CN102773630B - 一种中温高强度铝合金粉末钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中温高强度铝合金粉末钎料，其化学成分及其重量百分比为：6.0～8.5％Si、10.0～12.0％Cu、3.0～4.0％Ge、3.0～4.0％Ni、0.5～0.8％La，其余为A1。本发明还公开了采用熔体快冷技术制备所述中温高强度铝合金粉末钎料的方法。本发明钎料熔化温度范围为515～539℃，钎焊温度为545～560℃，适用于固相线高于560℃铝合金的钎焊，特别适合钎焊后需固溶处理且固溶温度不高于545℃的可热处理强化铝合金，适用于炉中钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊等。采用本发明钎料配合QJ201钎剂炉中钎焊6061铝合金，焊后进行T6热处理，钎焊接头剪切强度大于94MPa。

Description

一种中温高强度铝合金粉末钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金钎焊材料，尤其涉及一种中温高强度铝合金粉末钎料及其制备方法。

背景技术

铝合金具有比强度高、耐蚀性好、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、电子等领域。钎焊具有钎焊件变形小、钎焊缝成形美观等优点，是铝合金连接最常用的方法之一。

铝合金钎焊使用最广泛的钎料为Al-Si系钎料，它以Al-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、钎焊接头的抗蚀性和可加工性，且钎焊接头强度较高。但Al-Si系钎料熔点较高(Al-Si共晶温度为577℃)，钎焊温度多在600～605℃，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，且具有一定抗蚀性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，降低了钎焊的温度，有效提高了钎焊的可控性，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。

相对于纯铝、3A21等铝合金，6系列可热处理强化铝合金具有更高的强度指标，应用越来越广泛。由于这类可热处理强化铝合金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，避免钎焊时铝合金母材的溶蚀和晶粒长大，以保证获得良好性能的钎焊接头。

6063和6061铝合金是应用最广泛的两种6系列可热处理强化铝合金，6063铝合金较佳的固溶处理温度为515～525℃，6061为515～540℃。目前铝合金钎焊使用最广泛的Al-Si系钎料钎焊温度多在600～605℃，与6063和6061铝合金的固相线接近(6063铝合金固相线为615℃，6061为593℃)，极易造成6063和6061铝合金母材的晶粒长大，也易使铝合金母材向钎料熔化造成溶蚀缺陷，影响钎焊接头的性能，所以Al-Si系钎料无法满足6063和6061铝合金的钎焊要求。

现有的其他Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg系铝合金钎料，也无法满足6063和6061铝合金的钎焊要求，如典型的Al-Si-Cu系钎料BAl67CuSi的熔化温度范围为525～535℃，Cu含量为27～29wt.％，过多的Cu含量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。

因此，目前铝合金连接材料领域亟待解决的技术问题之一就是要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，实现在合适温度下钎焊6063、6061等可热处理强化铝合金产品，钎焊后产品进行固溶时效强化处理，保证固溶强化过程中钎焊产品所有钎缝保持稳定而不熔化，满足产品的强度等性能要求。

发明内容

本发明提供一种组织细小、成分均匀、熔化区间窄、具有较高的抗拉强度及很好的润湿性的铝合金粉末钎料。

一种中温高强度铝合金粉末钎料，按重量百分比计，原料组成为：6.0～8.5％Si、10.0～12.0％Cu、3.0～4.0％Ge、3.0～4.0％Ni、0.5～0.8％La，其余为Al。

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，加入量过多，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-La合金体系，通过加入少量的Ge，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。另外，加入少量的Ge，大幅度降低钎料中Cu含量的同时还可以显著提高钎焊接头的耐蚀性能。加入少量的稀土元素La作为有效的变质剂，细化钎料组织，改善钎料的流动性，提高钎焊接头性能。

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，本发明选取原料组成及其质量百分比为：6.0～8.5％Si、10.0～12.0％Cu、3.0～4.0％Ge、3.0～4.0％Ni、0.5～0.8％La，其余为Al。

由于Ge的加入，可以适当降低钎料中的Cu含量，但Ge价格昂贵，因此，为保证钎料熔化温度515～539℃，钎焊温度545～560℃范围内，可以有以下两种优选方式：

优选方式1：所述的原料组成为：6.0～8.5％Si、10.0～11.0％Cu、3.5～4.0％Ge、3.0～4.0％Ni、0.5～0.8％La，其余为Al。

优选方式2：所述的原料组成为：6.0～8.5％Si、11.0～12.0％Cu、3.0～3.5％Ge、3.0～4.0％Ni、0.5～0.8％La，其余为Al。

由于所述原料组分的纯度对钎焊过程影响很大，有的原料组分较活泼，在空气中易形成一层氧化膜，这层氧化膜的熔点通常很高，严重妨碍钎焊过程的进行，故优选原料组分Al、Si、Cu、Ge、Ni或La的纯度均大于99.6％。

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。

本发明还提供一种应用熔体快冷技术制备所述中温高强度铝合金粉末钎料的方法，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少，既降低了脆性，提高钎焊接头强度，也降低了钎料成本。

一种中温高强度铝合金粉末钎料的制备方法，包括真空感应熔炼-铸锭工序、真空快淬工序及球磨工序。具体步骤如下：

(1)将原料按比例放入真空感应炉中，感应熔炼后在水冷铜模中铸锭，得母合金铸锭；

(2)将步骤(1)得到的母合金铸锭破碎成小块放入真空旋淬系统，使母合金铸锭熔化后进行真空快淬，得快淬合金；

(3)将步骤(2)得到的快淬合金球磨，得铝合金粉末钎料。

所述步骤(1)中感应熔炼时需先将真空感应炉腔抽真空至3.0～4.0×10^-2Pa再充入0.05MPa的纯氩气后进行熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到母合金铸锭。

所述步骤(1)完成后，为将得到的母合金铸锭的晶粒进一步细化，使其成分更均匀，缩小合金的液固相温度区间，提高钎料的流动性和润湿性，还要进行真空快淬，即将熔融的母合金在一定的压力下，在纯氩气保护气氛中喷射到高速旋转的水冷铜辊上，得到箔片状的快淬合金。

真空快淬分为单辊快淬法和双辊快淬法，较为常用的是单辊快淬法。

本发明所述步骤(2)中采用单辊快淬法，抽取旋淬系统炉腔真空至3.0～4.0×10-2Pa后充入0.05MPa的纯氩气，采用高频感应加热熔化母合金，合金完全熔化后保温6～8秒后喷射到高速旋转的水冷铜辊上。

由于在单辊快淬法中，熔融合金的温度、熔融合金的喷射压力差、水冷铜辊的转速、石英管喷口的尺寸都是关键控制性因素，当上述控制性因素发生变化时，真空快淬制备的材料的微观结构将发生显著的变化，从而使材料的性能随之改变。因此，根据需要，本发明所述的单辊快淬法中，熔融钼合金的喷射压力差为0.05～0.08MPa，旋转铜辊的表面线速度为15～20m/s，石英管喷口一般采用矩形喷口，口径尺寸采用0.5mm×5.0mm或0.8mm×6.0mm。

经过步骤(2)所述的真空快淬工序后得到的箔片状快淬合金需在纯氩气保护下进行球磨，球磨采用行星式球磨机，最终得到粒径为90～140μm的中温高强度铝合金粉末钎料。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的钎料可以用于保护气氛钎焊、真空钎焊、感应钎焊、火焰钎焊等工艺。

(2)本发明的钎料熔化温度范围为515～539℃，钎焊温度545～560℃，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545℃的可热处理强化铝合金。

(3)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。

(4)本发明的钎料可直接与铝钎剂混合使用，也可配制成膏体钎料。

(5)本发明的钎料具有较高的强度，配合QJ201钎剂炉中钎焊6061铝合金，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头剪切强度大于94MPa。

具体实施方式

实施例1

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：8.5％Si、10.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，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^-2Pa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。

(2)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^-2Pa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尺寸为0.5mm×5.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.08MPa，旋转铜辊的表面线速度为20m/s，制得箔片状的快淬合金。

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。粉末粒径为90～125μm。

(4)DSC测得钎料的固、液相温度为517.2～538.4℃；按照GB11363《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂炉中钎焊6061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≥95.7Mpa。

实施例2

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：6.0％Si、12.0％Cu、4.0％Ge、4.0％Ni，0.5％La，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^-2Pa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。

(2)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^-2Pa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尺寸为0.5mm×5.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.05MPa，旋转铜辊的表面线速度为20m/s，制得箔片状的快淬合金。

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。粉末粒径为90～132μm。

(4)DSC测得钎料的固、液相温度为515.2～537.3℃；按照GB11363《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂炉中钎焊6061铝合金，钎焊温度545℃，焊后接头进行T6热处理，钎焊接头抗剪强度≥94.4Mpa。

实施例3

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：8.5％Si、12.0％Cu、3.0％Ge、4.0％Ni，0.8％La，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^-2Pa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。

(2)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^-2Pa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尺寸为0.5mm×5.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.07MPa，旋转铜辊的表面线速度为15m/s，制得箔片状的快淬合金。

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。粉末粒径为108～140μm。

(4)DSC测得钎料的固、液相温度为517.8～538.8℃；按照GB11363《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂炉中钎焊6061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≥94.8Mpa。

实施例4

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：7.0％Si、11.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，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^-2Pa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。

(2)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^-2Pa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尺寸为0.8mm×6.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.08MPa，旋转铜辊的表面线速度为20m/s，制得箔片状的快淬合金。

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。粉末粒径为94～128μm。

(4)DSC测得钎料的固、液相温度为516.6～538.1℃；按照GB11363《钎焊接头强度试验方法》，配用QJ201钎剂炉中钎焊6061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≥95.2Mpa。

Claims (2)

1.一种中温高强度铝合金粉末钎料，其特征在于，按重量百分比计，原料组成为：8.5％Si、10.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，其余为Al，所述的Al、Si、Cu、Ge、Ni或La的纯度均大于99.6％，所述中温高强度铝合金粉末钎料的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：8.5％Si、10.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，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^-2Pa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；

(2)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^-2Pa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尺寸为0.5mm×5.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.08MPa，旋转铜辊的表面线速度为20m/s，制得箔片状的快淬合金；

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。

2.一种中温高强度铝合金粉末钎料，其特征在于，按重量百分比计，原料组成为：7.0％Si、11.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，其余为Al，所述的Al、Si、Cu、Ge、Ni或La的纯度均大于99.6％，所述中温高强度铝合金粉末钎料的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用纯度大于99.6％的Al、Si、Cu、Ge、Ni和La作为原材料，以质量百分数比为：7.0％Si、11.0％Cu、4.0％Ge、3.0％Ni，0.8％La，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^-2Pa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；

(2)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^-2Pa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尺寸为0.8mm×6.0mm的矩形小孔喷射到旋转铜辊表面进行单辊快淬，喷射压力差为0.08MPa，旋转铜辊的表面线速度为20m/s，制得箔片状的快淬合金；

(3)箔片状的快淬合金再在纯氩气保护下在行星式球磨机中球磨，制得粉末钎料。