一种用于低真空环境的高温钎焊环及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于低真空环境的高温钎焊环及其制备方法 (High-temperature brazing ring for low-vacuum environment and preparation method thereof ) 是由 经敬楠 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钎焊材料领域,公开了一种用于低真空环境的高温钎焊环及其制备方法。该高温钎焊环包括以下原料：镍铬铁合金60～95%、单氟磷酸钠1～15%、锰粉1～6%和成形胶5～15%。本发明的高温钎焊环用于不锈钢管/板件的低真空环境钎焊,可实现高效率、高强度的焊接。本发明制备方法可解决镍基合金钎料难以成形为带、片等形状的难题,拓展了镍基钎料的使用方式。(The invention relates to the field of brazing materials, and discloses a high-temperature brazing ring used in a low-vacuum environment and a preparation method thereof. The high-temperature brazing ring comprises the following raw materials: 60-95% of nickel-chromium-iron alloy, 1-15% of sodium monofluorophosphate, 1-6% of manganese powder and 5-15% of forming glue. The high-temperature brazing ring is used for low-vacuum environment brazing of stainless steel pipes/plates, and can realize high-efficiency and high-strength welding. The preparation method of the invention can solve the problem that the nickel-based alloy brazing filler metal is difficult to form into the shapes of strips, sheets and the like, and expands the use mode of the nickel-based brazing filler metal.)
技术领域
本发明涉及钎焊材料领域，尤其涉及一种用于低真空环境的高温钎焊环及其制备方法。
背景技术
在热交换器件中，广泛存在不锈钢材料的管/板之间的焊接，这类器件一般在高温、液质、弱腐蚀性环境下使用，因此对焊接接头的强度、密封性、耐腐蚀性要求很高。制造行业常采用BNi71CrSi镍基合金钎料以高温真空钎焊技术实现不锈钢管/板的连接。
镍基合金作为高温钎焊材料虽被广泛应用，但因镍的熔点较高(1452℃)，为降低镍基合金的熔化温度，通常加入非金属元素如硅、硼、磷等，导致镍基合金脆性增大，加工性能严重变差，通常只能制成粉末状态使用。在焊接不锈钢管/板件，特别对于不锈钢管数量较多的情况，粉末状态的镍基钎焊材料严重降低了预置钎料的效率。
另外，已有报道，热交换器生产商为了提高生产效率，开始采用低真空钎焊工艺，这种工艺可显著缩短甚至取消高真空工序，直接在低真空环境(真空度≤0.1Pa)下完成焊接过程。但是我们发现，在低真空条件下，不锈钢表面的氧化膜难以去除，常规的镍基钎料对不锈钢的润湿性能下降，从而对焊后接头间隙的填充性能不佳，最终导致焊后接头强度降低，进而影响到工件的使用寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于低真空环境的高温钎焊环及其制备方法。本发明的第一目的在于提供一种用于低真空环境的高温钎焊环，用于不锈钢管/板件的低真空环境钎焊，可实现高效率、高强度的焊接。本发明的第二目的在于提供一种用于低真空环境的高温钎焊环的制备方法，该方法解决了镍基合金钎料难以成形为带、片等形状的难题，拓展了镍基钎料的使用方式。
本发明的具体技术方案为：
第一方面，本发明提供了一种用于低真空环境的高温钎焊环，包括以下原料：镍铬铁合金60～95％、单氟磷酸钠1～15％、锰粉1～6％和成形胶5～15％。
在上述配方中各组分的作用是：
镍铬铁合金在钎焊温度下发生熔化，填充接头间隙，再经过冷却凝固，实现接头的连接。
单氟磷酸钠：所用单氟磷酸钠为粉末形态，熔点为625℃，相比于其他氟磷酸盐，粉末形态的单氟磷酸钠更易和合金粉末、成形胶混合，另外，其熔点稍高于成形胶分解挥发的完成温度(600℃)，不会产生成形胶的分解挥发对钎焊过程的不利影响。钎焊温度达到625℃后，单氟磷酸钠开始熔化流淌，在接头表面进行前沿铺展，随着温度升高，单氟磷酸钠分解产生的氟离子与工件表面氧化膜反应生成低熔点氟化物，达到去除氧化膜作用，为后续合金溶液的铺展做好准备。
锰粉：镍铬铁合金作为焊环的焊接主体，对不锈钢有优异的润湿铺展性能，但是相比于高真空环境，低真空环境的氧含量显著增加，镍铬铁合金液相的润湿铺展性能下降，对接头间隙的填充性能不佳。为此，本发明在配方中添加锰粉，由锰镍相图可知，锰和镍互溶可形成固溶体，在钎焊加热过程中，加入的锰粉可溶解于熔化后的镍铬铁合金液相，锰作为一种极强的还原剂，可以吸收溶解的氧，改善合金液相的润湿铺展性能，而且在合金液相冷却凝固后还可起到强化合金相的作用，进而提高焊接接头的强度。另外，由于锰的熔点较高(1244℃)，在钎焊温度下，大部分锰粉仍以粉末形式存在，可以增强钎焊间隙的毛细作用，使液相合金更充分填充接头间隙。
成形胶是基质焊粉成形的关键物质，其经低温溶解成为胶体，可辅助成形。并且在钎焊过程中，成形胶在高温下发生完全的分解挥发，对钎焊接头不存在不利影响。
综上所述，本发明解决了镍基合金作为钎料因脆性难以加工成带、环等形状的问题，用于管/板件钎焊时，可以实现更加快捷、精确的预置钎料，也便于进行自动化操作。
作为优选，所述高温钎焊环包括以下原料：镍铬铁合金65～90％、单氟磷酸钠2～14％、锰粉2～5％和成形胶6～14％。
作为优选，所述焊环的尺寸为：厚度0.1～4mm，内径1～10mm，外径2～15mm。
作为优选，所述镍铬铁合金包括以下质量分数的组成：Ni 55-65％、Cr 10-30％、Fe 20-30％。
作为优选，所述镍铬铁合金为真空雾化合金粉末。
作为优选，所述锰粉为电解锰粉。
作为优选，所述成形胶为在400～600℃下完全的分解挥发的溶液胶体。
进一步地，所述成形胶包括以下质量分数的组成：聚异丁烯27-31％，萜烯树脂19-23％，乙酸丁酯45-55％。
经低温溶解成为胶体，是基质焊粉成形的关键物质，在钎焊过程中，成形胶在400～600℃发生完全的分解挥发，对钎焊接头不存在不利影响。
第二方面，本发明提供了一种高温钎焊环的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将成形胶的各组分混合并溶解，待溶解充分后，过滤备用。
步骤二：将镍铬铁合金熔化冷却成棒材，再经真空雾化工艺制成真空雾化合金粉末，经筛网过滤后备用。
步骤三：将成形胶、真空雾化合金粉末、单氟磷酸钠和锰粉按配比混合、搅拌制成膏状混合物，取出备用。
步骤四：将步骤三制成的膏状混合物轧制成薄带，薄带经烘干后备用。
步骤五：采用装载有圆环模具的冲压机，将步骤四制成的薄带冲压成焊环。
作为优选，步骤二中，所述筛网为100-200目筛网。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种用于低真空环境的高温钎焊环，通过对其组成的优化，当用于不锈钢管/板件的低真空环境钎焊时，可实现高效率、高强度的焊接。
(2)本发明提供了一种用于低真空环境的高温钎焊环的制备方法，该方法解决了镍基合金钎料难以成形为带、片等形状的难题，拓展了镍基钎料的使用方式。
(3)采用本发明高温钎焊环，可显著降低钎焊温度和时间，从而提高钎焊效率。
附图说明
图1为本发明的一种高温焊环的俯视图；
图2为图1中A-A的截面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种用于低真空环境的高温钎焊环，如图1-2所示，其尺寸为：厚度0.1～4mm，内径1～10mm，外径2～15mm。高温钎焊环包括以下原料：镍铬铁合金60～95％、单氟磷酸钠1～15％、锰粉1～6％和成形胶5～15％。进一步优选为镍铬铁合金65～90％、单氟磷酸钠2～14％、锰粉2～5％和成形胶6～14％。
其中，所述镍铬铁合金为真空雾化合金粉末，包括以下质量分数的组成：Ni 55-65％、Cr 10-30％、Fe 20-30％。所述锰粉为电解锰粉。所述成形胶为在400～600℃下完全的分解挥发的溶液胶体，包括以下质量分数的组成：聚异丁烯27-31％，萜烯树脂19-23％，乙酸丁酯45-55％。
一种高温钎焊环的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将成形胶的各组分混合并溶解，待溶解充分后，过滤备用。
步骤二：将镍铬铁合金熔化冷却成棒材，再经真空雾化工艺制成真空雾化合金粉末，经100-200目筛网过滤后备用。
步骤三：将成形胶、真空雾化合金粉末、单氟磷酸钠和锰粉按配比混合、搅拌制成膏状混合物，取出备用。
步骤四：将步骤三制成的膏状混合物轧制成薄带，薄带经烘干后备用。
步骤五：采用装载有圆环模具的冲压机，将步骤四制成的薄带冲压成焊环。
实施例1
一种用于低真空环境的高温钎焊环，由以下质量百分比的组分组成：镍铬铁合金84％、单氟磷酸钠3％、电解锰粉5％、成形胶8％。焊环厚度0.2mm、内径2mm、外径3mm。
所述高温钎焊环的制备方法，包括以下步骤：
1、成形胶的制备：按照质量比称取29％聚异丁烯，21％萜烯树脂，50％乙酸丁酯，投放入反应釜中，升温至70℃持续搅拌8h，待溶解充分后，取出过滤后备用。
2、镍铬铁合金的制备：按照质量比称取60％Ni、15％Cr、25％Fe，经熔炼浇注成棒材，然后采用真空雾化工艺制成合金粉末，再经150目筛网过滤后备用。
3、物料的混合：采用搅拌机将步骤1、步骤2及单氟磷酸钠、锰粉按照所述质量比混合搅拌，制成膏状混合物，混合料混合均匀后取出备用。
4、薄带的轧制：采用辊压机将步骤3制成的膏状混合物轧制成0.2mm厚度的薄带，薄带经烘干后，备用。
5、焊环的制备：将冲压机装载上所述尺寸的模具，然后将步骤4制成的薄带冲压成焊环。
实施例2
一种用于低真空环境的高温钎焊环，由以下质量百分比的组分组成：镍铬铁合金81％、单氟磷酸钠5％、电解锰粉4％、成形胶10％。焊环厚度0.8mm、内径5mm、外径7mm。
所述镍合金焊环的制备方法同实施例1。
实施例3
一种用于低真空环境的高温钎焊环，由以下质量百分比的组分组成：镍铬铁合金77％、单氟磷酸钠8％、电解锰粉3％、成形胶12％。焊环厚度2.0mm、内径7mm、外径10mm。
所述镍合金焊环的制备方法同实施例1。
实施例4
一种用于低真空环境的高温钎焊环，由以下质量百分比的组分组成：镍铬铁合金72％、单氟磷酸钠12％、电解锰粉2％、成形胶14％。焊环厚度4.0mm、内径10mm、外径15mm。
所述镍合金焊环的制备方法同实施例1。
对比例1
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含锰粉：镍铬铁合金89％、单氟磷酸钠1％、成形胶10％。
对比例2
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含锰粉：镍铬铁合金87％、单氟磷酸钠3％、成形胶10％。
对比例3
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含锰粉：镍铬铁合金82％、单氟磷酸钠8％、成形胶10％。
对比例4
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含锰粉：镍铬铁合金80％、单氟磷酸钠10％、成形胶10％。
对比例5
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含锰粉：镍铬铁合金75％、单氟磷酸钠15％、成形胶10％。
对比例6
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含单氟磷酸钠：镍铬铁合金89％、锰粉1％、成形胶10％。
对比例7
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含单氟磷酸钠：镍铬铁合金87％、锰粉3％、成形胶10％。
对比例8
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含单氟磷酸钠：镍铬铁合金85％、锰粉5％、成形胶10％。
对比例9
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分不含单氟磷酸钠：镍铬铁合金83％、锰粉7％、成形胶10％。
对比例10
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分：镍铬铁合金88％、单氟磷酸钠1％、锰粉1％、成形胶10％。
对比例11
本对比例和实施例3相比不同的是焊环组分：镍铬铁合金74％、单氟磷酸钠15％、锰粉1％、成形胶10％。
依据《GB/T 11363-2008钎焊接头强度试验方法》中棒材接头试样的尺寸规定，以304不锈钢棒材作为母材，在低真空环境(真空度≤0.1Pa)下将上述实施例和对比例制成的钎焊环进行钎焊，试验设定不同的熔化温度，以选取最佳的钎焊温度，最后测试最佳钎焊温度下的接头剪切强度，所得测试数据如表1所示。
表1实施例1～4及对比例1～11和BNi71CrSi钎料钎焊性能测试数据
从表1的测试数据可知，对比例1～5单独添加单氟磷酸钠的焊环与BNi71CrSi针料相比，其强度并没有改善，最佳钎焊温度没有降低到1200℃以下，但是可以看出，随着单氟磷酸钠添加量的增加，接头强度增加明显，可知，单氟磷酸钠对于去除氧化膜、促进镍铬铁合金熔化及铺展有明显的有利效果。对比例6～9单独添加锰粉的焊环BNi71CrSi钎料相比，接头强度远远低于后者，最佳钎焊温度也高于后者，实施例1～4的数据表明，只有将单氟磷酸钠和锰粉配合使用，其接头强度和最佳钎焊温度才会明显改善，但是如果两者过少(对比例10)或配合不均(对比例11)，接头强度仍差于BNi71CrSi钎料。另外，相比目前BNi71CrSi钎料仅以粉末、膏体两种使用形式，实施例1～4所制备的钎焊环更方便用于不锈钢管/板的钎焊，钎料用量更易控制，也可采用自动化装置进行焊环预置，可显著提高生产效率。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
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