CN103008909B - 一种中温铝基箔带钎料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中温铝基箔带钎料及制备方法，该钎料包括以下质量百分比的组分：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al。该钎料采用熔体快冷技术制备，熔点低于495℃，箔带适于固相线温度高于520℃铝合金的钎焊，有火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊和气保护钎焊等，钎焊温度510~520℃，可用于钎焊铝合金精密构件；该钎料配合QJ201钎焊5083铝合金，钎焊接头剪切强度大于80MPa。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，尤其涉及一种中温铝基箔带钎料及制备方法。
背景技术
铝合金具有比强度高、耐腐蚀等优点，广泛应用于汽车、高速铁路车辆、航空航天和军事工业等领域。由于其特有的物理、化学性能，焊接过程中会遇到一系列困难，如焊缝热裂纹、氧化和气孔等，对于铝合金的焊接，传统方法主要以熔化焊接为主，设备复杂，且对焊工的技术要求也比较严格。铝钎焊作为铝合金连接的重要方法，具有钎焊件变形小、尺寸精度高等优点，近年来在我国得到广泛的应用。
铝合金钎焊时主要是使用铝基钎料，铝基钎料常用形式有丝、棒、箔片或粉末，还可以制成双金属复合板，以简化钎焊过程。随着航空、航天、汽车等工业的迅速发展，对铝基钎料的要求越来越高，同时也为铝基钎料的研究带来机遇。然而铝及铝合金钎焊仍存在着较多的技术难题，其中最重要的就是制备出低熔点铝基钎料。目前，应用最广的铝钎料以Al-Si系钎料为主，具有较高的钎焊接头强度和可加工性，但Al-Si系钎料熔点较高(Al-Si合金的共晶温度为577℃)，使得钎焊时钎焊温度多在600℃以上，接近于铝合金的固相线熔化温度，易造成母材发生过烧、熔蚀等现象，使得Al-Si系钎料的应用受到限制。
研制熔点低、钎焊接头力学性能优良的铝基钎料，成为铝合金钎焊的关键所在。钎料熔点的降低，可以降低钎焊温度，避免钎焊时铝合金母材的熔蚀和晶粒长大，可获得高质量钎焊接头性能，同时也降低能源消耗，提高钎焊生产效率和降低生产成本。低熔点高强度铝合金钎料应用前景非常广阔。
铝合金钎料性能主要是由合金成分和制备工艺共同决定的。很多研究者在降低铝合金钎料熔点方面做了很多的工作。有研究者发现在Al-Si合金基础上添加Cu，可显著降低其熔点，主要是由于Al-Si-Cu合金（Al-5.5Si -28Cu）的共晶温度为524℃。目前此类钎料已有商业化产品，如BAl66SiCu钎料（成分为Al-6Si-28Cu）的熔化温度为525-535℃，钎焊温度为550-600℃。但Cu加入量多会使钎料变脆，加工性下降，基本不能轧制成箔带；Ge的加入也会大大降低钎料的熔点，这主要和Al-Ge合金（Al-51.6Ge）的共晶温度424℃有关，但是Ge价格昂贵，Ge作为脆性相，添加过量会降低接头强度。Suzuki等人研制的Al-4.2Si-40Zn钎料熔化温度降为535℃，可见添加Zn可以降低钎料熔点，此外液态钎料中Zn原子易在铝合金焊接界面发生渗透，提高钎焊接头强度，但添加过量Zn会降低钎料耐蚀性，而且Zn蒸汽压较高，会增加钎焊难度，故可少量添加；La等稀土元素作为变质剂细化晶粒，可降低其它原子在母材中迁移激活能，提高钎焊接头强度；清华大学的王少红等人在A1-Si钎料中加入了稀土元素，得到接头强度达到母材90%以上，解释为稀土元素把单一的穿晶断裂改变为穿晶和沿晶的混合断裂机制，降低晶粒的长大速度和提高相应的温度，从而起细化晶粒的作用。
快速凝固作为一种先进制备技术，已广泛应用于铝合金钎料生产中。与传统方法制备的钎料相比，快速凝固技术制备钎料成分均匀，熔化温度区间窄，能够达到瞬时熔化的效果，具有良好的润湿性，所得钎焊接头的力学性能优于普通钎料。快速凝固技术制备钎料的晶粒尺寸更小，表面能增加，熔点也低于普通钎料。此外快速凝固制备箔带钎料的工艺简单，可控性较大，成本低，适用于大范围工业化应用。
因此开发出一种熔点低、钎焊性能优良铝合金钎料，并采用一种加工工艺简单、成本低的钎料制备技术具有重要的工业应用意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种中温铝基箔带钎料及制备方法，该中温铝基箔带钎料的熔点低于495℃，抗剪强度高于80Mpa。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种中温铝基箔带钎料，它包括以下质量百分比的组分：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al；采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料。
上述中温铝基箔带钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4~5次后浇注到炉内铁制模具中，得到成分均匀的母合金铸锭；
（2）将步骤1获得的母合金铸锭破碎成4~5g的小块，去除氧化皮后，置于丙酮中超声波清洗；
（3）将步骤2获得母合金小块放入真空旋淬系统下端石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护；真空旋淬系统的高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼2~3min后用纯氩气把熔融合金液通过石英管底部方口喷射注入真空旋淬系统中高速旋转铜棍上，喷射压力差为0.10~0.12MPa，铜棍转速为15m/s~30 m/s，迅速凝固后借助离心力甩离铜棍面，得到连续的铝合金箔带钎料。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：（1）本发明的箔带钎料熔点低于495℃，钎焊温度可低至510~520℃，有效避免了钎焊时铝合金母材的过烧和熔蚀，有利于获得高性能的钎焊接头性能。钎焊温度降低，有效降低了能源消耗；（2）本发明的钎料可用于钎焊3003、5083等固相线温度在520℃以上铝合金，适用的钎焊方法有火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊和气保护钎焊等。钎焊时配合QJ201钎剂，接头剪切强度大于80MPa；（3）本发明的钎料是箔带状，可用于铝合金精密构件的钎焊；（4）本发明的钎料采用了熔体快冷技术制备，具有比常规熔炼技术制备的同成分钎料更佳的钎焊工艺性，制备工艺简单，便于操作，工艺消耗费较低；（5）本发明的钎料Ge元素含量较少，降低了钎料成本。
具体实施方式
本发明中温铝基箔带钎料包括以下质量百分比的组分：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al；采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料。
上述中温铝基箔带钎料的制备方法，包括如下步骤：
1、采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4~5次后浇注到炉内铁制模具中，得到成分均匀的母合金铸锭；
2、将步骤1获得的母合金铸锭破碎成4~5g的小块，去除氧化皮后，置于丙酮中超声波清洗；
3、将步骤2获得母合金小块放入真空旋淬系统下端石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护；真空旋淬系统的高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼2~3min后用纯氩气把熔融合金液通过石英管底部方口喷射注入真空旋淬系统中高速旋转铜棍上，喷射压力差为0.10~0.12MPa，铜棍转速为15m/s~30 m/s，迅速凝固后借助离心力甩离铜棍面，得到连续的铝合金箔带钎料。
本发明的要点如下：
1、钎料合金成分确定
该钎料合金选择Al-Si-Cu-Ge-Zn-La体系，主要是基于以下几点：研究发现在Al-Si合金基础上添加Cu，可显著降低其熔点，是由于Al-Si-Cu合金（Al-5.5Si -28Cu）的共晶温度为524℃；在Al-Si-Cu合金中，加入一定量Ge，可大幅度降低钎料熔点，这主要和Al-Ge合金（Al-51.6Ge）共晶温度424℃有关，但是Ge价格昂贵，Ge作为脆性相，添加过量会降低接头强度；用少量的Zn代替Ge，降低合金熔点，同时减少钎料成本，但添加过量Zn会降低钎料耐蚀性，而且Zn蒸汽压较高，会增加钎焊难度，故可少量添加；La等稀土元素作为变质剂细化晶粒，可降低其它原子在母材中迁移激活能，提高钎焊接头强度。经过大量实验，本发明确定了各成分的质量百分比如下：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al。
2、钎料制备技术
快速凝固作为一种先进制备技术，已广泛应用于铝合金钎料生产中。传统方法制备的普通钎料晶粒较大，成分分布不均匀，钎料在液态铺展过程中低熔点共晶组织部分先熔化，高熔点的先析出相和金属间化合物后熔化，后熔化相阻碍了低熔点液相的铺展，使得润湿性较差。与传统方法制备的钎料相比，快速凝固技术制备钎料成分均匀，熔化温度区间窄，能够达到瞬时熔化的效果，具有良好的润湿性，所得钎焊接头的力学性能优于普通钎料。快速凝固技术制备钎料的晶粒尺寸更小，表面能增加，熔点也低于普通钎料。此外快速凝固制备箔带钎料的工艺简单，可控性较大，成本低，适用于大范围工业化应用。箔带钎料合金性能（包括钎料合金熔点、箔带尺寸）主要取决于真空旋淬系统的喷射压力差和铜棍转速；经过大量实验，本发明确定了真空旋淬系统的喷射压力差0.10~0.12MPa，铜棍转速15m/s~30 m/s为最佳工艺参数。
下面结合实施例作详细说明：
实施例1
采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：6.5；Cu：16.0；Ge：10.0；Zn：2.0；La：0.5，余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4后，浇注到炉内的铁制模具中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Zn、稀土元素La在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼2min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔（尺寸：10mm×0.5mm）喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中（喷射压力差0.10MPa，铜棍转速为15 m/s），制得箔带长98cm、宽度10mm和厚度197μm。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为490℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊5083铝合金，钎焊温度512℃，钎焊接头抗剪强度≥80Mpa。
实施例2
采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：8.3；Cu：18.0；Ge：9.0；Zn：4.0；La：1.0，余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4后，浇注到炉内的铁制模具中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Zn、稀土元素La在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼3min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔（尺寸：10mm×0.5mm）喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中（喷射压力差0.11MPa，铜棍转速为27.5 m/s），制得箔带长93cm、宽度10mm和厚度158μm。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为495℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊5083铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥82Mpa。
实施例3
采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：9.6；Cu：20.0；Ge：8.0；Zn：6.0；La：1.0，余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼5后，浇注到炉内的铁制模具中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Zn、稀土元素La在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼3min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔（尺寸：10mm×0.5mm）喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中（喷射压力差0.12MPa，铜棍转速为30 m/s），制得箔带长82cm、宽度10mm和厚度104μm。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为488℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊5083铝合金，钎焊温度510℃，钎焊接头抗剪强度≥85Mpa。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种中温铝基箔带钎料，其特征在于，它包括以下质量百分比的组分：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al；采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料。
2.根据权利要求1所述的中温铝基箔带钎料，其特征在于，所述钎料的熔点低于495℃，抗剪强度高于80Mpa。
3.一种权利要求1所述中温铝基箔带钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）采用纯度均大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge、Zn、La作为原材料，按质量百分数配比为：Si：6.5~9.6、Cu：16.0~20.0、Ge：8.0~10.0、Zn：2.0~6.0、La：0.5~1.0、余量为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10-3Pa后，充入0.05MPa的纯氩气进行感应熔炼，反复熔炼4~5次后浇注到炉内铁制模具中，得到成分均匀的母合金铸锭；
（2）将步骤1获得的母合金铸锭破碎成4~5g的小块，去除氧化皮后，置于丙酮中超声波清洗；
（3）将步骤2获得母合金小块放入真空旋淬系统下端石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护；真空旋淬系统的高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼2~3min后用纯氩气把熔融合金液通过石英管底部方口喷射注入真空旋淬系统中高速旋转铜棍上，喷射压力差为0.10~0.12MPa，铜棍转速为15m/s~30m/s，迅速凝固后借助离心力甩离铜棍面，得到连续的铝合金箔带钎料。
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