或其它有用形式從而能 夠硬焊熱交換器組件和催化轉化器的上述焊料。最后，本發明的另一 方面是提供以顯著降低的成本硬焊熱交換器和催化轉化器的方法。
本發明的其它目的和優點將以下描述中指出，并且其一部分將根 據所述描述而變得顯而易見，或者可以通過對本發明的實踐而i/w識。 本發明的目的和優點可以通過特別在以下指出的手段及結合的方式而 認識到和達到。
附圖例舉了本發明的實施方式并且連同說明書 一起用來解釋本發 明的原理，其中所述附圖被包含在說明書中以提供對本發明的進一步 理解并且并入和構成本申請文件的一部分。在所述附圖中
圖l提供了一種典型應用中硬焊接頭的實例。
具體實施例方式
現在，將詳細參考本發明的優選實施方案，其實例在附圖中例示。 圖1提供了對使用本發明填充材料的硬焊接頭的典型應用的說
明。笫一金屬片l和第二金屬片2在硬焊接頭3處連接。接頭3使用本 發明的鐵基硬釬焊焊料4形成。所述硬焊接頭可以為高溫循環環境中 EGR冷卻器的一部分，例如汽車應用中的EGR冷卻器。
為了實現上述要求的熱和腐蝕耐受性，硬釬焊焊料通常具有大約 20-35wt。/。的鉻含量。如果鉻含量低于大約20%，所需的耐腐蝕性將降 低，而如果鉻含量超過大約35%，則合金將損失接頭強度和/或可硬焊 性。
磷和硅含量是熔點抑制劑。過量的這些元素增加接頭的脆性，然 而必須存在足夠的這些元素以幫助熔點降低至大約IIOOTC。因此，磷 和硅的量通常各自不超過約12%，這些元素更典型的量為磷大約3-8 %，而硅大約3-8%。
若干其它元素也可用作氧氣吸收劑(getter)。這些為鋁(Al)、 釣(Ca)、釔(Y)和/或稀土金屬混合物。這些元素中的任意均可任 選地以大約0.2%的最大量單獨或組合使用。
所述硬釬焊焊料主要包含鐵作為主要元素。然而在實踐中，包括 少量鎳以適應原料上的考慮可能是必要的。在這些情況中，鎳含量可 以至多為大約25%。對于特定的性能要求，例如為了改進的耐酸性， 其它任選元素如鉬或釩的含量也可各自至多為5%。
硬釬焊焊料合金可以以粉末形式提供。用于本發明填充材料的粉 末形成可以使用本領域已知的方法完成。例如，具有上述組成的粉末 可以通過使均勻合金熔化并通過霧化方法將其轉化為粉末而制得。粉 末顆粒大小可以為150微米-10微米，對于熱交換器應用來說典型的大 小為IOO微米-IO微米。
上述粉末還可以通過常規方法轉化為膏狀焊料或轉移條。例如， 可以通過上述組成的粉末與粘合劑材料混合來形成膏狀焊料。轉移條 可以例如通過使上述組成的粉末與粘合劑襯墊組合形成。上述處于粉 末、膏狀或條狀形式的硬釬焊焊料可以在爐內硬焊方法中使用以在例 如熱交換器和催化轉化器中制造耐腐蝕性接頭。
其它優點和修改對于本領域技術人員來說可以容易地進行。因 此，本發明的更廣方面并不限于此處顯示和描述的具體細節和代表性 實施方案。相應地，在不背離所附權利要求及其等同范圍所限定的本 發明一般概念的精神或范圍的情況下可以進行各種修改。
權利要求
1.一種具有基本上均勻的組成的鐵基硬釬焊焊料，包括大約20-35wt％的鉻；大約3-12wt％的硅；大約3-12wt％的磷；和余量基本上為鐵。
2. 權利要求1所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約0.2wt %的鋁(Al)、鉀(Ca)、釔(Y)和稀土金屬混合物中的一種或多種。
3. 權利要求1所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約25wt %的鎳。
4. 權利要求1所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約25wt %的鈷和/或鎳。
5. 權利要求1所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約5wt% 的鉬和直至5wt。/。的釩中的一種或多種。
6. 權利要求l所述的鐵基硬釬焊焊料，其中鉻為大約25-35wt%; 硅為大約3-8wt。/。；以及磷為大約3-8wt%。
7. 權利要求6所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約0.2wt %的鋁(Al)、釣(Ca)、釔(Y)和稀土金屬混合物中的一種或多種。
8. 權利要求7所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約25wt %的鎳。
9. 權利要求8所述的鐵基硬釬焊焊料，進一步包括直至約5wty。 的鉬和直至5wt%的釩中的一種或多種。
10. —種鐵基硬釬焊焊料，包括 大約25-35wt。/。的鉻；大約3-12wt。/。的硅； 大約3-12wt。/。的磷；總計直至約0.2wt。/。的鋁、鈣、釔和稀土金屬混合物中的一種或多種；直至約25wt。/。的鎳；對于每種元素而言直至約5wt。/。的鉬和釩中的至少一種；和 余量基本上為鐵。
11. 權利要求10所述的鐵基硬釬焊焊料，其中鉻為大約28-30wt %;硅為大約3-8wt。/。；以及磷為大約3-8wt% 。
12. —種制備鐵基硬釬焊焊料粉末的方法，包括如下步驟 提供大約20-35wt%的鉻、大約3-12wt%的硅、大約3-12wt%的磷以及余量的鐵、附帶成分和雜質的均勻合金；和使用霧化方法以形成和收集來自所述均勻合金的粉末狀顆粒。
13. —種形成牢固的、耐腐蝕性硬焊接頭的方法，包括如下步驟 提供待接合的笫一表面和第二表面；將硬釬焊焊料施加于第一和第二表面之間的所需位置，其中所述 硬釬焊焊料包括大約20-35wt。/。的鉻、大約:3-12wt。/。的硅、大約;3-lZwt %的磷、以及余量的鐵、附帶成分和雜質的均勻合金；和在高于所述硬釬焊焊料熔點的溫度下爐內硬焊所述硬釬焊焊料以及所述第一和第二表面。
14. 權利要求13的方法，其中所述硬釬焊焊料以粉末、膏狀焊料和轉移條中的一種或多種形式施加。
15. 權利要求13的方法，其中所述第一和第二表面為熱交換器和催化轉化器中的一種或多種的部件。
全文摘要
本發明涉及對于鎳/鈷/鐵基基底金屬具有優異浸潤性并產生出具有高強度和熱/腐蝕耐受性的硬焊接頭的硬釬焊焊料組合物。本發明的鐵基硬釬焊焊料包括大約20-35wt％的鉻，大約3-12wt％的硅和大約3-12wt％的磷；余量為鐵。這些焊料適用于以相對于目前已知的硬釬焊焊料組合物來說顯著更低的成本制造若干不同類型的熱交換器和催化轉換器。
文檔編號B23K1/00GK101100023SQ20071012746
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月5日 優先權日2006年7月6日
發明者D·J·福圖納, S·蘭加斯瓦米 申請人:蘇舍美特科(美國)公司