CN100469496C - 一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法 - Google Patents

一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法，该钎剂由氯化铝(AlCl3)和氟化钾(KF)通过化学反应生成，生成物的主相为K2AlF5·H2O，其中加入了聚己二醇(PEG4000)作为分散剂，加入氢氟酸(HF)调节生成物的pH值至4，制备过程中将反应产物经过滤、清洗，真空干燥处理，干燥后的反应物烧结得到钎剂粉体，本发明采用化学沉淀法原理制备纳米级的铝钎剂粉体，该钎剂粉体粒径极小、成分均匀准确、熔点低钎焊性能好。

Description

一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法
技术领域
本发明属于一种焊接材料，具体涉及一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、强度高和耐腐蚀等优点，因而广泛应用于汽车、高速铁路车辆、航空航天和军事工业。由于它特有的物理、化学性能，其焊接过程中会遇到一系列困难，如氧化、焊缝热裂纹和气孔等。对于铝合金的焊接，传统的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。在钎焊中，铝及其合金的硬钎焊钎剂传统均以氯盐基钎剂占主导地位。但是该类钎剂存在着氯等卤离子对母材的强烈电化学腐蚀，吸湿性很强。在钎焊区，焊后残渣吸潮后会严重腐蚀钎焊件，且在加热过程容易水解，导致钎剂性能变坏，甚至失效。此外，焊后对残留物的清洗要求较高，未能彻底清洗的残留物是工件焊接区锈蚀的严重隐患。70年代后期，迅速发展起来的一种不溶性钎剂，该钎剂是由KF-AlF3系构成的氟铝酸钾混盐。该钎剂系为两个中间化合物KAlF4-K3AlF6间的共晶点组成的盐。当KF与AlF3形成共晶点时，共晶点温度为560℃，钎剂就取此共晶点的成分。这种钎剂的性能比氯化物钎剂具备无庸置疑的优点，它不吸湿，不腐蚀，被称为“无腐蚀”钎剂或Nocolok钎剂，因而受到广泛的重视。目前制备NOCOLOK钎剂的主要有四种比较通用的方法，即熔炼法、机械研磨法、烧结法和水调法(或水煮法)。采用这四种方法制备的NOCOLOK钎剂含有游离的氟化物，这些游离的氟化物易溶于水，对焊接工件有腐蚀。而熔炼法耗能高，不易控制成分等缺点。近年来，有报道采用湿法(或化合法)合成NOCOLOK钎剂。
Nocolok钎剂的合成方法和配方，综合有关文献报导共有以下八种：
a.用定量的AlF3和KF加水磨成糊，然后在低于200℃烘干1小时。
b.用定量的AlF3和KF加热熔融之，将冷却物磨细至(150～200)筛目。
c.分别合成K3AlF6和KAlF4，然后将它们按比例混成相图中最低熔点的组成。
d.将无水AlF3和KF干粉按比例混匀研细，300℃下焙烧1小时。
e.将定量的Al(OH)3溶于HF，然后用定量的KOH溶液处理。温度保持30℃～100℃，酸度pH<4。
f.用无定形的Al(OH)3加入到HF和KF(或KOH，K2CO3)的混合液中；或将(KOH，K2CO3)加入到HF和无定形Al(OH)3的混合液中。温度50℃～60℃，pH＝5～10。由此可得到粒度细、比表面大的悬浮钎剂。
g.将定量的Al(OH)3或金属铝屑溶在定量的KOH溶液中，生成NaAlO2和KOH的混合液，再用过量的HF转化为氟铝酸钾钎剂。
h.采用湿法分步合成，即用定量的Al(OH)3溶于定比例量的HF，然后将K2CO3溶液缓慢加入，充分搅拌，调节不同的pH值，改变不同的蒸干温度。在合适的制备条件下(pH值约等于4或略小于4，蒸干温度约100℃)，能制得粒度均匀、细小，比表面积大，成份十分准确的氟铝酸钾钎剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法。
本发明的技术方案是该钎剂由氯化铝(AlCl3)和氟化钾(KF)通过化学反应生成，生成物的主相为K2ALF5·H2O，其中加入了聚乙二醇(PEG4000)作为分散剂，加入氢氟酸(HF)调节生成物的PH值至4，制备过程中将反应产物经过滤、清洗、真空干燥处理，干燥后的反应物烧结得到钎剂粉体。
上述制备过程中，氯化铝与氟化钾的优选质量百分比比例为：9.16：17.24。
上述氯化铝(AlCl3)采用分析纯A.R的氯化铝(AlCl3)，氟化钾(KF)采用化学纯CP的氟化钾(KF)，聚乙二醇(PEG4000)采用化学纯CP的聚乙二醇(PEG4000)。
上述分散剂加入量为溶液浓度的8～13％，其中优选加入量为10％、12％。
上述制备过程的反应温度为65～75℃，氯化铝(AlCl3)、氟化钾(KF)溶液的浓度为1mol/L。
上述制备过程中使用了电磁搅拌器恒温搅拌1小时，超声波振荡20分钟。
将干燥后的反应物于250℃烧结2h。
本发明采用化学沉淀法原理制备纳米级的铝钎剂粉体。该钎剂粉体粒径极小、成分均匀准确、熔点低钎焊性能好。
本发明的有益效果是：
1)本钎剂为纳米粉体，其熔点更低(551℃)，铺展及填缝性能更好。
2)本钎剂配方采用了氯化铝、氟化钾和氟化氢为主要原料，这与目前相关报道的NOCOLOK钎剂配方不同，尤其是氯化铝和氟化氢为主料的配方还未见报道。
3)本钎剂利用化学沉淀法原理，制备方法有创新，通过控制反应温度(如恒温)和溶液浓度来控制反应速度，通过实验确定反应温度为70℃，AlCl3溶液浓度为1mol/L。
4)制备过程中加入了聚乙二醇PEG4000(化学纯CP)作为分散剂，该分散剂具有长链大分子结构，在溶液中形成空间网状结构，阻碍了反应产物的团聚，是制备该纳米钎剂干粉的关键。分散剂加入量为溶液浓度的10～13％较为合适。此外，制备过程中使用了超声波振荡，
具体实施方式
下面实施例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
按给定比例为9.16：17.24的AlCl3和KF配料，分散剂聚乙二醇(PEG4000)的加入量为溶液浓度的10％，加入过量的HF，控制反应温度70℃，调节PH值，使用电磁搅拌仪搅拌1h，超声波振荡20min，反应生成沉淀，将其进行过滤、清洗，真空干燥。将干燥后的试样于250℃烧结2h，最终得到平均尺寸为35纳米的铝钎剂粉体。
所制备的钎剂的铺展及填缝性能见下表1。可见其铺展及填缝性能优于其它方法所制备的同类钎剂。
表1 不同制备方法钎剂的铺展面积和填缝长度对比
Figure C200710026305D00061
采用上述纳米钎剂和AL-Si钎料配合钎焊LF21铝合金，并对试样进行了抗拉强度，以及采用SEM观察了钎焊接头断口形貌。结果表明，钎焊接头强度接近母材达146.2MPa。
实施例2
重复例1的步骤，不同之处在于分散剂聚乙二醇PEG4000(化学纯CP)的加入量为溶液浓度的8％。所得粉体的平均尺寸为45nm。
实施例3
重复例1的步骤，不同之处在于分散剂聚乙二醇PEG4000(化学纯CP)的加入量为溶液浓度的9％。所得粉体的尺寸为38nm。
实施例4
重复例1的步骤，不同之处在于分散剂聚乙二醇PEG4000(化学纯CP)的加入量为溶液浓度的12％。所得粉体的尺寸为48nm。
本发明试验所用原料为：氢氟酸(含量≥40％，分析纯A.R)；氟化钾(分析纯A.R)；氯化铝(分析纯A.R)；PEG4000(化学纯CP)。化学沉淀法的配比采用制备所得钎剂成分的质量百分比KF：AlF3＝45.8：54.2，倒算出参与反应的各原料的质量百分比，该比例为：KF：AlCl3＝9.16:17.24。试样制备步骤如下：
1.按给定比例的AlCl3和KF配料，该比例为：KF：AlCl3＝9.16:17.24。
2.把KF和AlCl3配制成1mol/L浓度的溶液，并加热至70℃。
3.在AlCl3溶液中加入分散剂PEG4000后，混合两种溶液。反应过程中加入过量的HF，调节PH值.
4.使用90-2型电磁搅拌器恒温搅拌1小时，超声波振荡20分钟，反应生成沉淀。
5.将反应产物进行过滤、清洗，真空干燥。将干燥后的试样于250℃烧结2h，最终得到纳米级的铝钎剂粉体。
配比采用KF-AlF3系共晶点成分，即AlF3与KF的摩尔百分比为45mol％：55mol％，倒算出参与反应的各原料的百分比，其中HF过量。按给定比例的AlCl3和KF配料，加入一定量的分散剂和过量的HF，控制反应速度与温度，调节PH值，使用电磁搅拌仪搅拌1h，超声波振荡20min，反应生成沉淀，将其进行过滤、清洗，真空干燥。将干燥后的试样于250℃烧结2h，最终得到纳米级的铝钎剂粉体

Claims (6)

1.一种纳米粉体铝合金钎剂的制备方法，其特征在于：该钎剂是由氯化铝(AlCl3)和氟化钾(KF)通过化学反应生成，生成物的主相为K2ALF5·H2O，其中加入了聚乙二醇4000作为分散剂，加入氢氟酸(HF)调节生成物的PH值至4，制备过程中将反应产物经过滤、清洗、真空干燥处理，干燥后的反应物烧结得到钎剂粉体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述制备过程中，氯化铝与氟化钾的质量百分比比例为：9.16：17.24。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：上述氯化铝(AlCl3)采用分析纯A.R的氯化铝(AlCl3)，氟化钾(KF)采用化学纯CP的氟化钾(KF)，聚乙二醇4000采用化学纯CP的聚乙二醇4000。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述制备过程的反应温度为65～75℃；氯化铝(AlCl3)、氟化钾(KF)溶液的浓度为1mol/L。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述制备过程中使用电磁搅拌器恒温搅拌1小时，超声波振荡20分钟。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将干燥后的反应物于250℃烧结2小时。
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