接合金属部件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用熔融抑制组合物使第一金属部件与第二金属部件接合的方法。本发 明还涉及熔融抑制组合物和包括经接合金属部件的产品。
【背景技术】
[0002] 现今有不同的接合方法用于接合由金属元素制成的金属部件(金属物体或金属工 件），该金属元素包括不同单质金属和不同金属合金。所述金属部件由于制成它们的金属元 素或合金而具有至少1000°C熔融温度，这意味金属部件不能由例如纯铝或不同铝基合金制 成。可制成金属部件的金属的一些实例一般为铁基、镍基和钴基合金。
[0003] 接合此类金属部件的一种一般方法是熔焊，这是其中使具有或不具有另外材料的 金属部件中的金属熔融，即，通过熔融和随后再固化形成熔铸产品的方法。
[0004] 另一种接合方法是钎焊，这是其中首先在要接合的两个金属部件至少之一上施加 填焊金属，然后加热到高于其熔点，并通过毛细管作用在金属部件之间分布的金属接合方 法。一般通过适合气氛在保护下使填焊金属高于其熔融温度。填焊金属在金属部件上朝向 其中形成接合部的接触点流动。
[0005] -般在钎焊时施加填焊金属与要接合的金属部件之间的间隙或空隙接触。在加热 过程期间，填焊金属熔融，并填充要接合的间隙。在钎焊过程中有三个主要阶段，其中第一 阶段被称为物理阶段。物理阶段包括填焊金属的湿润和流动。第二阶段一般在特定接合温 度进行。在此阶段，有伴随显著传质的固体-液体相互作用。在此阶段，紧邻液体填焊金属的 小体积金属部件溶解，或与填焊金属反应。同时，来自液相的少量元素渗入固体金属部件。 接合部面积中组分的这种再分布导致填焊金属组成变化，有时填焊金属开始固化。最后阶 段与第二阶段重叠，其特征是形成最终接合部微结构和在固化和冷却接合部期间的进程。 邻接液体填焊金属的金属部件体积很小，即，接合部在最大程度上由填焊金属形成。在钎焊 时，一般接合部中至少95%金属来自填焊金属。
[0006] 接合两个金属部件(母材料）的另一种方法是瞬时液相扩散焊接(TLP焊接），其中 在来自中间层的熔融抑制元素在焊接温度移入金属部件的晶格和晶粒间界时发生扩散。然 后，固态扩散过程使焊接界面的组成变化，且不同的中间层在比母材料更低的温度熔融。因 此，液体薄层沿界面铺展，以在比任一个金属部件熔点更低的温度形成接合部。焊接温度降 低导致熔融物固化，随后，通过保持焊接温度一段时间，可使该相扩散开，进入金属部件。
[0007] 接合方法，例如熔焊、钎焊和TLP焊接，成功接合金属部件。然而，熔焊有其限制，因 为可能很昂贵，或甚至在难以进入时不可能产生大量接合部。钎焊也有其限制，例如在于可 能难以适当施加或甚至决定最适合的填焊金属。TLP焊接在接合不同材料时有利，但也有其 限制。例如，经常难以发现适合的中间层，且在要填充大间隙或要形成相对大的接合部时， 该方法确实不适合产生接合部。
[0008] 因此，在选择特定接合方法时涉及很多因素。也至关紧要的因素是接合金属部件 的接合部的成本、生产率、安全性、过程速度和性质及接合后金属部件本身的性质。即使前 述方法有它们的优点，但仍需要用一种接合方法作为目前方法的补充，特别是如果考虑例 如成本、生产率、安全和过程速度等因素。
[0009] 发明概述 本发明的一个目的是改进以上技术和现有技术。具体地讲，一个目的是提供一种以简 单和可靠方式接合金属部件(金属工件，即，由金属制成的工件或物体）同时仍在金属部件 之间产生强接合部的方法。
[0010] 为了达到这些目的，本发明提供使第一金属部件与第二金属部件接合的方法。该 方法用于具有高于l〇〇〇°C固相线温度的金属部件。该方法包括： 在第一金属部件的表面上施加熔融抑制组合物，该熔融抑制组合物包括包含磷和硅的 用于降低第一金属部件熔点温度的熔融抑制组分，和用于促进在表面上施加熔融抑制组合 物的任选粘合剂组分； 使第二金属部件与熔融抑制组合物在接触点在所述表面上接触； 将第一金属部件和第二金属部件加热到高于l〇〇〇°C的温度，从而第一金属部件的所述 表面熔融，使得第一金属部件的表面层熔融，并与熔融抑制组分一起形成与第二金属部件 在接触点接触的熔融(熔化)金属层;并且 使熔融金属层固化，以在接触点得到接合部，该接合部包含至少50%重量金属，所述金 属在加热前为任何第一金属部件和第二金属部件的一部分。
[0011] 在一个实施方案中，接合部包含至少85%重量金属，所述金属在加热前为任何第一 金属部件和第二金属部件的一部分。这通过使金属部件的金属流到接触点并形成接合部而 实现。以此方式形成的接合部非常不同于由钎焊形成的接合部，因为一般地，这些接合部包 含至少90%重量金属，所述金属在钎焊前为用于形成接合部的钎焊物质的填焊金属的一部 分。
[0012] 在一个实施方案中，熔融抑制组分包含至少8%重量磷，在另一个实施方案中，熔融 抑制组分包含至少14%重量磷。熔融抑制组合物也可称为熔点抑制组合物。金属部件中的金 属可具有例如铁基、镍基和钴基金属合金的形式，因为它们一般具有高于l〇〇〇°C的固相线 温度。金属部件可以不是没有高于l〇〇〇°C的固相线温度的纯铝或铝基合金。金属部件中的 金属或甚至金属部件本身可称为"母金属"或"母材料"。在该情形下，"铁基"合金为其中铁 在合金中具有所有元素最大重量百分数(％重量）的合金。相应情况也适用于镍基、钴基、铬 基和铝基合金。
[0013] 如前所示，恪融抑制组合物包含至少一种为熔融抑制组分的组分。任选熔融抑制 组合物包含粘合剂组分。促使降低至少第一金属部件熔融温度的熔融抑制组合物的所有物 质或部分被认为是熔融抑制组分的部分。不涉及降低至少第一金属部件熔融温度而是"粘 合"熔融抑制组合物使得其形成例如糊、漆或浆料的熔融抑制组合物的部分被认为是粘合 剂组分的部分。当然，熔融抑制组分可包括其它组分，例如少量填焊金属。然而，这些填焊金 属可代表不大于熔融抑制组分的75%重量，因为熔融抑制组分的至少25%重量包括磷和硅。 如果在熔融抑制组合物中包括填焊金属，则其总是熔融抑制组分的部分。
[0014] 在该情形下，"磷和硅"指熔融抑制组分中磷和硅的总和，以％重量计算。在此，％重 量指由质量分数乘以100确定的重量百分数。已知组分中物质的质量分数为那种物质的质 量浓度(组分中那种物质的密度）与该组分密度之比。因此，例如，至少25%重量磷和硅指在 lOOg熔融抑制组分样品中磷和硅的总重量为至少25g。显而易见，如果在熔融抑制组合物中 包含粘合剂组分，则熔融抑制组合物中磷和硅的％重量可小于25%重量。然而，至少25%重量 磷和硅总是存在于熔融抑制组分中，如前所示，该组分也包括可包括的任何填焊金属，即， 填焊金属总视为熔融抑制组合物的部分。
[0015] "磷"包括熔融抑制组分中的所有磷，包括单质磷和磷化合物中的磷。相应地，"娃" 包括熔融抑制组分中的所有硅，包括单质硅和硅化合物中的硅。因此，在熔融抑制组分中， 磷和硅二者均可由不同磷和硅化合物中的磷和硅表示。
[0016] 显然，熔融抑制组合物非常不同于常规钎焊物质，因为它们具有相对于熔融抑制 物质(例如磷和硅)多得多的填焊金属。一般钎焊物质具有小于18%重量磷和硅。
[0017] 方法的有利之处在于，填焊金属可减少或甚至排除，并且可应用于由不同材料制 成的金属部件。它也可用于宽范围应用内，例如用于接合原本由例如熔焊或常规钎焊接合 的传热板或任何适合金属物体。
[0018] 当然，熔融抑制组合物也可施加到第二金属部件上。
[0019] 磷可源于任何单质磷和选自至少任何以下化合物的磷化合物的磷:磷化锰、磷化 铁和磷化镍。硅可源于任何单质硅和选自至少任何以下化合物的硅化合物的硅:碳化硅、硼 化硅和硅铁。
[0020] 熔融抑制组分可包含任何至少25%重量、至少35%重量和至少55%重量磷和硅。这意 味，如果存在任何填焊金属，则相应以小于75%重量、小于65%重量、小于45%重量存在。
[0021] 磷可组成熔融抑制化合物的磷和硅含量的至少10%重量。这意味在熔融抑制组分 包含至少25%重量磷和硅时，熔融抑制组分包含至少2.5%重量磷。硅可组成熔融抑制化合物 的磷和硅含量的至少55%重量。
[0022] 熔融抑制组分可包含小于50%重量金属元素，或小于10%重量金属元素。这些金属 元素相当于以上讨论的"填焊金属"。这些少量金属元素或填焊金属使熔融抑制组合物完全 区别于例如已知的钎焊组合物，因为它们包含至少60%重量金属元素。在此，"金属元素"包 括作为周期表d区中元素的例如所有过渡金属，包括周期表上的第3至12族。这意味着例如 铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)和钼(Mo)为"金属元素"。不是"金属元素"的元素为稀有气 体、卤素和以下元素:硼(B)、碳(C)、硅(Si)、氮(N)、磷(P)、砷(As)、氧(0)、硫(S)、硒(Se)和 碲(Tu)。例如，应注意到，如果磷来自磷化锰化合物，则该化合物的锰部分为在金属元素中 包括的金属元素，在一个实施方案中，金属元素应小于50%重量，在其它实施方案中，小于 10%重量。
[0023] 第一金属部件可包括0.3-0.6mm厚度，则施加熔融抑制组合物可包括在第一金属 部件的表面上施加平均0.02-1. OOmg磷和硅/mm2。在第一金属部件的表面上施加平均0.02-1.00mg磷和硅/mm2包括通过例如对第二金属部件的任何间接施