CN103317252A - 一种铝/铜钎焊用锡基钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铝/铜钎焊用锡基钎料及其制备方法，钎料成分的质量百分比为：铜18~25%，铟4~7%，镍0.1~1%，稀土镧或铈0.01~0.1%，余量为锡。本发明中锡基钎料由单质Sn、Cu、In、Ni和中间合金Cu-La或Cu-Ce制成，制备步骤如下：1、原料计算及称量；2、Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼；3、中间合金的添加；4、保温；5、冷却及取出钎料。本发明钎料是一种焊接工艺性能好，接头强度高，抗腐蚀性能好的锡基钎料，适用于铝/铜异种金属的炉中钎焊及真空钎焊。

Description

一种铝/铜钎焊用锡基钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝/铜钎焊用锡基钎料及其制备方法，属于铝/铜异种金属的钎焊材料领域。

背景技术

铝/铜异种金属钎焊存在两个主要问题：首先，铝/铜异种金属焊接过程中在铜母材一侧界面处易形成连续的铝-铜金属间脆性化合物，导致接头强度下降，抗折弯性能差。其次，铝/铜钎焊时钎料与Al、Cu母材电极电位相差较大，易引起钎缝的电化学腐蚀。目前，已报道的用于铝/铜钎焊的钎料体系包括Al基、Zn基和Sn基三种体系。

夏春智选用Al-12Si（E4047）钎料，Koyama Ken选用Al-Si-Mg-Bi钎料，分别钎焊获得了Al/Cu异种接头。两位研究者都发现钎缝与铜母材界面处存在两种金属间化合物层——Cu₃Al₂和CuAl₂，其显微硬度也远高于其他钎缝区域。研究者Koyama Ken测得Al/Cu接头的抗剪切强度仅为15MPa（Koyoma Ken, et al. Evaluation of Brazing Properties using Al-Si-Mg-Bi Brazing Alloy. Development of Brazing Technique for Al-Cu Dissimilar Joint. (Part1). Journal of Light Metal Welding and Construction, 2002，40(9):403~410）。可以看出，Al-Si系钎料钎焊Al/Cu接头时，由于钎缝与铜母材界面处脆性Al-Cu金属间化合物的影响，接头强度较差。

从Al/Cu接头的抗剪切强度看，Zn-Al系钎料是目前较为理想的一种Al/Cu钎焊用钎料。张满、薛松柏研究了Al、Ag元素对Zn-Al钎料钎焊Al/Cu接头力学性能的影响，结果表明，Zn-15Al-3.3Ag钎料钎焊Al/Cu接头的抗剪切强度达到了50~55MPa。研究者同时发现，采用Zn-Al钎料钎焊Al/Cu接头时，钎缝与Cu母材界面处存在CuAl₂金属间化合物层，接头断裂也主要发生在该界面处(张满等.Ag元素对Zn-Al钎料性能的影响[J].焊接学报,2010,31(10)：73~76)。

Sn-Zn系钎料在钎焊Al/Cu接头时，钎缝与Cu母材界面处的组织与Zn-Al和Al-Si钎焊的Al/Cu接头不同。学者刘鹏选用Sn-9Zn钎料，采用超声波液相钎焊技术实现了变压器Cu/Al过渡接线端子的连接。钎焊接头在Al/钎缝和Cu/钎缝侧均呈现良好的界面结合，钎缝硬度与Al基体硬度分布较为接近，没有显著的高硬度区存在（刘鹏，胡大奎，陈晖等.电站变压器用Cu/Al过度接线端子超声波液相钎焊工艺及组织性能研究[J].现代焊接，2012，（2）：23~24转25）。    学者M. L. Huang采用Sn-9Zn-xNi软钎料钎焊得到Al/Cu接头，研究了接头的显微组织、机械性能和抗腐蚀性能。研究发现在Al/Cu接头中，钎缝与Cu母材之间界面处存在极薄的Al_4.2Cu_3.2Zn_0.7金属间化合物层，钎缝没有高硬度区存在，接头韧性好，抗折弯性能好。但是，由于Sn-9Zn-xNi钎料强度较低，钎料自身的抗腐蚀性能也较差，采用Sn-9Zn-xNi钎料钎焊的Al/Cu接头的强度较低（抗剪切强度为25MPa~36MPa），接头在5%NaCl溶液中浸泡12h后，接头抗剪切强度损失了50%以上，残余强度仅为6MPa~16MPa，Al/Cu接头的抗腐蚀性能差（M. L. Huang , N. Kang,  Q. Zhou, Y. Z. Huang. Effect of Ni Content on Mechanical Properties and Corrosion Behavior of Al/Sn-9Zn-xNi/Cu Joints. JMST, 2012, 28(9): 844-852）。

综上所述，Sn-Zn基钎料钎焊Al/Cu接头时，钎缝与Cu母材界面处没有出现高硬度区，接头的韧性较好；但是，Sn基钎料钎焊获得Al/Cu接头的强度及抗腐蚀性能较差。

发明内容

本发明目的是针对锡基钎料钎焊Al/Cu接头强度低，抗腐蚀性能差的问题，提出一种铝/铜钎焊用锡基钎料及其制备方法。采用该钎料钎焊的Al/Cu接头强度较高，抗折弯性能好，抗腐蚀性能好。

本发明中一种铝/铜钎焊用锡基钎料，是由锡、铜、铟、镍、稀土镧或铈所组成，其成分的质量百分比为：铜18~25%，铟4~7%，镍0.1~1%，稀土镧或铈0.01~0.1%，余量为锡。

本发明中一种铝/铜钎焊用锡基钎料的制备方法，包括以下步骤：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Sn（99.999%）、Cu（99.999%）、In（99.99%）、Ni（99.9%）和中间合金Cu-10La或Cu-10Ce的质量百分比，并按计算结果称取所需单质和中间合金待用；（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Sn、Cu、Ni、In放入陶瓷坩埚中，倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的LiCl和KCl）至金属单质完全被覆盖；将装有金属单质和覆盖剂的坩埚置入580℃~600℃的坩埚炉中加热，至金属单质完全熔化；（3）中间合金Cu-10La或Cu-10Ce的加入：将炉温升高至610℃~620℃，将步骤1中称量好的中间合金Cu-10La或Cu-10Ce加入坩埚内的金属液中，待中间合金熔入金属液后用石英棒进行搅拌，并保温10分钟；（4）钎料合金的保温：将炉温降至590℃~610℃，对坩埚内金属液保温20~40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次金属液；（5）钎料冷却及取出：金属液保温结束后，将坩埚从炉中取出，置于空气中冷却后，去除覆盖剂取出钎料待用。

本发明的一种铝/铜钎焊用锡基钎料通过合金配方的优化和稀土元素的添加，使本发明中的锡基钎料具有较好的强度和抗腐蚀性能，并具有良好的塑性。由于本发明锡基钎料中含有少量In元素，极大的改善了钎料在Al、Cu两种母材上的润湿性，钎料具有较好的钎焊工艺性能，钎焊Al/Cu接头饱满、致密。Ni元素的加入，能进一步提高钎料的抗腐蚀性能，改善钎料的机械加工性能。在钎料的制备过程中，稀土元素以中间合金的形式加入，可以有效的减少稀土元素在熔炼过程中的烧损。本发明的一种铝/铜钎焊用锡基钎料的熔化温度为520℃~540℃，钎焊温度不高于570℃，钎焊温度较低。此外，本发明锡基钎料中不含易挥发元素——Zn元素，可用于真空钎焊，适用范围广。

本专利提出的Sn-Cu-In基钎料，采用该钎料钎焊Al/Cu接头的抗剪切强度较高，抗折弯性能较好；对采用Sn-Cu-In基钎料钎焊好的Al/Cu接头进行1000h的烟雾腐蚀试验后，发现接头没有开裂失效，接头抗腐蚀性较好。

具体实施方式

下面以实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。

对上述钎料按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》中规定的要求，测试了该钎料钎焊铝铜接头的抗剪切强度；用13MPa高压氮气测试了Al/Cu管套接接头的抗压性与气密性；按照 GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》中的规定，将Al/Cu管套接接头腐蚀一定时间后，用1.1Mpa氦气检测接头是否泄漏，以考察接头的抗腐蚀性能。

实施例一

Sn-19Cu-4In-0.2Ni-0.02La钎料，熔点530℃；钎焊Al/Cu接头抗剪切强度70.5MPa；套接管式接头经13MPa高压氮气检漏5分钟，未发现泄漏。管式接头盐雾腐蚀1000h后，用1.1Mpa氦气检测，未发现泄漏。该成分钎料的制备包括以下步骤：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Sn（99.999%）、Cu（99.999%）、In（99.99%）、Ni（99.9%）和中间合金Cu-10La的质量百分比，并按计算结果称取所需单质和中间合金待用；（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Sn、Cu、Ni、In放入陶瓷坩埚中，倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的LiCl和KCl）至金属单质完全被覆盖，将坩埚置入600℃的坩埚炉中加热至完全熔化；（3）中间合金的加入：将炉温升高至620℃，将步骤1中称量好的中间合金Cu-10La加入坩埚内的金属液中，待中间合金熔入合金液后用石英棒进行搅拌，并保温10分钟；（4）钎料合金的保温：将炉温降至590℃，将合金液保温40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次；（5）钎料冷却及取出：合金液保温结束后，将坩埚从炉中取出，置于空气中冷却后，去除覆盖剂取出钎料待用。

实施例二

Sn-21Cu-5.5In-0.5Ni-0.05La钎料，钎料主组元Sn-Cu-In的成分靠近Sn-Cu-In三元共晶点，熔点较低，为520℃；钎焊Al/Cu接头抗剪切强度80.5MPa；套接管式接头经13MPa高压氮气检漏5分钟，未发现泄漏。管式接头盐雾腐蚀1000h后，用1.1Mpa氦气检测，未发现泄漏。该成分钎料的制备方法与实施例一相近，不同之处包括：1、步骤（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼，所采用的坩埚炉温度为580℃；2、步骤（3）Cu-10La中间合金的加入中，炉温为610℃；3、步骤（4）钎料合金的保温过程中，炉温为590℃，保温时间为20分钟。 

实施例三

Sn-23Cu-7In-0.8Ni-0.08La钎料，熔点为535℃；钎焊Al/Cu接头抗剪切强度73.5MPa；套接管式接头经13MPa高压氮气检漏5分钟，未发现泄漏。管式接头盐雾腐蚀1000h后，用1.1Mpa氦气检测，未发现泄漏。该成分钎料的制备方法与实施例一相同。

实施例四

Sn-22Cu-6In-0.4Ni-0.06Ce钎料，钎料熔点为523℃；钎焊Al/Cu接头抗剪切强度88.6MPa；套接管式接头经13MPa高压氮气检漏5分钟，未发现泄漏。管式接头盐雾腐蚀1000h后，用1.1Mpa氦气检测，未发现泄漏。该成分钎料的制备包括以下步骤：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Sn（99.999%）、Cu（99.999%）、In（99.99%）、Ni（99.9%）和中间合金Cu-10Ce的质量百分比，并按计算结果称取所需单质和中间合金待用；（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Sn、Cu、Ni、In放入陶瓷坩埚中，倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的LiCl和KCl）至金属单质完全被覆盖，将坩埚置入590℃的坩埚炉中加热至完全熔化；（3）中间合金的加入：将炉温升高至620℃，将步骤1中称量好的中间合金Cu-10Ce加入坩埚内的金属液中，待中间合金熔入合金液后用石英棒进行搅拌，并保温10分钟；（4）钎料合金的保温：将炉温降至600℃，将合金液保温30分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次；（5）钎料冷却及取出：合金液保温结束后，将坩埚从炉中取出，置于空气中冷却后，去除覆盖剂取出钎料待用。

实施例五

Sn-24Cu-6.5In-0.8Ni-0.08La钎料，钎料熔点为538℃；钎焊Al/Cu接头抗剪切强度80.2MPa；套接管式接头经13MPa高压氮气检漏5分钟，未发现泄漏。管式接头盐雾腐蚀1000h后，用1.1Mpa氦气检测，未发现泄漏。该成分钎料的制备方法与实施例四相近，不同之处包括：1、步骤（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼过程中，坩埚炉温度为600℃；2、步骤（4）钎料合金的保温过程中，炉温为610℃。

Claims (3)

1.一种铝/铜钎焊用锡基钎料，其特征是由锡、铜、铟、镍、稀土镧或铈所组成，其成分的质量百分比为：铜18~25%，铟4~7%，镍0.1~1%，稀土镧或铈0.01~0.1%，余量为锡。

2.根据权利1要求的一种铝/铜钎焊用锡基钎料，其特征按照重量百分计的成分为：铜20~22%，铟5~6%，镍0.3~0.6%，稀土镧或铈0.04~0.06%，余量为锡。

3.根据权利要求1或2所述的一种铝/铜钎焊用锡基钎料的制备方法，其特征在于锡基钎料的制备步骤如下：

（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质99.999%Sn、99.999%Cu、99.99%In、99.9%Ni和中间合金Cu-10La或Cu-10Ce的质量百分比，并按计算结果称取所需单质和中间合金待用；

（2）Sn-Cu-In-Ni合金的熔炼：将步骤（1）中称量完毕的单质Sn、Cu、Ni、In放入陶瓷坩埚中，倒入熔融的覆盖剂至金属单质完全被覆盖, 覆盖剂质量比为1:1的LiCl和KCl；将装有金属单质和覆盖剂的坩埚置入580℃~600℃的坩埚炉中加热，至金属单质完全熔化；

（3）中间合金Cu-10La或Cu-10Ce的加入：将炉温升高至610℃~620℃，将步骤1中称量好的中间合金Cu-10La或Cu-10Ce加入坩埚内的金属液中，待中间合金熔入金属液后用石英棒进行搅拌，并保温10分钟；

（4）钎料合金的保温：将炉温降至590℃~610℃，对坩埚内金属液保温20~40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次金属液；

（5）钎料冷却及取出：金属液保温结束后，将坩埚从炉中取出，置于空气中冷却后，去除覆盖剂取出钎料待用。