1.2 银基钎料的研究现状

1.2.1 银基钎料的分类及研究概述

银基钎料作为广泛应用的一类硬钎料，在航空航天、家用电器、发电机、电子等行业是必不可少、至关重要的焊接材料。根据GB/T 10046—2018，银基钎料主要包括AgCu系、AgMn系、AgCuLi系、AgCuSn系、AgCuNi系、AgCuZn系、AgCuZnCd系、AgCuZnSn系、AgCuZnNi系、AgCuZnIn系、AgCuSnNi系、AgCuZnNiMn系共12类钎料，见表1－1。

表1-1 银基钎料的分类及其熔化温度

下面对最常见的上述钎料进行简单的介绍。

（1）AgCu钎料 BAg72Cu作为一种Ag－Cu共晶钎料具有以下优点：其熔化温度为779℃，钎焊温度适中；钎焊工艺性好，对Cu、Ni都具有良好的润湿性；不含高蒸气压、易挥发元素；导电性好，是首选的电真空钎料。但该钎料Ag的质量分数高、价格昂贵，同时钎料脆性大。

（2）AgMn钎料 BAg85Mn钎料的熔化温度为960～970℃，Mn可以改善银对钢的润湿性，同时Mn溶于Ag形成固溶体，提高了Ag的强度，尤其是高温强度，可用于钎焊427℃以下工作的工件。但该钎料钎焊不锈钢时存在缝隙腐蚀倾向。

（3）AgCuLi钎料 Li具有自钎性，使用时无需添加钎剂，同时能改善钎料润湿性。BAg72Cu27.7Li0.3的熔化温度为766℃，对含有少量Ti或Al的母材有利，主要用于不锈钢的钎焊。张冠星等研究认为添加Li可提高钎料润湿性，但极易被氧化，氧化速率相比基体钎料增加了46%。

（4）AgCuSn钎料 AgCuSn的三元合金相图如图1－2所示，添加Sn既降低AgCu合金的熔化温度，又提高钎料的润湿性。该钎料对钢和Ni具有很好的润湿性，但其强度低、脆性大，BAg43CuSn钎料的熔化温度为540～570℃，可在600℃以下钎焊，多用于受静载的接头。

图1-2 AgCuSn的三元合金相图

徐锦锋等对Ag42.57Cu（57.53-x）Snx（x=12.23、12.94、13.65，质量分数）三种钎料进行了研究，随着Sn含量升高，钎料凝固组织显著细化，晶界增多；细晶强化和固溶强化作用增强，钎料的抗拉强度升高，断后伸长率减小。

（5）AgCuNi钎料 BAg56CuNi钎料的熔化温度为770～895℃，加入Ni可以改善钎料的润湿性，并且钎料的强度、塑性均优于AgCu钎料，可用于低合金钢、不锈钢、Ti及Ti合金等的钎焊。

（6）AgCuZn钎料 AgCuZn钎料具有优良的性能，是最常见的三元钎料。添加Zn，首先改善了AgCu钎料的润湿性，其次提高了钎料的强度，降低了钎料的熔点，使得钎料的塑性可调控，但使钎料的导电性变差。BAg45CuZn钎料是最常见的银基钎料，熔化温度为665～745℃，流动性好、填缝能力强，强度及抗冲击性好，钎缝光洁、美观。但该钎料钎焊温度较高，在生产过程中易出现ZnO、CuO等不溶物缺欠。根据AgCuZn三元合金的液相线，该系钎料的最低熔化温度约为670℃，但除此之外其他三元合金的熔化温度较高，钎焊温度为720～850℃。在钎料熔化温度、力学性能、价格等方面均无法与AgCuZnCd钎料相比。

（7）AgCuZnCd钎料 银基钎料中加入Cd可显著降低钎料的熔化温度，缩小熔化温度区间，改善钎料流动性和润湿性。由于该类钎料的流动性和润湿性好，价格低廉，在空调、眼镜等产品的生产中得到了广泛应用。但由于Cd的毒性，RoHS指令已严格限制电器产品中Cd的含量，必须寻求合适的解决方案，开展绿色银基钎料的研究。

（8）绿色银基钎料 为替代Cd，国内外学者对此做了大量的研究，基本确定了主要合金元素对AgCuZn钎料性能的影响，可分为两方面：一类是添加有益元素，单独添加Sn、Ni、Mn、Ga、In、P、稀土Pr、Ce及La等元素，或是复合添加至少两种元素，如Sn-In、Ga-In、Sn-Ga-In等；另一类是控制杂质元素含量，生产制造洁净银基钎料，主要分析Ca、S、Al、Fe、Bi、Pb、O、N等杂质元素含量对银基钎料性能的影响。上述元素在银基钎料中的作用，见表1-2。

表1-2 合金元素在银基钎料中的作用

（续）

1.2.2 银基钎料的应用及研究现状

目前通过添加Sn、In、Ga、Ni、P等合金元素替代Cd，已开发出多系列的无Cd银基钎料（见图1-3），虽然尚不能完全替代AgCuZnCd钎料，但其性能仍有进一步提升的空间。银基钎料在航空航天、汽车制造、家电、超硬工具、电力能源等领域得到了广泛应用，下面对其应用研究现状进行概述。

图1-3 形式各样的无Cd银基钎料

a）带状 b）粉状 c）丝状 d）药皮焊环 e）热压焊环

1.航空航天领域

（1）不锈钢金属软管的感应钎焊 不锈钢金属软管由管接头、波纹管、钢丝网和套环等组成，材质均为1Cr18Ni9Ti不锈钢。过去曾采用火焰钎焊，但高温火焰直接与钢丝接触会引起软管耐压能力严重下降。改用高频感应钎焊后，金属软管的钎缝均匀光洁，过渡圆滑，耐压强度高。软管直径规格有4种：8mm、12mm、18mm、32mm。所用钎料为：直径为2～3mm的AgCuZn钎料丝，熔化温度为660～720℃，钎剂成分为B2O3、KF、KBF4，加热时间为1～1.5min。

（2）航空发动机整流器的真空钎焊 某航空发动机的5～8级整流器材料为Ti-6Al-4V钛合金。要求一次将60～80个叶片同时钎焊到内外环上，对整体的要求是变形量越小越好。将直径为1mm的BAg72CuNi钎料预制为U形放在叶片与外环结合处，采用电容储能点焊机点焊，使叶片、外环与钎料三者保持相对位置，然后在内环外端叶片上放置钎料，进行真空钎焊。工艺为：冷态真空度为5mPa，加热时保持炉内真空度不低于10mPa。钎焊温度为850℃，保温时间为8～12min。

2.汽车制造领域

（1）汽车热交换器的埋丝钎焊 大型汽车用热交换器是制造工艺复杂的硬钎焊件，主要由管束、管板、端头和壳体组成（ϕ250mm范围内分布500多个管束，管间距为1～2mm、长度为0.6～1.2m）。选用BAg45CuZnCd或BAg50CuZnCd钎料对热交换器进行埋丝钎焊，钎焊温度为660～700℃，钎剂选用脱水硼砂（Na2B4O7）和KBF4等的混合物（熔点为541℃）。采用上述工艺钎焊的热交换器安装在大型汽车上，在1MPa压力下进行测试，接头力学性能满足各项指标的要求。

（2）汽车发动机基准轴的感应钎焊 发动机基准轴因其工作时高速旋转，故对其尺寸精度、配合公差要求非常高。基准轴的前段、中段材料为1Cr18Ni9Ti，支撑环材料为14Cr17Ni2，后段材料为40Cr。基准轴连接处为薄壁，要求变形很小，因此选用高频感应钎焊。采用直径为1.0mm的BAg50CuZnCd焊环对支撑环、前段、后段与中段进行钎焊，钎缝间隙为0.03～0.06mm，钎剂为FB102。

3.超硬工具领域

（1）金刚石工具的炉中钎焊 郑州机械研究所研制的以AgCuZnCd和微量活性元素制备的新型ZB-1钎料，Ag含量低，其综合性能满足金刚石薄壁钻的使用要求，具有一定实用性。该钎料的主要钎焊工艺为：温度为760～780℃，时间为20～25s，钎焊结束后将工件在200℃进行冷却。

德国BrazeTec公司开发的BrazeTec 2002、2009系列新型低Ag钎料，Ag的质量分数最低为20%，钎焊温度为750～810℃，可用于钻头锯片等金刚石工具的钎焊。

聚晶金刚石车刀具有硬度高、耐磨性好、导热系数大、抗黏结性强等优点，多用于有色金属、塑料、玻璃纤维等非Fe族元素的精密车削。聚晶金刚石在刀头上的固定方法中，采用钎焊固定聚晶金刚石连接较为可靠。采用wAg=45%、wCu=18%、wZn=19%、wCd=18%的BAg-1 Ag钎料，钎焊温度不超过700℃，可防止因钎焊温度过高而造成聚晶金刚石石墨化。

（2）硬质合金工具的感应钎焊和火焰钎焊 硬质合金刀片主要由WC、TiC、Co等粉末通过压制、烧结而成，刀杆常选用40钢、45钢等综合性能较好的中碳钢制作，通过钎焊将刀片和刀杆焊接在一起。通常采用高频感应钎焊和火焰钎焊方法对硬质合金刀片与刀杆进行钎焊。有报道研究3种不同Mn含量和Ni含量AgCuZnMnNi钎料的熔化温度、润湿性、抗拉强度并测试YG8硬质合金与45钢钎焊接头的力学性能。研究表明，随着Ni、Mn质量分数的升高，钎料熔化温度区间增大、抗拉强度升高，YG8硬质合金和45钢钎焊接头抗剪强度升高，但钎料在YG8硬质合金上的润湿性基本不变。

盾构用特种刀具主要由硬质合金刀片、钢基刀体和堆焊层组成。首先通过焊接将合金刀片与钢基刀体进行连接，然后对盾构掘进机刀盘与整个特种刀具进行焊接，在施工推进过程中起到切削作用。采用BAg50CuZnSnNi三明治复合钎料在670～750℃进行钎焊，可满足盾构刀具的性能要求。

捣镐是大型养路机械——捣固车上的一种易耗部件，捣镐的使用寿命对捣固车的工作效率影响很大。采用AgCuZnMnNi钎料对35CrMo合金钢与YG15C硬质合金进行感应钎焊，随着钎焊温度升高，钎焊接头抗剪强度先升高后降低。在670℃保温30s的焊接工艺下钎焊接头的抗剪强度最高（388MPa）。重庆理工大学研制的厚度为0.25mm和0.35mm的BAg50CuZnNi三明治复合钎料，感应钎焊20CrMo低碳钢和YG13硬质合金，采用不同方式处理母材表面，分析感应钎焊工艺参数对钎着率的影响。研究表明，仅用砂纸处理试样的钎着率不达标，而经机械加工打磨和喷砂处理后的钎着率均高于93%，达到合格标准。

4.电力能源领域

（1）大型发电机定子绕组线棒的感应钎焊 某水电站阿尔斯通700MW水轮发电机定子绕组线棒接头为纯铜和不锈钢复合结构，定子绕组形式为双层条形波绕组，绕组上、下层线棒共计1080根，线棒单根质量为90kg，由42股2.12mm×13.5mm包玻璃Cu扁线和6股空心不锈钢扁线组成。采用直径为2mm的LAg15P钎料对线棒进行中频感应钎焊，钎料熔化温度为710℃。经测试，线棒电接头的抗拉强度大于180MPa，钎料填缝饱满，各项性能达到水轮发电机定子绕组的性能要求。

（2）电机转子的感应钎焊 纯铜导电优良，常用作电机转子导条及端环，而1Cr18Ni9Ti不导磁，也常用于电机转子中，通常需将二者进行钎焊连接，既要保证足够的导电面积，又要具备一定的强度。

采用BAg72Cu、BAg45CuZn钎料对纯铜与1Cr18Ni9Ti不锈钢进行感应钎焊，研究发现：BAg72Cu钎料的导电及导热能力较强，但其与不锈钢的润湿性低于BAg45CuZn钎料，主要是Zn提高钎料与不锈钢的润湿性。采用BAg45CuZn钎料连接的接头抗剪强度均值为156MPa，钎着率高于85%，力学性能满足行业技术要求。

（3）核反应堆冷却管的氩弧钎焊 奥氏体不锈钢由于具有优良的耐高温、耐氧化及耐蚀能力，是制造核电站管道构件最常用的材料之一，通常选用316LN奥氏体不锈钢作为反应堆冷却管的结构材料。

采用AgCuSn钎料和CuSn钎料对316LN不锈钢进行氩弧钎焊，探讨奥氏体不锈钢钎焊界面裂纹的形成机制。发现用含有低熔点元素钎料氩弧钎焊316LN不锈钢时出现界面裂纹，裂纹起源于焊缝/热影响区熔合区/热影响区界面。采用Ag45CuSnNi、CuSi3和CuSi3Mn三种钎料氩弧钎焊316LN不锈钢，研究不锈钢钎焊接头缺欠产生的原因。研究发现：接头热影响区Cu污染造成的渗透裂纹是316LN不锈钢钎焊接头裂纹产生的来源。若采用不含Cu钎料或真空钎焊工艺可有效避免Cu渗透裂纹的产生。