1.2 銀基釬料的研究現狀

1.2.1 銀基釬料的分類及研究概述

銀基釬料作為廣泛應用的一類硬釬料，在航空航天、家用電器、發電機、電子等行業是必不可少、至關重要的焊接材料。根據GB/T 10046—2018，銀基釬料主要包括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類釬料，見表1－1。

表1-1 銀基釬料的分類及其熔化溫度

下面對最常見的上述釬料進行簡單的介紹。

（1）AgCu釬料 BAg72Cu作為一種Ag－Cu共晶釬料具有以下優點：其熔化溫度為779℃，釬焊溫度適中；釬焊工藝性好，對Cu、Ni都具有良好的潤濕性；不含高蒸氣壓、易揮發元素；導電性好，是首選的電真空釬料。但該釬料Ag的質量分數高、價格昂貴，同時釬料脆性大。

（2）AgMn釬料 BAg85Mn釬料的熔化溫度為960～970℃，Mn可以改善銀對鋼的潤濕性，同時Mn溶于Ag形成固溶體，提高了Ag的強度，尤其是高溫強度，可用于釬焊427℃以下工作的工件。但該釬料釬焊不銹鋼時存在縫隙腐蝕傾向。

（3）AgCuLi釬料 Li具有自釬性，使用時無需添加釬劑，同時能改善釬料潤濕性。BAg72Cu27.7Li0.3的熔化溫度為766℃，對含有少量Ti或Al的母材有利，主要用于不銹鋼的釬焊。張冠星等研究認為添加Li可提高釬料潤濕性，但極易被氧化，氧化速率相比基體釬料增加了46%。

（4）AgCuSn釬料 AgCuSn的三元合金相圖如圖1－2所示，添加Sn既降低AgCu合金的熔化溫度，又提高釬料的潤濕性。該釬料對鋼和Ni具有很好的潤濕性，但其強度低、脆性大，BAg43CuSn釬料的熔化溫度為540～570℃，可在600℃以下釬焊，多用于受靜載的接頭。

圖1-2 AgCuSn的三元合金相圖

徐錦鋒等對Ag42.57Cu（57.53-x）Snx（x=12.23、12.94、13.65，質量分數）三種釬料進行了研究，隨著Sn含量升高，釬料凝固組織顯著細化，晶界增多；細晶強化和固溶強化作用增強，釬料的抗拉強度升高，斷后伸長率減小。

（5）AgCuNi釬料 BAg56CuNi釬料的熔化溫度為770～895℃，加入Ni可以改善釬料的潤濕性，并且釬料的強度、塑性均優于AgCu釬料，可用于低合金鋼、不銹鋼、Ti及Ti合金等的釬焊。

（6）AgCuZn釬料 AgCuZn釬料具有優良的性能，是最常見的三元釬料。添加Zn，首先改善了AgCu釬料的潤濕性，其次提高了釬料的強度，降低了釬料的熔點，使得釬料的塑性可調控，但使釬料的導電性變差。BAg45CuZn釬料是最常見的銀基釬料，熔化溫度為665～745℃，流動性好、填縫能力強，強度及抗沖擊性好，釬縫光潔、美觀。但該釬料釬焊溫度較高，在生產過程中易出現ZnO、CuO等不溶物缺欠。根據AgCuZn三元合金的液相線，該系釬料的最低熔化溫度約為670℃，但除此之外其他三元合金的熔化溫度較高，釬焊溫度為720～850℃。在釬料熔化溫度、力學性能、價格等方面均無法與AgCuZnCd釬料相比。

（7）AgCuZnCd釬料 銀基釬料中加入Cd可顯著降低釬料的熔化溫度，縮小熔化溫度區間，改善釬料流動性和潤濕性。由于該類釬料的流動性和潤濕性好，價格低廉，在空調、眼鏡等產品的生產中得到了廣泛應用。但由于Cd的毒性，RoHS指令已嚴格限制電器產品中Cd的含量，必須尋求合適的解決方案，開展綠色銀基釬料的研究。

（8）綠色銀基釬料 為替代Cd，國內外學者對此做了大量的研究，基本確定了主要合金元素對AgCuZn釬料性能的影響，可分為兩方面：一類是添加有益元素，單獨添加Sn、Ni、Mn、Ga、In、P、稀土Pr、Ce及La等元素，或是復合添加至少兩種元素，如Sn-In、Ga-In、Sn-Ga-In等；另一類是控制雜質元素含量，生產制造潔凈銀基釬料，主要分析Ca、S、Al、Fe、Bi、Pb、O、N等雜質元素含量對銀基釬料性能的影響。上述元素在銀基釬料中的作用，見表1-2。

表1-2 合金元素在銀基釬料中的作用

（續）

1.2.2 銀基釬料的應用及研究現狀

目前通過添加Sn、In、Ga、Ni、P等合金元素替代Cd，已開發出多系列的無Cd銀基釬料（見圖1-3），雖然尚不能完全替代AgCuZnCd釬料，但其性能仍有進一步提升的空間。銀基釬料在航空航天、汽車制造、家電、超硬工具、電力能源等領域得到了廣泛應用，下面對其應用研究現狀進行概述。

圖1-3 形式各樣的無Cd銀基釬料

a）帶狀 b）粉狀 c）絲狀 d）藥皮焊環 e）熱壓焊環

1.航空航天領域

（1）不銹鋼金屬軟管的感應釬焊 不銹鋼金屬軟管由管接頭、波紋管、鋼絲網和套環等組成，材質均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。過去曾采用火焰釬焊，但高溫火焰直接與鋼絲接觸會引起軟管耐壓能力嚴重下降。改用高頻感應釬焊后，金屬軟管的釬縫均勻光潔，過渡圓滑，耐壓強度高。軟管直徑規格有4種：8mm、12mm、18mm、32mm。所用釬料為：直徑為2～3mm的AgCuZn釬料絲，熔化溫度為660～720℃，釬劑成分為B2O3、KF、KBF4，加熱時間為1～1.5min。

（2）航空發動機整流器的真空釬焊 某航空發動機的5～8級整流器材料為Ti-6Al-4V鈦合金。要求一次將60～80個葉片同時釬焊到內外環上，對整體的要求是變形量越小越好。將直徑為1mm的BAg72CuNi釬料預制為U形放在葉片與外環結合處，采用電容儲能點焊機點焊，使葉片、外環與釬料三者保持相對位置，然后在內環外端葉片上放置釬料，進行真空釬焊。工藝為：冷態真空度為5mPa，加熱時保持爐內真空度不低于10mPa。釬焊溫度為850℃，保溫時間為8～12min。

2.汽車制造領域

（1）汽車熱交換器的埋絲釬焊 大型汽車用熱交換器是制造工藝復雜的硬釬焊件，主要由管束、管板、端頭和殼體組成（?250mm范圍內分布500多個管束，管間距為1～2mm、長度為0.6～1.2m）。選用BAg45CuZnCd或BAg50CuZnCd釬料對熱交換器進行埋絲釬焊，釬焊溫度為660～700℃，釬劑選用脫水硼砂（Na2B4O7）和KBF4等的混合物（熔點為541℃）。采用上述工藝釬焊的熱交換器安裝在大型汽車上，在1MPa壓力下進行測試，接頭力學性能滿足各項指標的要求。

（2）汽車發動機基準軸的感應釬焊 發動機基準軸因其工作時高速旋轉，故對其尺寸精度、配合公差要求非常高。基準軸的前段、中段材料為1Cr18Ni9Ti，支撐環材料為14Cr17Ni2，后段材料為40Cr。基準軸連接處為薄壁，要求變形很小，因此選用高頻感應釬焊。采用直徑為1.0mm的BAg50CuZnCd焊環對支撐環、前段、后段與中段進行釬焊，釬縫間隙為0.03～0.06mm，釬劑為FB102。

3.超硬工具領域

（1）金剛石工具的爐中釬焊 鄭州機械研究所研制的以AgCuZnCd和微量活性元素制備的新型ZB-1釬料，Ag含量低，其綜合性能滿足金剛石薄壁鉆的使用要求，具有一定實用性。該釬料的主要釬焊工藝為：溫度為760～780℃，時間為20～25s，釬焊結束后將工件在200℃進行冷卻。

德國BrazeTec公司開發的BrazeTec 2002、2009系列新型低Ag釬料，Ag的質量分數最低為20%，釬焊溫度為750～810℃，可用于鉆頭鋸片等金剛石工具的釬焊。

聚晶金剛石車刀具有硬度高、耐磨性好、導熱系數大、抗黏結性強等優點，多用于有色金屬、塑料、玻璃纖維等非Fe族元素的精密車削。聚晶金剛石在刀頭上的固定方法中，采用釬焊固定聚晶金剛石連接較為可靠。采用wAg=45%、wCu=18%、wZn=19%、wCd=18%的BAg-1 Ag釬料，釬焊溫度不超過700℃，可防止因釬焊溫度過高而造成聚晶金剛石石墨化。

（2）硬質合金工具的感應釬焊和火焰釬焊 硬質合金刀片主要由WC、TiC、Co等粉末通過壓制、燒結而成，刀桿常選用40鋼、45鋼等綜合性能較好的中碳鋼制作，通過釬焊將刀片和刀桿焊接在一起。通常采用高頻感應釬焊和火焰釬焊方法對硬質合金刀片與刀桿進行釬焊。有報道研究3種不同Mn含量和Ni含量AgCuZnMnNi釬料的熔化溫度、潤濕性、抗拉強度并測試YG8硬質合金與45鋼釬焊接頭的力學性能。研究表明，隨著Ni、Mn質量分數的升高，釬料熔化溫度區間增大、抗拉強度升高，YG8硬質合金和45鋼釬焊接頭抗剪強度升高，但釬料在YG8硬質合金上的潤濕性基本不變。

盾構用特種刀具主要由硬質合金刀片、鋼基刀體和堆焊層組成。首先通過焊接將合金刀片與鋼基刀體進行連接，然后對盾構掘進機刀盤與整個特種刀具進行焊接，在施工推進過程中起到切削作用。采用BAg50CuZnSnNi三明治復合釬料在670～750℃進行釬焊，可滿足盾構刀具的性能要求。

搗鎬是大型養路機械——搗固車上的一種易耗部件，搗鎬的使用壽命對搗固車的工作效率影響很大。采用AgCuZnMnNi釬料對35CrMo合金鋼與YG15C硬質合金進行感應釬焊，隨著釬焊溫度升高，釬焊接頭抗剪強度先升高后降低。在670℃保溫30s的焊接工藝下釬焊接頭的抗剪強度最高（388MPa）。重慶理工大學研制的厚度為0.25mm和0.35mm的BAg50CuZnNi三明治復合釬料，感應釬焊20CrMo低碳鋼和YG13硬質合金，采用不同方式處理母材表面，分析感應釬焊工藝參數對釬著率的影響。研究表明，僅用砂紙處理試樣的釬著率不達標，而經機械加工打磨和噴砂處理后的釬著率均高于93%，達到合格標準。

4.電力能源領域

（1）大型發電機定子繞組線棒的感應釬焊 某水電站阿爾斯通700MW水輪發電機定子繞組線棒接頭為純銅和不銹鋼復合結構，定子繞組形式為雙層條形波繞組，繞組上、下層線棒共計1080根，線棒單根質量為90kg，由42股2.12mm×13.5mm包玻璃Cu扁線和6股空心不銹鋼扁線組成。采用直徑為2mm的LAg15P釬料對線棒進行中頻感應釬焊，釬料熔化溫度為710℃。經測試，線棒電接頭的抗拉強度大于180MPa，釬料填縫飽滿，各項性能達到水輪發電機定子繞組的性能要求。

（2）電機轉子的感應釬焊 純銅導電優良，常用作電機轉子導條及端環，而1Cr18Ni9Ti不導磁，也常用于電機轉子中，通常需將二者進行釬焊連接，既要保證足夠的導電面積，又要具備一定的強度。

采用BAg72Cu、BAg45CuZn釬料對純銅與1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行感應釬焊，研究發現：BAg72Cu釬料的導電及導熱能力較強，但其與不銹鋼的潤濕性低于BAg45CuZn釬料，主要是Zn提高釬料與不銹鋼的潤濕性。采用BAg45CuZn釬料連接的接頭抗剪強度均值為156MPa，釬著率高于85%，力學性能滿足行業技術要求。

（3）核反應堆冷卻管的氬弧釬焊 奧氏體不銹鋼由于具有優良的耐高溫、耐氧化及耐蝕能力，是制造核電站管道構件最常用的材料之一，通常選用316LN奧氏體不銹鋼作為反應堆冷卻管的結構材料。

采用AgCuSn釬料和CuSn釬料對316LN不銹鋼進行氬弧釬焊，探討奧氏體不銹鋼釬焊界面裂紋的形成機制。發現用含有低熔點元素釬料氬弧釬焊316LN不銹鋼時出現界面裂紋，裂紋起源于焊縫/熱影響區熔合區/熱影響區界面。采用Ag45CuSnNi、CuSi3和CuSi3Mn三種釬料氬弧釬焊316LN不銹鋼，研究不銹鋼釬焊接頭缺欠產生的原因。研究發現：接頭熱影響區Cu污染造成的滲透裂紋是316LN不銹鋼釬焊接頭裂紋產生的來源。若采用不含Cu釬料或真空釬焊工藝可有效避免Cu滲透裂紋的產生。