CN108161283A - 一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，利用低熔点的合金粉与助焊剂在低温条件下将碳化硅微粉焊接在基体金属表面，减少了因焊接温度过高对基体金属性能的影响。主要包括以下几个步骤：1.将低熔点合金粉、助焊剂及碳化硅微粉以一定比例均匀混合成膏状物。2.将制得的含有碳化硅微粉的膏状物均匀涂抹在基体表面。3.将上述涂有膏状物的材料加热至一定温度，通过焊接使碳化硅微粉固结在基体表面。4.最后还可在制得的成品表面镀铜并进行扩散退火以获得更高的结合强度。本发明制得的碳化硅涂层结合力大，强度高，从而大大提高成品的加工质量和效率。

Description

一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种低温焊接碳化硅涂层的技术，属于材料制备技术领域。

背景技术

碳化硅具有优异的物理化学性能，如高熔点、高硬度、耐腐蚀、抗氧化等，特别是在1800-2000℃范围，具有良好的抗烧蚀性能，因此，在航空航天、兵器装备等领域具有广阔的应用前景。但碳化硅本身不能作为结构材料使用，所以通常采用制备涂层的方法，以利用其耐磨性以及抗烧蚀性。由于碳化硅磨具往往需要极大的强度和耐磨性，所以碳化硅涂层的制备方法显得极为重要。目前碳化硅在涂层中的固结方法有电镀法、树脂粘结法、机械碾压法和硬钎焊法等，但是每种方法都有一定的缺陷。树脂粘结法树脂为结合剂把碳化硅磨料固结在基体上，但制备的碳化硅线锯的耐热和耐磨性能不佳，基体对碳化硅颗粒的把持力小、碳化硅颗粒容易脱落。硬钎焊法是在基体表面高温焊接单层碳化硅颗粒，但高温加热过程会对基体产生热损伤，这对基体的性能有一定的影响。电镀法以电镀金属为结合剂，通过金属的电沉积作用把碳化硅磨料固结在基体上，其生产效率较低，成本高。这些都限制了碳化硅涂层产品的应用。为了制备一种高性能的碳化硅涂层产品，本发明提出了一种低温焊接碳化硅涂层的方法，制得的碳化硅涂层结合力大，强度高，从而大大提高碳化硅涂层产品的工作质量和效率。

发明内容

技术问题：本发明提供一种步骤简单，焊接温度较低，对基体损伤小的制备低温焊接碳化硅涂层的方法，该方法提高了涂层的强度，碳化硅涂层结合力大，强度高，且制得的带碳化硅涂层产品加工质量和效率高。

技术方案：本发明的制备低温焊接碳化硅涂层的方法，包括以下步骤：

1)将低熔点合金粉、助焊剂和碳化硅微粉按照以下比例混合并均匀搅拌成膏状物：碳化硅微粉占总质量的20％～40％，助焊剂占总质量的10％～50％，余量为低熔点合金粉；

2)基体材料表面经清洗及去除氧化腐蚀物的预处理后，将所述步骤1)制得的膏状物均匀涂抹在基体表面；

3)将所述步骤2)制得到的表面涂有膏状物的基体材料放入回流焊机中，经回流焊接后取出；

4)将所述步骤3)制得到的产品放入电镀槽中在表面镀一层铜，并扩散退火，得到附着在基体材料上的低温焊接金刚石涂层。

进一步的，本发明方法中，步骤1)中的低熔点合金粉是Sn基合金粉，可以是Sn-Ag系的Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag合金粉或Sn-Zn系的Sn-9.0Zn合金粉。

进一步的，本发明方法中，步骤1)中的助焊剂为松香助焊剂或水溶性助焊剂。

进一步的，本发明方法中，步骤1)中的碳化硅微粉表面镀有金属镍或钛，增加了碳化硅与低熔点合金的润湿性，碳化硅粒径分布在2～40μm，镀层厚度为1～5μm。

进一步的，本发明方法中，步骤2)中的基体为表面镀铜或黄铜的金属，基体预处理步骤为化学除油、热水冲洗、冷水冲洗、酸洗、水冲洗。

进一步的，本发明方法中，步骤2)中的基体为表面镀铜或黄铜的钢丝，将预处理后的丝材通过一个装满膏状物的容器的圆形小孔中拉出，从而在丝材表面涂抹固定厚度的膏状物。

进一步的，本发明方法中，步骤3)中回流焊接的回流曲线峰值温度在合金粉熔点温度以上10～50℃。

进一步的，本发明方法中，步骤4)中的铜镀层厚度控制在5～10μm。

进一步的，本发明方法中，步骤4)中的退火工艺条件为150～250℃保温1～2小时。

本发明方法利用低熔点的合金粉和助焊剂通过回流焊将表面镀金属碳化硅固结在基体表面，最后可在其表面镀铜并退火，经反应扩散形成高强度铜锡合金，提高涂层的强度，碳化硅涂层结合力大，且焊接温度较低，对基体损伤小，制得的带金属碳化硅层产品加工质量和效率高，低温焊接碳化硅涂层结合力大，强度高，从而大大提高碳化硅涂层产品的工作质量和效率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有一下优点：

第一、传统的硬钎焊会使加工硬化后的基体材料如钢丝等在高温条件下强度降低，低熔点合金粉焊接碳化硅涂层温度低，对基体的损伤较小，保持了基体的强度和韧性，从而使碳化硅涂层产品能够满足工作过程中所需的强度和韧性。

第二、采用电镀工艺在回流焊后半成品最外层镀铜，并退火。铜与锡进行反应扩散，生成铜锡合金层，如图1中的1所示，合金层的强度、硬度远远高于纯铜层，增加了对碳化硅的把持力，延长了碳化硅涂层的使用寿命。

第三、与未进行表面金属化处理的碳化硅相比，采用表面镀金属的碳化硅微粉，可增大碳化硅与合金粉的润湿性，焊接时可以与焊料层中的锡生成金属间化合物，如图1中的碳化硅表面金属与锡的合金层6所示，进一步提高焊料层对碳化硅的把持力。

第四、与电镀碳化硅涂层相比，节省了制备的时间和成本，碳化硅把持力更大，切削效果更好；与树脂粘合碳化硅涂层相比，低温焊接碳化硅涂层的强度更大，使用寿命更长。

第五、回流焊能实现温度的可控，使得焊膏能更有效得将碳化硅颗粒固结在基体表面，且结合力大，使产品的使用寿命提高。

第六、本方法操作简单、效率高、产品质量优异，可以连续生产。

附图说明

图1为低温焊接碳化硅涂层结构示意图；

图2为制得的碳化硅线锯横截面示意图；

图3为制得的碳化硅涂层钢板平面示意图。

图中有：1-铜锡合金层；2-焊料层；3-碳化硅；4-基体材料；5-碳化硅表面金属层；6-碳化硅表面金属与锡的合金层。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

为了充分说明本发明的技术效果，进行了一组对比实验，实验步骤如下：

1)将Sn-3.5Ag合金粉、水溶性助焊剂和碳化硅裸粉(粒径分布为25-30μm)以7∶4∶6质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取直径为120μm表面镀铜钢丝作为基体材料，并对钢丝进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将钢丝表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；再将丝材以一定速度通过一个装有步骤1)所制备的膏状物的容器，容器出口为直径220μm圆形小孔。

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的钢丝放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-3.5Ag合金粉熔点为221℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上20℃，为241℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-241℃，60秒；

冷却区：241-75℃，60秒。

4)使用钢片刮磨法对制备的碳化硅线锯进行碳化硅固结强度检测，刮磨4次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至18次出现少量碳化硅脱落。由于锡焊层对碳化硅的把持力并不足以抵抗碳化硅在刮磨过程中所受到的剪切力，故碳化硅磨料很快就脱落下来，使用寿命很短。

本发明的实施例如下：

实施例1

1)将Sn-3.5Ag合金粉、水溶性助焊剂和碳化硅裸粉(粒径分布为25-30μm)以7∶4∶6质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取直径为120μm表面镀铜钢丝作为基体材料，并对钢丝进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将钢丝表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；再将丝材以一定速度通过一个装有步骤1)所制备的膏状物的容器，容器出口为直径220μm圆形小孔。

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的钢丝放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-3.5Ag合金粉熔点为221℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上20℃，为241℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-241℃，60秒；

冷却区：241-75℃，60秒。

4)将所述步骤3)制得到的半成品放入电镀槽中连接阴极接线头，阳极为铜块，镀液为标准的酸性镀铜液，镀层厚度控制在5～10μm，随后放入200℃烘箱中保温1小时，得到最终的带碳化硅涂层线锯。使用钢片刮磨法对制备的碳化硅线锯进行碳化硅固结强度检测，刮磨16次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至94次出现少量碳化硅脱落。与对比实验相比，增加了镀铜退火的步骤，而使得碳化硅的把持力大大提高，这是因为镀层中的铜与焊层中的锡发生反应扩散，生成了铜锡合金，强度大大提高，能够更好的抵抗碳化硅的刮磨过程中所受到的剪切力。

实施例2

1)将Sn-3.5Ag合金粉、水溶性助焊剂和表面镀镍碳化硅微粉(镀层厚度为3μm、粒径分布为25-30μm)以7∶4∶6质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取直径为120μm表面镀铜钢丝作为基体材料，并对钢丝进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将钢丝表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；再将丝材以一定速度通过一个装有步骤1)所制备的膏状物的容器，容器出口为直径220μm圆形小孔。

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的钢丝放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-3.5Ag合金粉熔点为221℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上20℃，为241℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-241℃，60秒；

冷却区：241-75℃，60秒。

4)将所述步骤3)制得到的半成品放入电镀槽中连接阴极接线头，阳极为铜块，镀液为标准的酸性镀铜液，镀层厚度控制在5～10μm，随后放入200℃烘箱中保温1小时，得到最终的带碳化硅涂层线锯，截面示意图如图2所示。使用钢片刮磨法对制备的碳化硅线锯进行碳化硅固结强度检测，刮磨28次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至150次出现少量碳化硅脱落，与对比实验及实施例1相比，本实施例中碳化硅固结强度最大，一方面是由于本实施例中使用的表面镀镍碳化硅微粉，在焊接温度下，镍层会与锡粉发生合金化反应，生成镍锡合金，而这个合金层使得锡焊层与碳化硅的结合更加紧密，从而提高了对碳化硅的把持力；另一方面镀层中的铜与焊层中的锡发生反应扩散，生成了铜锡合金，强度大大提高，能够更好的抵抗碳化硅的刮磨过程中所受到的剪切力。

实施例3

1)将Sn-1.0Ag-0.5Cu合金粉、水溶性助焊剂和表面镀钛碳化硅微粉(镀层厚度为1μm、粒径分布为2-3μm)以5∶1∶4质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取直径为100μm表面镀铜钢丝作为基体材料，并对钢丝进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将钢丝表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；再将丝材以一定速度通过一个装有步骤1)所制备的膏状物的容器，容器出口为直径130μm圆形小孔。

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的钢丝放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-1.0Ag-0.5Cu合金粉熔点为220℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上50℃，为270℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-270℃，60秒；

冷却区：270-75℃，60秒。

4)将所述步骤3)制得到的半成品放入电镀槽中连接阴极接线头，阳极为铜块，镀液为标准的酸性镀铜液，镀层厚度控制在5～10μm，随后放入210℃烘箱中保温2小时，得到最终的带碳化硅涂层线锯。使用钢片刮磨法对制备的碳化硅线锯进行碳化硅固结强度检测，刮磨20次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至100次出现少量碳化硅脱落，与表面镀镍碳化硅微粉一样，碳化硅表面的镀钛层在焊接温度下也会与锡发生反应生成钛锡合金层，这个合金层会增强焊层与碳化硅的结合力，使得碳化硅的固结强度增大。

实施例4

1)将Sn-3.0Ag-0.5Cu合金粉、松香助焊剂和表面镀钛碳化硅微粉(镀层厚度为5μm、粒径分布为35-40μm)以5∶1∶4质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取10×10×5mm表面镀黄铜铝板作为基体材料，并对铝板进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将铝板表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；最后用将所述步骤1)制得的膏状物均匀涂抹在铝板表面；

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的铝板放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-3.0Ag-0.5Cu合金粉熔点为217℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上10℃，为227℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-227℃，60秒；

冷却区：227-75℃，60秒。

4)将所述步骤3)制得到的半成品放入电镀槽中连接阴极接线头，阳极为铜块，镀液为标准的酸性镀铜液，镀层厚度控制在8μm左右，随后放入210℃烘箱中保温1.5小时，得到最终的带碳化硅涂层铝板，结构示意图如图3所示。使用钢片刮磨法对制备的带碳化硅涂层铝板进行碳化硅固结强度检测，刮磨28次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至140次出现少量碳化硅脱落，碳化硅把持力较强，涂层耐磨性较好。与表面镀镍碳化硅微粉一样，碳化硅表面的镀钛层在焊接温度下也会与锡发生反应生成钛锡合金层，这个合金层会增强焊层与碳化硅的结合力，使得碳化硅的固结强度增大。

实施例5

1)将Sn-9.0Zn合金粉、松香助焊剂和表面镀钛碳化硅微粉(镀层厚度为5μm、粒径分布为35-40μm)以3∶5∶2质量配比混合，在搅拌机上以5r/min转速搅拌5分钟；抽真空后再以25r/min转速搅拌25分钟，制得含有碳化硅微粉的膏状物。

2)选取10×10×5mm表面镀黄铜铝板作为基体材料，并对铝板进行预处理，①配制除油液：氢氧化钠10g/L、无水碳酸钠25g/L、硅酸钠22g/L、磷酸钠25g/L，在60℃条件下清洗。②用水将铝板表面冲洗干净后用100g/L盐酸快速冲洗③去离子水冲洗干净并烘干；最后用将所述步骤1)制得的膏状物均匀涂抹在铝板表面；

3)将所述步骤2)制得到的表面有膏状物的铝板放入回流焊机中，设置好温度变化曲线(如下)，完成后取出；本实施例所用Sn-9.0Zn合金粉熔点为198.5℃，回流曲线温度峰值设置为熔点温度以上48.5℃，为247℃。

升温区：常温-140℃，90秒；

预热区：140-170℃，60秒；

回焊升温区：170-190℃，20秒；

回焊区：190-247℃，60秒；

冷却区：247-75℃，60秒。

4)将所述步骤3)制得到的半成品放入电镀槽中连接阴极接线头，阳极为铜块，镀液为标准的酸性镀铜液，镀层厚度控制在8μm左右，随后放入150℃烘箱中保温1.5小时，得到最终的带碳化硅涂层铝板。使用钢片刮磨法对制备的带碳化硅涂层铝板进行碳化硅固结强度检测，刮磨24次，无碳化硅脱落，增加刮磨次数至122次出现少量碳化硅脱落，碳化硅把持力较强，涂层耐磨性较好。与表面镀镍碳化硅微粉一样，碳化硅表面的镀钛层在焊接温度下也会与锡发生反应生成钛锡合金层，这个合金层会增强焊层与碳化硅的结合力，使得碳化硅的固结强度增大。

以上所述仅为本发明的最佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域技术人员根据本发明所述内容所作的等效变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)将低熔点合金粉、助焊剂和碳化硅微粉按照以下比例混合并均匀搅拌成膏状物：碳化硅微粉占总质量的20％～40％，助焊剂占总质量的10％～50％，余量为低熔点合金粉；

2)基体材料表面经清洗及去除氧化腐蚀物的预处理后，将所述步骤1)制得的膏状物均匀涂抹在基体表面；

3)将所述步骤2)制得到的表面涂有膏状物的基体材料放入回流焊机中，经回流焊接后取出；

4)将所述步骤3)制得到的产品放入电镀槽中在表面镀一层铜，并扩散退火，得到附着在基体材料上的低温焊接金刚石涂层。

2.如权利要求1所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤1)中的低熔点合金粉是Sn基合金粉，为Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag合金粉或Sn-9.0Zn合金粉。

3.如权利要求1所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤1)中的助焊剂为松香助焊剂或水溶性助焊剂。

4.如权利要求1、2或3所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤1)中的碳化硅微粉表面镀有金属镍或钛，碳化硅微粉粒径分布在2～40μm，镀层厚度为1～5μm。

5.如权利要求1、2或3所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤2)中的基体为表面镀铜或黄铜的金属，基体材料表面预处理步骤为化学除油、热水冲洗、冷水冲洗、酸洗、水冲洗。

6.如权利要求5所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤2)基体为表面镀铜或黄铜的钢丝，将预处理后的丝材通过一个装满膏状物的容器的圆形小孔中拉出，从而在丝材表面涂抹固定厚度的膏状物。

7.如权利要求1、2或3所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤3)中回流焊接的回流曲线峰值温度在合金粉熔点温度以上10～50℃。

8.如权利要求1、2或3所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤4)中的铜镀层厚度控制在5～10μm。

9.如权利要求1、2或3所述的一种制备低温焊接碳化硅涂层的方法，其特征在于：所述步骤4)中的退火工艺条件为150～210℃保温1～2小时。