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铜和铜合金的钎焊


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铜和铜合金的钎焊
铜具有优良的导电性、导热性、耐蚀性、延展性和一定的强度。在铜中添加各种合金元 素可提高其耐蚀性、强度和改善机加工性能。因此,铜和铜合金在电气、电工、化工、食品、 动力、交通、航空、航天、兵器等工业部门获得广泛的应用。 铜及其合金可分为:纯铜、黄铜、青铜和白铜。 纯铜的质量分

数不低于 99.5%。纯铜根据其含氧量的不同可分为有氧铜和无氧铜(脱氧 铜) 。脱氧铜是在冶炼过程中加入脱氧剂(如磷)或用其他方法使氧的质量分数达到很低的 水平(0.003%) 。 黄铜是指铜锌合金,它比纯铜具有高得多的强度、硬度和耐腐蚀能力,并保持一定的韧 性。 为了进一步提高黄铜的力学性能、 耐腐蚀性和工艺性能, 在普通黄铜中再加入少量的锡、 铅、锰、铝、铁或硅等元素而获得一系列的多元铜合金——特殊黄铜。特殊黄铜的合金元素 的总质量分数一般不超过 4%。 青铜实际上是除铜-锌、铜-镍合金以外所有铜合金的统称,如锡青铜、铝青铜、硅青铜 和铍青铜等。为了获得某些特殊性能,青铜中还加入多种其他元素。 白铜是铜和镍的合金,它具有较好的综合力学性能和高耐蚀性能。 常用铜和铜合金的化学成分和热处理制度
主要化学成分(质量分数,%) 熔化温度 名称 代号 ω (Cu) ω (Zn) ω (Sn) ω (Pb) ω (Mn) ω (Al) ω (Ni) 其他 /℃ 热处理制度

纯铜

T1 T2 TU1

≤99.95 ≤99.90 ≤99.97 ≤99.95 ≤99.60 95~97 67~70 60.5~63.5 61~63 57~60 57~60 余量 余量

— — — — — 余量 余量 余量 余量 余量 余量 — 2.7~3.3

— — — — — — — — 0.7~1.1 — — 6~7 3.5~4.5

— — — — — — — — — 0.8~1.9 — — —

— — — — 0.1~0.3 — — — — — 1~2 — —

— — — — — — — — — — — — —

— — — — — — — — — — — — —

020.02 020.06 020.003 020.003 020.003 — — — — — — P:0.1~0.25 —

1083 1083 1083 1083 1083 1056~1071 910~939 899~906 886~907 886~901 866~881 ~996 ~1046

退火:450~520℃ 退火:500~630℃

无氧铜

TU2 TUMn H96

真空退火:500℃

退火:600℃ 退火:600℃ 退火:600℃ 退火:600℃ 退火:600℃ 退火:600℃ 退火:500~620℃ 退火:700~750℃;淬火

黄铜

H68 H62

锡黄铜 铅黄铜 锰黄铜 锡青铜

HSn62-1 HPb59-1 HMn58-2 QSn6.5-0.1 QSn4-3

铝青铜

QAl9-2 QAl10-4-4

余量 余量

— —

— —

— —

1.5~2.5 —

8~10 9.5~11

— —

— Fe:3.5~4.5

~1061 —

880℃,回火 400℃ 退火:700~750℃;淬火 920℃,回火 650℃

铍青铜 硅青铜

QBe2 QBe1.7 QSi3-1

余量 余量 余量

— — —

— — —

— — —

— — 1~1.5

— — —

0.2~0.5 0.2~0.4 —

Be:1.9~2.2 Be:1.6~1.8 Si:2.75~3.5

865~956 — 971~1026

淬火: 800℃, 时效 300℃ 淬火: 800℃, 时效 300℃ 退火:600~680℃

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铬青铜 镉青铜 锌白铜 锰白铜 QCr0.5 QCd1 BZn15-20 BMn40-1.5 余量 余量 余量 余量 — — 18~20 — — — — — — — — — — — — 1~2 — — — — — — 13.5~16.5 39~40 Cr:0.5~1.0 Cd:0.9~1.2 — — 1073~1080 1040~1076 ~1081 1261 淬火:950~1000℃ 时效:400~460℃ 退火:650℃ 退火:700℃ 退火:1050~1150℃

铜和铜合金的钎焊性主要取决于以下因素: 1.表面形成的氧化物的稳定性。 2.钎焊加热过程对材料性能的影响。 3.材料对应力开裂的敏感性。 纯铜表面可能形成 Cu2O 和 CuO 两种氧化物。室温下铜表面为 Cu2O 所覆盖;高温下的 氧化皮分为两层,外层为 CuO,内层为 Cu2O。铜的氧化物容易去除,所以纯铜的钎焊性是 很好的。 有氧铜是用火法精炼的铜以及电解韧炼级的铜。它含有质量分数为 0.02%~0.1%的氧。 氧以氧化铜的形式存在,并与铜形成共晶组织。此共晶组织以小球形式分布在铜基体中。有 氧铜如果在含氢的还原性气氛中钎焊,氢迅速扩散到金属中,还原氧化物生产水蒸气。此水 蒸气在铜晶体内形成孔穴,并急速膨胀,从而产生氢脆。严重时铜材会发生断裂。如果气氛 中含一氧化碳和水分,则一氧化碳能够将水蒸气还原成氢,然后扩散进入金属,形成氢脆。 所以有氧铜不能在分解氨、吸热型和放热型还原气氛内进行钎焊。 有氧铜在 920℃以上长期加热会使氧化铜聚集在晶界上,降低了铜的强度和塑性,因此 有氧铜钎焊时应避免材料长时间停留在 920℃以上的温度。 铜材不能热处理强化,故常用冷加工的方法提高其强度。冷作硬化的铜材在 230~815℃ 温度下就会发生软化。软化程度与温度及此温度下的停留时间有关,钎焊加热温度越高,冷 作硬化的铜材变得越软。 无氧铜的含氧量低,铜内没有铜和氧化铜的共晶成分,它的电导率,冷加工性(如深拉 延和旋压)均优于脱氧铜。无氧铜可以在含氢的保护气氛中钎焊,不会发生氢脆。冷作硬化 的无氧铜在加热时同样会发生软化现象。 普通黄铜可划分为三类: 低黄铜 (锌的质量分数低于 20%) 、 高黄铜 (锌的分数高于 20%) 和合金黄铜。当黄铜中锌的质量分数低于 15%时,表面氧化物主要由 Cu2O 组成,其中含有 ZnO 的微粒;当锌的质量分数大于 20%时,其氧化物主要由 ZnO 组成。锌的氧化物也不难 去除,所以黄铜的钎焊性也是很好的。黄铜不宜在保护气氛中钎焊,特别不适合于真空中钎 焊。因为锌的蒸气压高(907℃时达 105Pa) ,在保护气氛中特别是真空钎焊时,黄铜中的锌 发生挥发,表面变红,并影响其钎焊性和本身性能。如必须在保护气氛和真空中钎焊,应预 先在黄铜零部件表面电镀一层铜或镍,以防止锌的挥发。但镀层可能影响钎焊接头的强度。 钎焊黄铜时必须使用钎剂。 锡黄铜中ω (Sn)约为 1%。锡的存在并不影响表面氧化物的组成。锡黄铜的钎焊性与 黄铜相当,容易钎焊。 铅黄铜中的铅在加热时会形成粘渣, 破坏钎料的润湿作用和流动性, 必须选用合适的钎 剂以保证钎料的润湿作用。 铅黄铜加热时有应力开裂的倾向。 它对热裂的敏感性与含铅量成 正比。所以铅黄铜在钎焊时应尽量减少其内应力,如焊前退火以去除零件的加工应力;加热 温度尽量均匀,以减小热应力等。当ω (Pb)>3%时,钎焊效果就很差了。对于ω (Pb)>5% 的铅黄铜不建议进行钎焊。 锰黄铜的表面由锌的氧化物和锰的氧化物组成。锰的氧化物比较稳定,比较难以去除,

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www.lihuachina.com 应采用活性强的钎剂以保证钎料的润湿性。 锡青铜 QSn6.5-0.1 表面形成两种氧化物,内层为 SnO2,外层为铜的氧化物。这些氧化 物容易去除, 合金的钎焊性是很好的, 可以用包括气体保护钎焊和真空钎焊在内的各种方法 钎焊。在空气中钎焊时可选用常规钎剂钎焊。在空气中钎焊时可选用常规钎剂钎焊。为避免 出现裂纹,含磷的锡青铜零件钎焊前应在约 290~340℃下消除应力。 铝青铜含较多的铝(质量分数达 10%) ,表面形成主要由铝的氧化物组成的氧化层,难 于去除,所以铝青铜的钎焊相当困难。铝的氧化物不能在保护气氛中被还原,真空加热也不 能去除,必须采用专门的钎剂。 如果铝青铜零件在淬火和回火状态下钎焊, 则钎焊温度不能超过回火温度。 例如 QAl9-2 的回火温度为 400℃,钎焊温度超过 400℃将使母材发生软化;如在高温下钎焊,则钎焊温 度应与淬火温度(880℃)相适应,然后进行回火处理,使母材达到要求的;力学性能,这 是在选用钎料时必须考虑的。 铍青铜表面虽形成较稳定的 BeO 氧化物,但用常规钎剂还能满足去除氧化膜的要求。 铍青铜常用于零件要求具有弹性的场合。 为了不降低此性能, 要求钎焊温度或者低于它的时 效温度(300℃) ,或者使钎焊温度与淬火温度相匹配,焊后自爱进行时效处理。 硅青铜主要是由ω (Si)约 3%的 QSi3-1 合金表面的氧化物主要由氧化硅组成。钎焊硅 青铜时需使用与钎焊铝青铜时同样的钎剂。 处于应力状态下的硅青铜对热脆和熔融钎料作用 下的应力开裂相当敏感。为避免开裂,钎焊前合金应在 300~350℃温度下消除应力。钎焊时 应选用熔点较低的钎料和加热比较均匀的钎焊方法。 铬青铜和镉青铜因含少量的铬或隔, 对钎焊性影响不大。 钎焊铬青铜是应考虑母材的热 处理制度,或者在低于时效温度(460℃)下钎焊,或者钎焊温度与淬火温度(950~1000℃) 相匹配。 锌白铜和锰白铜。白铜含镍,选用钎料时应避免采用含磷的钎料,如铜磷钎料和铜磷银 钎料,因含磷的钎料于钎焊后在界面上容易形成脆性镍磷化合物,降低接头的强度和韧性。 白铜对热裂和熔融钎料作用下的应力开裂均甚敏感。 故零件在钎焊前应去除内应力, 并选用 熔点较低的钎料,尽量均匀地加热零件,同时使零件在加热和冷却时能自由膨胀和收缩,以 减小钎焊时的热应力。
常用铜和铜合金的钎焊性 无氧铜 合金 钎焊性 铜 T1 优 TU1 优 H96 优 黄铜 H68 优 H62 优 锡青铜 HMn62-2 优 锰黄铜 HMn58-2 良 锡青铜 QSn6.5-0.1 优 QSn4-3 优 铅黄铜 HPb59-1 良

铝青铜 合金 QAl9-2 钎焊性 差 QAl10-4-4 差 QBe2 良

铍青铜 QBe1.7 良

硅青铜 QSi3-1 良

铬青铜 QCr0.5 良

镉青铜 QCd1 优

锌白铜 BZn15-20 良

锰白铜 BMn40~1.5 困难


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