CN102513721A - 一种高强度铝合金中温钎焊钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金中温钎料及其制备方法，该钎料的化学成分及其质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al；该钎料采用熔体快冷技术制备，熔化温度范围为514~538℃，钎焊温度540~560℃，适用于固相线高于560℃的铝合金的钎焊，特别适合于焊后需要固溶处理且固溶温度不高于530℃的可热处理强化铝合金，适用的钎焊方法有保护气氛钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊等。采用该钎料配合QJ201钎剂气保护炉中钎焊6063铝合金，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头剪切强度大于91MPa。

Description

一种高强度铝合金中温钎焊钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金的焊接连接技术领域，尤其涉及一种高强度铝合金中温钎焊钎料及其制备方法。

背景技术

铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好、易成型，并具有良好导电导热性等优良特性，广泛应用于航空航天、船舶、电力输送、石化、汽车、电子等军用和民用工业领域。钎焊是铝合金连接最常用的方法之一，具有钎焊件变形小、钎焊缝成形美观等优点，特别适合于制造复杂的铝合金构件。铝合金钎焊使用最广泛的钎料为Al-Si系钎料，它以A1-Si共晶成分（Al-12.6Si）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。但Al-Si系钎料熔点较高(Al-12.6Si共晶温度为577℃)，钎焊时钎焊温度多在600℃以上，无法满足许多固相线温度较低的铝合金的钎焊要求。另外，过高的钎焊温度极易造成铝合金母材发生过烧、溶蚀等现象，从而降低钎焊接头的性能。因此，研究开发熔点较低、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，拓宽了钎焊在铝合金连接上的应用，降低了钎焊温度，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。

钎料的性能取决于其成分和组织。Al-Si共晶合金的共晶温度为577℃，Al-Cu-Si共晶合金（Al-28Cu-5.5Si）的共晶温度为524℃，添加Cu，可较大幅度降低Al-Si系钎料的熔点，如Al-9.6Si-20Cu的熔化温度范围为522~536℃，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；添加Ge，可显著降低钎料的熔点，这主要和Al-Ge共晶合金（Al-51.6Ge）的共晶温度424℃有关，如Al-Si-20Cu-10Ge的熔化温度范围为408~478℃，但是Ge价格昂贵，加人量过多，大大增加了钎料的成本，同时也降低了钎焊接头强度；添加少量的Ni可以在一定程度上降低钎料的熔点，如Al-10Si-20Cu-3.3Ni的熔化温度范围为491.7~535.8℃，更重要的是Ni可以取代一部分的Cu，减少Cu对钎料塑性的破坏，降低脆性，提高钎焊接头强度；添加Zn、Sn等，也可以降低Al-Si系钎料的熔点，但同时也降低其耐蚀性，另外，Zn和Sn的蒸汽压较高，不利于钎焊的进行；添加少量的Mg，Mg能吸收水汽、活化除膜，使得钎料能更好地润湿母材；添加少量的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。

6063、6061等可热处理强化铝合金的应用越来越广泛，其焊接以后通常都要进行固溶和时效强化以获得高力学性能，所以这类可热处理强化铝合金的钎焊温度在不低于其固溶温度的前提下要尽可能的低，以保证获得良好性能的钎焊接头。6063铝合金比较理想的固溶温度为515~525℃，而6061为525~530℃。现有的Al-Si、Al-Si-Cu等钎料无法满足6063、6061等可热处理强化铝合金的钎焊要求，难以获得性能优良的钎焊接头。

研究开发具有合适的熔点、优良的钎焊工艺性能和钎焊接头性能的高强度铝合金中温钎料，是目前铝合金连接材料领域亟待解决的技术问题之一。为获得合适熔点的铝合金钎料，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，必须选择合适的钎料合金体系，并结合制备技术进行控制。

发明内容

本发明的发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种高强度铝合金中温钎料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高强度铝合金中温钎料，该钎料的化学成分及其质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al。

上述的高强度铝合金中温钎料的制备方法，步骤如下：

（1）采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，按照质量配比5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至3.0~4.0×10^-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3.0~4.0×10^-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应加热石英管中的母合金使其熔化，合金完全熔化后保温6~8秒，用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.8~1.0mm的小孔喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.08~0.1MPa，制得丝状高强度铝合金中温钎料。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的钎料可以采用保护气氛钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊等工艺用于纯铝以及3A21、6061、6063等固相线高于560℃的铝合金的钎焊，特别适合于焊后需要固溶处理且固溶温度不高于530℃的可热处理强化铝合金。本发明的钎料采用了熔体快冷技术制备，钎料组织细小，成分均匀，熔化区窄，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；本发明的钎料具有较高的强度，配合QJ201钎剂气保护炉中钎焊6063铝合金，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头剪切强度大于91MPa。

具体实施方式

本发明高强度铝合金中温钎料的化学成分及其质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al。所述的Al、Si、Cu、Ge、Ni的纯度均大于99.6%。

本发明高强度铝合金中温钎料熔化温度范围为514~538℃，钎焊温度540~560℃，适用于固相线高于560℃的铝合金的钎焊，特别适合于焊后需要固溶处理且固溶温度不高于530℃的可热处理强化铝合金。适用的钎焊方法有保护气氛钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊等。

本发明高强度铝合金中温钎料的制备方法，步骤如下：

1、采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，按照5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al的质量配比取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至3.0~4.0×10^-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3.0~4.0×10^-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应加热石英管中的母合金使其熔化，合金完全熔化后保温6~8秒，用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.8~1.0mm的小孔喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.08~0.1MPa，制得丝状高强度铝合金中温钎料。

所制备的高强度铝合金中温钎料熔化温度范围为514~538℃，直径为1.0~2.0mm，长度为150~200mm。

下面结合实施例作详细说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

实施例1：钎料合金成分的确定

已有的研究表明，在Al-Si系钎料中添加Cu可较大幅度降低Al-Si系钎料的熔点，如添加了20wt.% Cu的Al-9.6Si-20Cu的熔化温度范围为522~536℃，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；添加少量的Ni可以在一定程度上降低钎料的熔点，如添加了3.3wt.% Ni的Al-10Si-20Cu-3.3Ni的熔化温度范围为491.7~535.8℃，更重要的是Ni取代一部分的Cu，减少Cu对钎料塑性的破坏，降低脆性，提高钎焊接头强度；添加Ge，可显著降低钎料的熔点，如添加了10wt.% Ge的Al-Si-20Cu-10Ge的熔化温度范围为408~478℃，但是Ge价格昂贵，加人量过多，大大增加了钎料的成本，同时也降低了钎焊接头强度。本发明选择Al-Si-Cu-Ge-Ni合金体系，通过加入少量的Ge，可以大幅度降低钎料中的Cu含量，在降低熔点的同时保证钎料钎焊铝合金时可以得到足够强度的钎焊接头。兼顾钎料的熔点、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，本发明选取钎料的化学成分及其质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al。

实施例2：钎料的制备

已有的研究表明，熔体快冷技术制备的钎料与传统方法制备的同成分的普通钎料相比，快冷钎料成分均匀，熔化温度区间窄，能够达到瞬时熔化的效果，铺展迅速，因而具有良好的润湿性。钎料熔化温度区间窄，有利于避免母材过烧，提高钎焊接头质量。传统方法制备的普通钎料组织粗大，成分分布不均，低熔点的共晶先行熔化，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。从熔点上比较，快冷钎料的晶粒细小，表面能增加，最终使得熔点低于传统方法制备的同成分的普通钎料。另外，快冷钎料的力学性能明显的优于传统方法制备的同成分的普通钎料。本发明采用熔体快冷技术，可以在获得钎料熔化温度范围一致的前提下，钎料中的Cu和Ge的含量比传统方法制备的普通钎料要少，降低了脆性，提高钎焊接头强度，也降低了钎料成本。

高强度铝合金中温钎料的制备方法的步骤如下：

1）采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，以质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，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3.0~4.0×10^-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3.0~4.0×10^-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应加热石英管中的母合金使其熔化，合金完全熔化后保温6~8秒，用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.8~1.0mm的小孔喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.08~0.1MPa，制得丝状高强度铝合金中温钎料。

实施例3

采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，以质量百分数比为：5.0%Si、12.0%Cu、3.0%Ge、3.0%Ni，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、Si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，合金完全熔化后保温8秒后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的孔径为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0.08MPa），制得直径2.0mm、长度为200mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为519.9~537.4℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂气保护炉中钎焊6063铝合金，钎焊温度560℃，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头抗剪强度≥93.1Mpa。

实施例4

采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，以质量百分数比为：7.0%Si、10.0%Cu、4.0%Ge、2.0%Ni，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3.0×10^-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、Si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3.0×10^-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，合金完全熔化后保温6秒后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的孔径为0.8mm的小孔喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中（喷射压力差0.1MPa），制得直径1.0mm、长度为150mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为513.2~532.1℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂气保护炉中钎焊6063铝合金，钎焊温度540℃，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头抗剪强度≥91.2Mpa。

实施例5

采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，以质量百分数比为：6.0%Si、11.0%Cu、4.0%Ge、3.0%Ni，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、Si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3.0×10^-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，合金完全熔化后保温7秒后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的孔径为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0.08MPa），制得直径2.0mm、长度为150mm的丝状钎料。用DSC测得钎料的固、液相温度为516.8~536.1℃；按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂气保护炉中钎焊6063铝合金，钎焊温度550℃，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头抗剪强度≥92.4Mpa。

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)

1.一种高强度铝合金中温钎料，其特征在于，该钎料的化学成分及其质量百分比为：5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的高强度铝合金中温钎料，其特征在于，所述的Al、Si、Cu、Ge和Ni的纯度均大于99.6%左右。

3.一种权利要求1和2所述的高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于，它的步骤如下：

（1）采用纯度大于99.6%的Al、Si、Cu、Ge和Ni作为原材料，按照质量配比5.0~7.0%Si、10.0~12.0%Cu、3.0~4.0%Ge、2.0~3.0%Ni，其余为Al取材，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至3.0~4.0×10^-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3.0~4.0×10^-3Pa后充入0.05MPa的纯氩气保护，采用高频感应加热石英管中的母合金使其熔化，合金完全熔化后保温6~8秒，用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部孔径为0.8~1.0mm的小孔喷射注入旋淬系统中的水冷铜模中，喷射压力差0.08~0.1MPa，制得丝状高强度铝合金中温钎料。