CN103317255B - 一种铝/铜钎焊用锌基钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝/铜钎焊用锌基钎料及其制备方法，可用于铝/铜异种金属的炉中和火焰钎焊，属于钎焊材料领域。本发明钎料成分的质量百分比为：铝22~28%、锡1~8%、镍0.1~0.3%、稀土镧0.01~0.1%，余量为锌。本发明中锌基钎料由单质Zn、Al、Sn、Ni和中间合金Al-La制成，制备步骤如下：1、原料计算及称量；2、Zn-Al-Sn-Ni合金的熔炼；3、中间合金Al-La的添加；4、保温；5、冷却及取出钎料。该钎料熔点为480℃~510℃，采用该钎料钎焊Al/Cu接头时，钎焊工艺性好，接头的抗腐蚀性能较好，接头强度较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝/铜钎焊用锌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
在Al/Cu异种金属的钎焊领域，Zn-Al基钎料钎焊Al/Cu接头较Al基和Sn基钎料钎焊接头的抗剪切强度高，是一种较为理想的Al/Cu钎焊钎料。但Zn-Al钎料钎焊Al/Cu异种接头时，仍存在两个问题：（1）Zn-Al基钎料与Cu母材的润湿性较差（铺展面积较小），Al/Cu接头成型主要依靠钎料与Al母材之间的润湿完成，钎料的工艺性较差；（2）Zn-Al钎料的腐蚀电位低于Al、Cu两母材，易引起Al/Cu接头的电化学腐蚀，Zn-Al钎料钎焊Al/Cu接头的抗腐蚀性能较差。
为了改善Zn-Al基钎料在Cu母材上的润湿性，张满等研究了Zn-Al钎料中Al含量对钎料在母材表面润湿性的影响；研究发现，随着Zn-Al钎料中Al含量的提高（15wt%~25wt%），钎料在Cu母材上的铺展面积逐渐增大（45mm2~60 mm2），钎料与Cu母材的润湿性提高，钎料在Al母材上的铺展面积逐渐减小（250mm2~180mm2），钎料与Al母材的润湿性变差。可以看出，提高Zn-Al钎料中Al元素含量，能小幅改善钎料在Cu母材上的润湿性，却恶化了钎料在Al母材上的润湿性，使钎料的钎焊工艺性变差（张满，薛松柏，戴玮等.Al元素含量对Zn-Al钎料性能影响[J].焊接学报，2010,31（9）：93-96）。张满、薛松柏等还研究Ag元素对Zn-15Al钎料在母材上润湿性的影响；研究发现，随着Ag元素含量的提高（0~4wt%），Zn-15Al钎料在Al母材和Cu母材上的铺展面积均增大（Al上的铺展面积：260mm2~330mm2；Cu上的铺展面积：47mm2~53mm2）。可以看出，Ag元素对钎料与Al母材的润湿性有较大的改善作用，但是对钎料与Cu母材的润湿性改善作用较小（张满，薛松柏，戴玮等.Ag元素对Zn-Al钎料性能的影响[J].焊接学报，2010，31(10)：73~76）。Ji Feng等研究了稀土元素Ce对Zn-22Al钎料在母材上润湿性的影响；研究发现，在Zn-22Al钎料中加入0.03wt%Ce元素，钎料在Al母材上的铺展面积提高了11.6%，在Cu母材上的铺展面积增大了29.7%，但钎料在Cu母材上的铺展面积仅为钎料在Al母材上铺展面积的1/5~1/4（Ji Feng, Xue Songbai, Lou Ji-yuan, Lou Yin-bin, Wang Shuiqing. Mcirostructure and properties of Cu/Al joints brazed with Zn-Al filler metals.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,(22):281-287）。
对于Al/Cu接头的抗腐蚀性能及改善方法的研究较少，潘浩等采用锌铝药芯钎焊丝（Zn-5Al、Zn-8Al、Zn20Al、Zn-28Al、Zn-15Al-5Ag）进行了Al/Cu接头的钎焊，并研究了Al/Cu接头的抗腐蚀性能；结果表明，五种Zn-Al系药芯焊丝钎焊所得Al/Cu接头在人造盐水中浸泡10天后，Zn-5Al料钎焊接头的失强率最大，为40%；Zn-28Al与Zn-5Al-5Ag钎料钎焊接头的失强率最小，为10%~20%（潘浩等.锌铝药芯钎焊丝钎焊铝铜接头性能研究[J].第十九届全国钎焊及特种焊连接技术交流会论文集）。王凯等选用Zn-22Al-1.5Si-Mg钎料实现了铜/铝管的钎焊。研究表明，添加0.03wt%Mg元素能显著提高钎料基体的电极电位，从而提高钎料本身的耐腐蚀性能。在3.5%NaCl盐水中浸泡30天后，Al/Cu接头失强率在10%~30%之间（王凯，刘正林，杨凯珍.铜/铝钎焊用Zn-Al钎料的电化学腐蚀性能研究[J].热加工工艺，2011，40（23）:14~16）。可以看出，采用Zn-Al基钎料钎焊Al/Cu接头的抗腐蚀性能较差。
综上所述，当前还未发现合适的Zn-Al基钎料，能同时解决钎料的钎焊工艺性较差（润湿性较差）和钎焊Al/Cu接头的抗腐蚀性能较差的问题。
发明内容
本发明目的是针对Zn-Al基钎料钎焊Al/Cu接头工艺性较差，接头的抗腐蚀性能较差的问题，提出一种铝/铜钎焊用锌基钎料。该钎料熔点为480℃~510℃，采用该钎料钎焊Al/Cu接头的工艺性能好，接头强度较高，抗腐蚀性能好。
本发明中一种铝/铜钎焊用锌基钎料，其特征是本发明钎料成分的质量百分比为：铝22~28%、锡1~8%、镍0.1~0.3%、稀土镧0.01~0.1%，余量为锌。
本发明中一种铝/铜钎焊用锌基钎料的制备方法，其特征在于锌基钎料的制备方法包括以下具体步骤：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Zn（99.999%）、Al（99.995%）、Sn（99.999%）、Ni（99.9%）和中间合金Al-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）Zn-Al-Sn-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Zn、Al、Sn、Ni放入陶瓷坩埚中，并倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的NaCl和KCl）至金属单质完全被覆盖；将装有覆盖剂和单质金属的坩埚置入700℃~720℃的坩埚炉中加热，至坩埚内金属单质熔化；（3）中间合金Al-10La加入：将炉温升高至730℃~750℃，将步骤1中称量好的中间合金Al-10La加入坩埚内的合金液中，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700℃~720℃进行保温，保温20~40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次坩埚内的合金液；（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。
本发明钎料在Zn-（22~28）Al合金中加入Sn元素的作用有三个：（1）采用Sn元素代替部分Zn元素，减小了钎料的表面张力，改善了钎料在Al、Cu两母材上的润湿性；（2）Sn元素能与Cu元素形成Cu-Sn化合物，减少了钎缝中脆性CuAl2化合物的数量，提高了接头的抗剪切强度；（3）在3%NaCl 溶液中，Sn元素的腐蚀电位（-0.25V）高于Zn元素的腐蚀电位（-0.80V），Sn元素的加入能提高钎料的腐蚀电位，从而改善Al/Cu接头的抗腐蚀性能。钎料中加入稀土La元素的作用有两个：（1）稀土La元素能细化Al/Cu接头的钎缝组织，减小钎缝中脆性相CuAl2的尺寸，提高接头的抗剪切性能；（2）稀土La元素在熔炼过程中能净化钎料，提高钎料的抗腐蚀性能，提高Al/Cu接头的抗腐蚀性能。钎料中加入Ni元素能提高钎料的抗腐蚀性能，从而提高Al/Cu接头的抗腐蚀性能。
本专利提出的一种铝/铜钎焊用锌基钎料，钎料与Al、Cu两母材均有良好的润湿性；采用该Zn基钎料钎焊Al/Cu接头的抗剪切强度较高，抗腐蚀性能较好。
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。
对上述钎料进行DTA差热分析实验，以测试钎料的熔点；按照GB/T11364-89《钎料铺展性及填缝性试验方法》中规定的要求，测试了钎料在Al、Cu两种母材上的铺展面积；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；按照 GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验—盐雾试验》中的规定，将Al/Cu管式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。测试结果见表1。
表1 钎料使用效果表
表1中1、2两种锌基钎料按照以下方法进行制备，具体步骤为：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Zn（99.999%）、Al（99.995%）、Sn（99.999%）、Ni（99.9%）和中间合金Al-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）Zn-Al-Sn-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Zn、Al、Sn、Ni放入陶瓷坩埚中，并倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的NaCl和KCl）至金属单质完全被覆盖；将装有覆盖剂和单质金属的坩埚置入700℃的坩埚炉中加热，至坩埚内金属单质熔化；（3）中间合金Al-10La加入：将炉温升高至730℃，将步骤1中称量好的中间合金Al-10La加入坩埚内的合金液中，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700℃进行保温，保温30分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次坩埚内的合金液；（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。
表中3~5三种锌基钎料按照以下方法进行制备，具体步骤为：（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质Zn（99.999%）、Al（99.995%）、Sn（99.999%）、Ni（99.9%）和中间合金Al-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）Zn-Al-Sn-Ni合金的熔炼：将步骤1中称量完毕的单质Zn、Al、Sn、Ni放入陶瓷坩埚中，并倒入熔融的覆盖剂（质量比为1:1的NaCl和KCl）至金属单质完全被覆盖；将装有覆盖剂和单质金属的坩埚置入720℃的坩埚炉中加热，至坩埚内金属单质熔化；（3）中间合金Al-10La加入：将炉温升高至750℃，将步骤1中称量好的中间合金Al-10La加入坩埚内的合金液中，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720℃进行保温，保温40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次坩埚内的合金液；（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。
Claims (2)
1.一种铝/铜钎焊用锌基钎料，其特征是本发明钎料成分的质量百分比为：铝22~28%、锡1~8%、镍0.1~0.3%、稀土镧0.01~0.1%，余量为锌。
2.根据权利要求1所述的铝/铜钎焊用锌基钎料的制备方法，其特征在于制备方法包括以下具体步骤：
（1）原料计算及称量：按钎料成分计算熔炼所需单质99.999%Zn、99.995%Al、99.999%Sn、99.9%Ni和中间合金Al-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）Zn-Al-Sn-Ni合金的熔炼：将步骤（1）中称量完毕的单质Zn、Al、Sn、Ni放入陶瓷坩埚中，并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NaCl和KCl；将装有覆盖剂和单质金属的坩埚置入700℃~720℃的坩埚炉中加热，至坩埚内金属单质熔化；
（3）中间合金Al-10La加入：将炉温升高至730℃~750℃，将步骤（1）中称量好的中间合金Al-10La加入坩埚内的合金液中，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700℃~720℃进行保温，保温20~40分钟，每隔10分钟用石英棒搅拌一次坩埚内的合金液；
（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。
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