NO160304B - Homogen kobberbasert legering med lavt smeltepunktsintervall samt homogen loddefolie fremstilt derav. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår homogene, kobberbaserte legeringer med lavt smeltepunktsintervall. Oppfinnelsen angår videre en homogen loddefolie fremstilt fra en slik legering.

Lodding er en prosess for sammenføyning av;metalldeler, ofte med forskjellig sammensetning. Karakteristisk blir et fyllmetall som har et smeltepunkt under det til metalldelene som skal sammenføyes, anbragt mellom metalldelene for å bevirke sammenføyningen. Det hele oppvarmes så til en temperatur tilstrekkelig til å smelte fyllmetallet. Ved avkjøling blir det dannet en sterk og lekkasjetett skjøt. Fyllmetallet benyttes generelt i pulver-, tråd- eller folieform, avhengig av anvendelsestypen.

Folieformen gir den fordel at man på forhånd kan anbringe fyllmaterialet i skjøtearealet og således å tillate lodding av komplekse former med minimalt spill.

Loddelegeringer som er egnet for bruk med kobber og kobberlegeringer, kalt "AWS-BAg", er for fagmannen velkjente sammensetninger. Disse legeringer inneholder vesentlige mengder sølv (19-86 vekt-#) og er således kostbare. De fleste "AWS BAg"-sammensetningene fremstilles i folieform via en lang sekvens av valse- og utglødningstrinn, noe som bidrar sterkt til de vesentlige prosessomkostninger.

Duktile glassaktige metallegeringer er beskrevet i US-PS 3 856 513. Disse legeringer inkluderer sammensetninger med formelen T^X-j der T er minst et overgangsmetall og X er et element valgt blant fosfor, bor, karbon, aluminium, silisium, tinn, germanium, indium, beryllium og antimon, "i" ligger i området 70-87 atom-#, og "J" i området 13-30 atom-5É. Slike materialer fremstilles hensiktsmessig i pulver-, tråd- eller folieform ved hurtig bråkjøling fra smeiten ved bruk av behandlingsteknikker som nu er velkjente. Imidlertid er ingen væskebråkjølte glassaktige metallegeringer av familien TjX-j som beskrevet ovenfor, og inneholdende kobber som hovedover-gangsmetall, angitt. Chen et al., angir i TJS-PS 3 856 513 kun en kobberholdig sammensetning, nemlig Pd-77 ^Cu^Si^ 5- H.Suto og H.Ishikawa angir i "Trans. Japan Inst. of Metals", vol. 17, 1976, side 596, glassaktig Cu-Si ved dampavsetning.

Det foreligger således fremdeles et behov i denne teknikk for et homogent loddemetall for sammenføyning av kobber og kobberlegeringer som er fritt for edelmetaller og fortrinnsvis foreligger i folie-, pulver- eller trådform.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en kobberbasert metallegering med lavt smelteintervall og denne legering karakteriseres ved at den har en sammensetning i det alt vesentlige bestående av 5-52 atom-# nikkel, 2-10 atom-56 tinn og 10-15 atom-% fosfor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter og idet den totale mengde kobber, nikkel og tinn ligger i området 85-90 atom-#.

Fortrinnsvis har metallegeringen i det minste partiell glassaktig struktur.

Oppfinnelsen angår som nevnt ovenfor videre en homogen loddefolie som er fremstilt fra legeringen som angitt ovenfor, og denne karakteriseres ved at den består av 5-52 a. tom-% nikkel, 2-10 atom-56 tinn og 10-15 atom-56 fosfor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter og idet den totale mengde kobber, nikkel og tinn ligger i området 85-90 atom-%.

Fortrinnsvis er loddefolien ifølge oppfinnelsen i det minste delvis glassaktig og består av i det vesentlige 5-15 atom-# nikkel, 2-5 atom-# tinn og 10-15 atom-# fosfor, mens resten er kobber og tilfeldige urenheter.

Tilsetning av Ni øker sammenføyningsstyrken mens tilsetningen av Sn forbedrer skjøt-duktilitet og senker smeltepunktet til kobber. Fosfor virker som temperaturreduksjonsmiddel og ved å danne en forbindelse, CU3P, med Cu-bestanddelen, tilveiebringes det . selvflussmiddeldannende karakteristika for fyllmetallet.

Den homogene loddefolie ifølge oppfinnelsen fremstilles ved en fremgangsmåte som omfatter å tildanne en smelte av sammensetningen og så bråkjøle denne på et roterende bråkjølingshjul i en hastighet av minst 10°C pr. 5 sekunder.

Fyllmetallfolien kan lett fremstilles som et homogent, duktilt bånd som kan benyttes for lodding slik det er formet. Fordelaktig kan den. kobberbaserte metallfolie stanses til komplekse former for å tilveiebringe på forhånd fremstilte loddeformer.

Fordelaktig kan den homogene, duktile loddefolie ifølge oppfinnelsen plasseres inne i skjøtororådet før loddingen. Bruken av den homogene, duktile kobberbaserte folie som tilveiebringes ved oppfinnelsen, tillater også å gjennomføre lodding ved prosesser som dyppelodding i smeltede salter, noe som ikke lett kan gjennomføres med loddemetaller av pulver-eller stavtypen.

Glassaktige metallegeringer dannes ved å avkjøle en smelte med den ønskede sammensetning i en hastighet på minst 10<5>'C pr. sekund. Et antall hurtigkjølingsteknikker, velkjent i glassmetallegeringsteknikken, er tilgjengelig for fremstilling av glassaktige metallpulvere, tråder, bånd og folier. Karakteristisk blir en spesiell sammensetning valgt, pulvere eller granulat av elementene i ønskede andeler smeltes og homogeniseres og den smeltede legering blir bråkjølt på en kjøleflate slik som en hurtig roterende sylinder eller I et egnet fluidmedium, slik som vann.

Kobberbaserte loddelegeringer har vært fremstilt ved prosesser slik som de som er beskrevet ovenfor.

Ved enhver loddeprosess må loddematerialet ha et smelteintervall som er tilstrekkelig høyt til å gi styrke for å møte driftskrav for metalldelene som loddes sammen. Imidlertid må smelteintervallet ikke være så høyt at dette vanske-liggjør loddingen. Videre må fyllmaterialet være kompatibelt, både kjemisk og metallurgisk, med de loddede materialer. Loddematerialet må være edlere enn metallene som loddes sammen for å unngå korrosjon. Ideelt må loddematerialet foreligge i duktil form, slik at komplekse former kan stanses ut. Til slutt må loddefolien være homogen, dvs. at den ikke må inneholde bindemidler eller andre stoffer som ellers kunne danne hulrom eller forurensende rester under loddingen. I henhold til oppfinnelsen, tilveiebringes de et homogent, duktilt loddemateriale i folieform. Loddefolien inkluderer sammensetninger innen området fra 5-52 atom-& Ni, 2-10 atom-& Sn, 10-15 atom-56 P og resten i det vesentlige Cu og tilfeldige urenheter.

Disse blandinger er forenelig med kobber og kobberbaserte legeringer og er spesielt egnet for sammenskjøting av disse materialer.

Med homogen menes at folien, slik den fremstilles, er av i det vesentlige enhetlig sammensetning i alle dimensjoner. Med duktil menes at folien kan bøyes til en rund radius helt ned til 10 ganger folietykkelsen uten brudd. Eksempler på loddelegeringssammensetninger innenfor oppfinnelsens ramme er gitt i tabell I. Innenfor det ovenfor1 beskrevne brede området, er det et foretrukket sammensetningsområde som er kompatibelt med å tillate lodding av kobber og et vidt område kobberlegeringer under et vidt område atmosfæriske betingelser. Slike foretrukne blandingsområder tillater at kobber og kobberlegeringer kan forenes under i det vesentlige alle lodde-betingelser. De foretrukne sammensetninger inneholder fra 5-15 atom# Ni, fra 2-5 atom-36 Sn, fra 10-15 a. tom-% P og resten Cu med tilfeldige urenheter.

Loddefoliene ifølge oppfinnelsen fremstilles fra smeiten på samme måte som glassmetallfoller. Under disse bråkjølings-betingelser oppnås de et metastabilt, homogent, duktilt materiale. Det metastabile materialet kan være glassaktig, i hvilket tilfelle det ikke er noen langtrekkende orden. Røntgendiffraskjonsmønsteret for glassmetallegeringer viser kun et diffust signal tilsvarende det som observeres for uorganiske oksydglass. Slike glasslegeringer bør være minst 50$ glassdannende for å være tilstrekkelig duktile til å tillate etterfølgende behandling, slik som stansing av komplekse former fra bånd av legeringen. Fortrinnsvis bør glassmetallegeringene være totalt glassdannet for å ha overlegen duktilitet.

Den metastabile fase kan også være en fast oppløsning av bestanddelselementene. Når det gjelder legeringene ifølge oppfinnelsen blir slike metastabile, faste oppløsningsfaser ikke vanligvis fremstilt under konvensjonelle behandlingsteknikker ved fremstilling av krystallinske legeringer. Røntgendiffraksjonsmønsteret for de faste oppløsnings-legeringer viser de skarpe diffraksjonssignaler som er karakteristiske for krystallinske legeringer, med en viss utbredning av signalene på grunn av den ønskede finkornede størrelse av krystallittene. Slike metastabile materialer kan også være duktile når de fremstilles under de ovenfor beskrevne betingelser.

Loddematerialet ifølge oppfinnelsen fremstilles fordelaktig i folie- eller båndform, og kan benyttes ved lodding slik de er, enten materialet befinner seg i glassform eller i fast oppløsning. Alternativt kan folier av glassmetallegeringer varmebehandles for å oppnå en krystallinsk fase, fortrinnsvis finkornet, for å fremme en lengre formlevetid, når stansingen av komplekse former er ønsket.

Folier som fremstilles ved den her beskrevne prosess, har karakteristisk en tykkelse på 0,00254-0,00635 cm, noe som også er den ønskede avstand mellom gjenstander som loddes. En slik avstand maksimaliserer styrken for 1oddesammenføyningen. Tynnere folier som stables til større tykkelser kan også benyttes. Videre er det ikke nødvendig med flussmiddel under loddingen, og det er ikke tilstede bindemidler i folien. Således eliminerer man dannelsen av hulrom og forurensende rester. Som en konsekvens, tilveiebringer de duktile loddebånd ifølge oppfinnelsen, både enkel lodding ved å eliminere behovet for avstandselementer og minimal etter-loddingsbehandling.

Loddefoliene ifølge oppfinnelsen er også overlegne de forskjellige pulverformige loddemetaller av samme sammensetning med henblikk på å tilveiebringe god sammenføyning. Dette skyldes muligens evnen til å legge på loddefolien der loddingen er nødvendig, i stedet for avhengig av kapillaritet for å transportere loddefyllmetall fra kanten av overflater som skal loddes.

Eksempel 1

Bånd med en bredde på 2,5-6,5 pm og tykkelse på 25-60 pm ble dannet ved å sprøyte en smelte av den angjeldende sammensetning under argonovertrykk på et hurtigroterende kobber-kjølehjul med en overflatehastighet på 914,4 - 1828,8 meter pr. minutt. Metastabile homogene legeringsbånd med i det minste partielt glassaktig atomisk struktur, ble fremstilt. Sammensetningen for disse bånd er angitt i tabell I.

Eksempel 2

Likvidus- og solidustemperaturen Tl og Tg for valgte bånd i tabell I ble bestemt ved differensiell termal-analyse, DTA.

Disse temperaturer er angitt i tabell II

Eksempel 3

Overlappskjærprøvestykker ble fremstilt i henhold til AWS C 3,2 "Standard Method for Evaluating the Strength of Brazed Joints". Kobberark med en tykkelse på 3,175 mm ble benyttet som basismetall. Bånd av valgte sammensetninger med dimensjoner på 25,4 - 38,1 pm og ca. 6,36 mm brede ble benyttet som fyllmateriale. Loddede skjøter av overlapptypen med en overlappdimensjon omhyggelig regulert til 6,35 henholdsvis 12,7 mm. Prøvene ble deretter avfettet i aceton og skyllet med alkohol. Utprøvningsoverflaten av stykkene ble fluss-behandlet ved bruk av borsyre. Overlappsskjøter Inneholdende valgte loddebånd ifølge oppfinnelsen ble så satt sammen ved å legge båndene side ved side for å dekke hele lengden av overlappsskjøten. Prøvene ble så spent fast og flammeloddet ved bruk av en oksyacetylenflamme med et oksygentrykk på 0,56 kg/cm<2> og et acetylentrykk på 0,56 kg/cm2 . Loddede prøver ble så luftkjølt til romtemperatur og flussresten fjernet ved stålbørsting. For sammenligningsformål, ble Identiske arbeider utført ved bruk av 5,4 pm tykt BCuP-5 folie og BAg-1 og BAg-2 staver med diameter 0,15 cm.

Sammensetningene og loddetemperaturområdene for disses fyllmaterialer er gitt i tabell HIA henholdsvis tabell UIB. Når det anvendte fyllmetall forelå i stavform, (BAg-1- og BAg-2-legeringer) ble det holdt en klaring på 38,1 pm mellom overflaten og råemnene ved å anbringe rustfrie stålavstands-stykker ved de to kanter. Det hele ble så varmet opp til loddetemperaturområdet for disse legeringer, og fyllmetallet ble påført kun på en side. Det smeltede fyllmetall ble således trukket på grunn av kapillarvirkningen og dekket hele sammenføyningsoverflaten.

Mekaniske egenskaper for loddede flater med en overlapp på 12,7 mm er angitt i tabell IVA, mens de mekaniske egenskaper for loddede skjøter med en overlapp på 6,35 mm er angitt i tabell IVB.

Analyser av disse styrkedata antydet av ved både 12,7 mm og 6,35 mm overlapping, viste legeringene ifølge oppfinnelsen sammenlignbare eller overlegen styrke i forholdet til BCuP-5, BAg-1 og BAg-2 fyllmetallene. Svikten i loddingen i basismetallet antydet en loddet skjøt sterkere enn basismetallet.

Udelte slagprøvestykker ble fremstilt ifølge foreliggende fremgangsmåte. Kobberstykkene som var 10 mm brede, 10 mm tykke og 20 mm lange ble brukt som basismetall. Bånd med utvalgt sammensetning, tatt fra prøvene i tabell I, med tykkelse på 25,4 pm og en bredde på 6,35 mm ble benyttet som fyllmetall. Prøvene ble avfettet i aceton og skyllet i alkohol før sammenføyning. Foliefyllmetallet ble anbragt mellom overflaten av kobberstykkene. Det hele var av butt-typen der folietykkelsen tjente som klaring mellom kobberstykkene. Det hele ble heftesveiset ved sammenføyningskantene ved lasersveising. Prøvene ble ovnsloddet ved en temperatur på 100°C over likvidustemperaturen i en nitrogenatmosfære ved et trykk på 1 torr (133 Pa). Etter lodding ble prøvene slipt til en bredde på 8,941 mm, en tykkelse på 8,941 mm og en lengde på 40 mm.

For sammenligningsformål, ble identiske sammenføyninger fremstilt ved bruk av 25,4 pm tykk BCuP-5-folie.

Prøvestykkene ble holdt som bjelker i vertikalposisjon. Prøvebelastningen ble lagt på ved slag av en tung, svingende pendel som traff midt på prøvens spenn, dvs. i sammen-føyningen. Resultatet av disse slagprøver er gitt i tabell V nedenfor.

En analyse av disse slagdata antyder at legeringene Ifølge oppfinnelsen er like eller overlegne BCuP-5. Spesielt viste prøve 13 mekaniske egenskaper som merkbart ligger over de BCuP-5.

Det skal være klart at det kan foretas variasjoner i det ovenfor anførte uten å gå utenfor oppfinnelsens ramme, slik denne er definert i de ledsagende krav.

Claims (7)

1. Metallegering, karakterisert ved at den har en sammensetning i det alt vesentlige bestående av 5-52 atom-% nikkel, 2-10 atom-% tinn og 10-15 atom-% fosfor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter og idet den totale mengde kobber, nikkel og tinn ligger i området 85-90 atom-%.

2. Metallegering ifølge krav 1, karakterisert ved at den har minst 50% glassaktig struktur.

3. Metallegering Ifølge krav 1, karakterisert ved at den har i det minste partielt glassaktig struktur.

4. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at blandingen i det vesentlige består av 5-15 atom-% nikkel,

2-5 atom-% tinn og 10-15 atom-% fosfor idet resten er kobber og tilfeldige urenheter.

5. Homogen loddefolie fremstilt fra legeringen ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av 5-52 atom-% nikkel, 2-10 atom-% tinn og 10-15 atom-% fosfor, idet resten er kobber og tilfeldige urenheter og idet den totale mengde kobber, nikkel og tinn ligger i området 85-90 atom-%.

6. Loddefolie ifølge krav 4, karakterisert ved at folien har en tykkelse innen området 0,00254 til 0,00635 cm.

7. Loddefolie ifølge krav 4, karakterisert ved at folien er duktil og har en i det minste partielt glassaktig struktur.