CN102152024A - 一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法 - Google Patents

一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法。属于铝合金焊接技术领域。该钎料以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al。该钎料采用熔体快冷技术制备，熔点低于500℃，钎焊温度520~530℃，适用于固相线高于520℃的铝合金的钎焊，有火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊和气保护钎焊等。该钎料配合QJ201钎焊LF21，钎焊接头剪切强度大于70MPa。该钎料Ge含量较少，降低了成本。

Description

一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，尤其涉及一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法。
背景技术
铝合金由于具有密度小、比强度高等优点，广泛应用于航空、航天、石化、汽车、机械等领域，很多传统的铜合金波导、高频器件、冷凝器、热交换器等已被铝合金所取代。钎焊作为铝合金连接的重要方法之一，具有钎焊件变形小、尺寸精度高等优点，在实际生产中得到越来越广泛的应用，特别适合于制造复杂的铝合金构件。Al-Si系钎料以A1-Si共晶成分为基础，该共晶合金具有良好的润湿性、流动性、钎焊接头的抗腐蚀性和可加工性，且钎焊接头强度高，是铝合金钎焊中应用最广的一种铝钎料。但Al-Si系钎料熔点较高(Al-Si共晶合金的共晶温度为577℃)，钎焊时钎焊温度多在600℃以上，接近于铝合金的固相线温度，易使母材发生过烧、溶蚀等现象。在一些特殊的应用场合，如薄壁的铝制板翅式换热器的钎焊，Al-Si系钎料的应用受到很大的制约。
因此，研制熔点较低、强度较高，且具有一定抗腐蚀性能的铝合金钎料是铝合金钎焊发展的必然。钎料熔点的降低，可以降低钎焊温度，有效提高钎焊的可控性，避免钎焊时铝合金母材的溶蚀和晶粒长大，获得高质量的钎焊接头，同时也可以降低能源消耗，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。
钎料的性能取决于其成分和组织。Al-Si共晶合金（Al-12.6Si）的共晶温度为577℃，添加Cu，可显著降低其熔点，Al-Cu-Si共晶合金（Al-28Cu-5.5Si）的共晶温度为524℃，Al-Cu-Si系钎料钎焊时钎焊温度较Al-Si系钎料降低了很多，如BAl86SiCu钎料的熔化温度为520-585℃，钎焊温度为585-650℃；BAl66SiCu钎料的熔化温度为525-535℃，钎焊温度为550-600℃。但Cu加入量多会使材料变脆及钎焊时出现对母材的溶蚀，很难得到性能优良的钎焊接头；Ge的加入也会大大降低钎料的熔点，这主要和Al-Ge共晶合金（Al-51.6Ge）的共晶温度424℃有关，但是Ge价格昂贵（目前纯度99.9%的Ge约8000元/公斤）并使接头强度降低。少量添加Zn、Sn等在一定程度上可以降低钎料熔点及脆性，但同时也降低其耐蚀性；Ni替代部分Cu，La等稀土元素作为变质剂细化晶粒，有利于提高钎焊接头强度，降低脆性，等等。除成分外，钎料的制备技术对其性能也有很重要的影响作用。如快速凝固技术制备的钎料与传统方法制备的普通钎料相比，钎料组织细小，成分均匀，熔化区窄，能够达到瞬时熔化的效果，钎料铺展迅速，因而具有良好的润湿性，所得钎焊接头的力学性能等明显优于普通钎料。另外，快速凝固技术制备的钎料由于其晶粒细化，表面能增加，熔点也低于普通钎料。
为获得熔点低于500℃的铝合金钎料，兼顾其流动性、对铝合金母材的润湿性，以及钎焊后钎焊接头的性能和钎料的成本，必须选择合适的合金体系，并进行添加元素改性，结合制备技术控制，才能获得满足要求的铝合金钎料。
发明内容
本发明的目的是提供一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料及其制备方法。
熔点低于500℃的高强度铝合金钎料以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al。
所述的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi和La的纯度大于99.6%，Al和Si采用Al-12Si中间合金。
熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的制备方法的步骤如下：
1）采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到成分均匀的母合金铸锭；
2）将母合金铸锭破碎成小块后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3~4min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.6~1.0mm的小孔，喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.06~0. 08MPa，制得熔点低于500℃的高强度铝合金钎料。
所述熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的直径为1.5~3.0mm，长度为120~150mm。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1）本发明的钎料熔点低于500℃，钎焊温度可低至520~530℃，有效避免了钎焊时铝合金母材的过烧和具蚀，有利于获得高性能的钎焊接头。钎焊温度降低，有效降低了能源消耗；
2）本发明的钎料具有较高的强度，配合QJ201钎剂钎焊LF21铝合金，接头剪切强度大于70MPa，本发明所得钎料适用于固相线温度在520℃以上的铝合金的钎焊，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；
3）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；
4）本发明的钎料Ge元素含量较少，降低了钎料成本；
5）本发明的钎料制备方法相对简单，工艺可控，便于操作，工艺消耗费较低。
具体实施方式
下面结合实施例作详细说明。
熔点低于500℃的高强度铝合金钎料以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al。
所述的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi和La的纯度大于99.6%，Al和Si是采用Al-12Si中间合金。
熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的制备方法的步骤如下：
1）采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到成分均匀的母合金铸锭；
2）将母合金铸锭破碎成小块后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3~4min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.6~1.0mm的小孔，喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.06~0. 08MPa，制得熔点低于500℃的高强度铝合金钎料。
实施例1
采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：8.29；Cu：14.0；Ge：8.0；Ni：4.0；Sn：2.0；Mg：1.0；Sr：0.65；Bi：0.25；La：1.0，其余为Al的配比配制好，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到长方体的母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Sn、Mg、Sr、Bi和稀土元素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小孔（孔径为1.0mm）喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.08MPa），制得直径3.0mm、长度为150mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为473~494℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊LF21铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥75Mpa。
实施例2
采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：8.14；Cu：16.0；Ge：7.0；Ni：3.0；Sn：3.0；Mg：1.5；Sr：0.65；Bi：0.3；La：0.7，其余为Al的配比配制好，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到长方体的母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Sn、Mg、Sr、Bi和稀土元素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4min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的小孔（孔径为0.8mm）喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.07MPa），制得直径2.0mm、长度为140mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为475-496℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊LF21铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥73Mpa。
实施例3
采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：8.50；Cu：15.52；Ge：8.0；Ni：2.0；Sn：2.0；Mg：0.5；Sr：0.55；Bi：0.1；La：0.5，其余为Al的配比配制好，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到长方体的母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Sn、Mg、Sr、Bi和稀土元素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小孔（孔径为0.6mm）喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.08MPa），制得直径1.5mm、长度为120mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为476-498℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊LF21铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥72Mpa。
实施例4
采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：8.34；Cu：15.0；Ge：7.0；Ni：3.0；Sn：2.0；Mg：1.0；Sr：0.50；Bi：0.3；La：0.7，其余为Al的配比配制好，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到长方体的母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Sn、Mg、Sr、Bi和稀土元素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小孔（孔径为0.8mm）喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.07MPa），制得直径2.0mm、长度为120mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为477-500℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊LF21铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥71Mpa。
实施例5
采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：7.9；Cu：16.0；Ge：8.0；Ni：4.0；Sn：3.0；Mg：1.3；Sr：0.57；Bi：0.3；La：1.0，其余为Al的配比配制好，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到长方体的母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注Ge、Sn、Mg、Sr、Bi和稀土元素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3.5min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的小孔（孔径为0.8mm）喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.07MPa），制得直径2.0mm、长度为120mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为470-493℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201炉中钎焊LF21铝合金，钎焊温度520℃，钎焊接头抗剪强度≥70Mpa。

Claims (4)

1.一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料，其特征在于以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al。
2.根据权利要求1所述的一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料，其特征在于所述的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi和La的纯度大于99.6%，Al和Si采用Al-12Si中间合金。
3.一种根据权利要求1所述的熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：
1）采用Al-12Si中间合金和纯度大于99.6%的Cu、Ge、Ni、Sn、Mg、Sr、Bi、La作为原材料，以质量百分数比计组分为：Si：7.9~8.5、Cu：14.0~16.0、Ge：7.0~8.0、Ni：2.0~4.0、Sn：2.0~3.0、Mg：0.5~1.5、Sr：0.55~0.65、Bi：0.1~0.3、La：0.5~1.0、其余为Al，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，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到成分均匀的母合金铸锭；
2）将母合金铸锭破碎成小块后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3~4min 后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.6~1.0mm的小孔，喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.06~0. 08MPa，制得熔点低于500℃的高强度铝合金钎料。
4.根据权利要求3所述的一种熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的制备方法，其特征在于所述熔点低于500℃的高强度铝合金钎料的直径为1.5~3.0mm，长度为120~150mm。
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