CN103934591B - 一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料及其制备方法 - Google Patents
一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于焊接材料领域，公开了一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料及其制备方法。所述钎料由铝、硅、铜、锌、锰、镁、锶组成，各组分的质量百分含量分别为：硅3.50％～4.50％、铜15％～23％、锌10％～24％、锰0.80％～1.20％、镁0.80％～1.20％、锶0.02％～0.08％，余量为铝。按上述组分含量进行配料，然后按特定的顺序进行熔化并用六氯乙烷精炼两次后浇铸得到合金坯料，最后对合金坯料进行多道次热轧得到箔状铝基钎料。本发明的钎料具有熔点低、钎焊工艺性能优良和成本低的优点，可广泛用于铝基材料，特别是Al-Mn合金材料的钎焊。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金由于密度小，热导率和电导率高(仅列于Ag、Cu、Au之后)，强度高，耐蚀性好等优点，在近代工业材料中占有独特的地位。随着铝及铝合金越来越广泛的应用，对其连接技术也相应提出了更高的要求。铝合金焊接技术主要分为熔化焊，电阻焊和钎焊，其中钎焊是利用比母材熔点低的钎料熔化填充入接头间隙实现连接的方法，具有加热温度较低，母材不熔化，对母材的组织和性能影响较小，结构变形小，尺寸精度易保证，生产效率高，接头美观等优点，在航空航天领域、工业生产中发挥着巨大的作用。然而与其它金属材料相比，铝及铝合金钎焊难度较大，一个很重要的原因就是常用铝基钎料和铝及铝合金熔化温度接近，从而极易造成母材过烧软化。
用于铝合金构件钎焊连接的铝基钎料，其熔点必须比铝合金母材的熔点低几十度，并要求它在钎焊温度下对母材有良好的润湿性、填缝性，通过与母材的相互作用从而形成满足性能要求的钎焊接头。
一般铝合金钎料的基本组成是Al-Si合金，根据不同母材的特点及钎焊接头性能要求，在Al-Si合金的基础上，添加一些元素，形成了具有不同性能的钎料。目前，国内外对低熔点铝基钎料进行了大量的研究，其中研究较多的有Al-Si-Cu系和Al-Si-Ge系等合金体系，但大都存在相应的问题，而未成为一种普遍被采用的钎料。如S.Y.Chang等人在2009年第488期《JournalofAlloysandCompounds》上发表的文章“Joining6061aluminumalloywithAl–Si–Cufillermetals”中研制的Al-9.6Si-20Cu钎料虽然流动性相对Al-Si显著增加，但生成的金属间化合物A12Cu脆性较大使得钎料性能恶化，同时加工工艺性能差，很难加工成丝或箔状；北京航空航天大学的于文花等在2003年第32卷第2期《钎焊设备与材料》上发表的“合金元素Cu，Si，Ni对Al基钎料的影响”中也研究了一系列的Al-Si-Cu-Ni系钎料，由于Ni元素的加入使钎料性能有所改善，但加工工艺性能依然很差，且钎料熔点高；兰州理工大学的俞伟元等在2012年第38卷第2期《兰州理工大学学报》上发表的“低熔点铝基钎料的性能”中则研究了一系列Al-Si-Cu-Zn-Sn钎料，虽然Zn和Sn的添加既能降低钎料的熔化温度，又能提高钎料的润湿性和流动性，但相应的钎焊温度仍然高达560℃；日本茅本隆司等人在1995年第10期《轻金属溶解(日本)》上发表的“钎料Al-Ge-Si-Mg的研究”中研究了Al-Si-Ge系钎料，但由于Ge含量高，导致钎料的加工性能较差且成本明显增加；专利CN102319963B中公开了一种Al-Si-Cu-Zn-Sn-Ni铝基钎料及其制备方法，但为了达到低熔点、高强度、好的润湿性和铺展性等效果，材料中加入了Sn、Ni、Ce和Zr等改良金属，这些金属价格昂贵，增加了材料成本，且钎料熔点依然高达516.6℃，难以实现在520℃下的钎焊。
因此，有必要研制一种熔点低(500℃左右)、成本低、加工工艺性能好、接头综合性能优良的铝基钎料。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料。
本发明的另一目的在于提供上述低熔点铝基钎料的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料，所述钎料由铝、硅、铜、锌、锰、镁、锶组成，各组分的质量百分含量分别为：硅3.50％～4.50％、铜17％～23％、锌10％～24％、锰0.80％～1.20％、镁0.80％～1.20％、锶0.02％～0.08％，余量为铝。
所述钎料是厚度为0.15mm～0.25mm的箔状钎料，所述钎料的熔点为480℃～500℃。
上述Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：以铝、锌、镁以及铝-硅中间合金、铝-铜中间合金、铝-锰中间合金、铝-锶中间合金为原料，按以下元素的质量百分含量配制炉料：铜17％～23％、锌10％～24％、硅3.50％～4.50％、锰0.80％～1.20％、镁0.80％～1.20％、锶0.02％～0.08％，余量为铝；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上覆盖剂，在690℃～700℃条件下保温至炉料完全熔化，然后升温至720℃～730℃，再加入锌，锌熔化后，加入精炼剂六氯乙烷精炼10～15分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂。温度降至690℃～700℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌3～5分钟，再加入精炼剂六氯乙烷进行第二次精炼，精炼时间为5～6分钟，静置4～6分钟后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将加工好的坯料在350℃～400℃下保温1h～2h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为7～9次、道次变形率为15％～18％的热轧处理，每次热轧处理后需在350℃～400℃下保温10min～20min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.15mm～0.25mm的箔状铝基钎料。
步骤(1)中所述铝-硅中间合金是指硅的质量百分含量为19.95％～20.00％的铝-硅合金；所述铝-铜中间合金是指铜的质量百分含量为49.95％～50.00％的铝-铜合金；所述铝-锰中间合金是指锰的质量百分含量为9.95％～10.00％的铝-锰合金；所述铝-锶中间合金是指锶的质量百分含量为9.95％～10.00％的铝-锶合金。
步骤(2)中所述覆盖剂为质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐；所述精炼剂六氯乙烷的加入量为每次精炼时合金熔体总质量的0.3％～0.5％。
本钎料的制备原理为：以Al-Si为基础，通过添加适量铜、锌以降低钎料合金的熔点，改善其流动性；添加微量锰以提高钎料对Al-Mn合金材料的润湿性以及钎焊接头的强度、抗腐蚀性；添加微量镁可以对铝合金起到保护作用；添加微量的锶能够起到变质剂的作用，同时提高钎焊接头强度和耐腐蚀性能。
本发明相对于现有技术具有如下优点及有益效果：
(1)本发明钎料的熔点仅为480℃～500℃，可以钎焊固相线温度在520℃以上的几乎所有铝合金，适用范围广泛；
(2)本发明钎料通过合理调整合金元素的添加比例以及适当加入价格较低的改性金属，即可得到具有良好钎焊工艺性能且熔点较低的钎料，明显降低了钎料的生产成本；
(3)本发明钎料添加微量Mn可对目前使用最广泛的Al-Mn合金实现良好润湿及铺展，提升钎焊性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)配料：以铝、锌、镁以及硅的质量百分含量为19.95％的铝-硅中间合金、铜的质量百分含量为50.00％的铝-铜中间合金、锰的质量百分含量为9.95％的铝-锰中间合金、锶的质量百分含量为10.00％的铝-锶中间合金为原料，按质量百分含量为铜17％、锌24％、硅4.50％、锰0.80％、镁1.20％、锶0.05％、铝52.45％配制炉料；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐覆盖剂，在690℃条件下保温至炉料完全熔化，升温至720℃，接着加入锌，熔化后，加入合金熔体总质量0.3％的六氯乙烷精炼10分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂，温度降至690℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌3分钟，再加入合金熔体总质量0.5％的六氯乙烷进行第二次精炼，精炼时间为5分钟，静置4分钟之后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将加工好的坯料在350℃下保温1h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为7次、道次变形率为15％的热轧处理，每次热轧处理后需在350℃下保温10min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.25mm的箔状铝基钎料。
通过上述方法制备的铝基钎料的熔点为483℃。钎料配以型号为QJ201钎剂，在钎焊温度为520℃保温时间为5min的条件下对LF21铝合金进行空气炉中钎焊，其钎焊搭接接头的室温抗拉强度达到50MPa，约为母材强度的41％。
实施例2
(1)配料：以铝、锌、镁以及硅的质量百分含量为20.00％的铝-硅中间合金、铜的质量百分含量为49.95％的铝-铜中间合金、锰的质量百分含量为9.95％的铝-锰中间合金、锶的质量百分含量为10.00％的铝-锶中间合金为原料，按质量百分含量为铜23％、锌20％、硅4.00％、锰1.20％、镁1.00％、锶0.02％、铝50.78％配制炉料；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐覆盖剂，在700℃条件下保温至炉料完全熔化，升温至730℃，接着加入锌，熔化后，加入合金熔体总质量0.5％的六氯乙烷精炼10分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂，温度降至700℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌5分钟，再加入合金熔体总质量0.4％的六氯乙烷进行第二次精炼，精炼时间为5分钟，静置5分钟之后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将加工好的坯料在370℃下保温1h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为8次、道次变形率为15％的热轧处理，每次热轧处理后需在370℃下保温10min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.20mm的箔状铝基钎料。
通过上述方法制备的铝基钎料的熔点为500℃。钎料配以型号为QJ201钎剂，在钎焊温度为520℃、保温时间为5min的条件下对LF21铝合金进行空气炉中钎焊，其钎焊搭接接头的室温抗拉强度达到55MPa，约为母材强度的46％。
实施例3
(1)配料：以铝、锌、镁以及硅的质量百分含量为20.00％的铝-硅中间合金、铜的质量百分含量为49.95％的铝-铜中间合金、锰的质量百分含量为10.00％的铝-锰中间合金、锶的质量百分含量为9.95％的铝-锶中间合金为原料，按质量百分含量为铜23％、锌10％、硅3.50％、锰1.20％、镁0.80％、锶0.08％、铝61.42％配制炉料；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐覆盖剂，在700℃条件下保温至炉料完全熔化，升温至720℃，接着加入锌，熔化后，加入合金熔体总质量0.4％的六氯乙烷精炼15分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂，温度降至700℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌5分钟，再加入合金熔体总质量0.3％的六氯乙烷进行第二次精炼，精炼时间为6分钟，静置6分钟之后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将加工好的坯料在380℃下保温2h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为7次、道次变形率为18％的热轧处理，每次热轧处理后需在380℃下保温20min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.20mm的箔状铝基钎料。
通过上述方法制备的铝基钎料的熔点为493℃。钎料配以型号为QJ201钎剂，在钎焊温度为520℃、保温时间为5min的条件下对LF21铝合金进行空气炉中钎焊，其钎焊搭接接头的室温抗拉强度达到61MPa，约为母材强度的51％。实施例4
(1)配料：以铝、锌、镁以及硅的质量百分含量为19.95％的铝-硅中间合金、铜的质量百分含量为49.95％的铝-铜中间合金、锰的质量百分含量为10.00％的铝-锰中间合金、锶的质量百分含量为10.00％的铝-锶中间合金为原料，按质量百分含量为铜20％、锌15％、硅4.00％、锰0.90％、镁1.20％、锶0.06％、铝58.84％配制炉料；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐覆盖剂，在700℃条件下保温至炉料完全熔化，升温至730℃，接着加入锌，熔化后，加入合金熔体总质量0.4％的六氯乙烷精炼13分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂，温度降至690℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌5分钟，再加入合金熔体总质量0.5％的六氯乙烷进行第二次精炼，精炼时间为6分钟，静置5分钟之后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将加工好的坯料在400℃下保温1h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为9次、道次变形率为18％的热轧处理，每次热轧处理后需在400℃下保温10min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.15mm的箔状铝基钎料。
通过上述方法制备的铝基钎料的熔点为480℃。钎料配以型号为QJ201钎剂，在钎焊温度为520℃、保温时间为5min的条件下对LF21铝合金进行空气炉中钎焊，其钎焊搭接接头的室温抗拉强度达到54MPa，约为母材强度的45％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：
(1)配料：以铝、锌、镁以及铝-硅中间合金、铝-铜中间合金、铝-锰中间合金、铝-锶中间合金为原料，按以下元素的质量百分含量配制炉料：铜15％～23％、锌10％～24％、硅3.50％～4.50％、锰0.80％～1.20％、镁0.80％～1.20％锶0.02％～0.08％，余量为铝；
(2)熔铸：将配制好的炉料按铝、铝-铜中间合金、铝-硅中间合金、铝-锰中间合金的顺序依次装入到石墨坩埚熔炼炉，均匀撒上覆盖剂，在690℃～700℃条件下保温至炉料完全熔化，然后升温至720℃～730℃，再加入锌，锌熔化后，加入精炼剂六氯乙烷精炼10～15分钟，然后扒渣并均匀撒上覆盖剂，温度降至690℃～700℃，再加入镁、铝-锶中间合金，完全熔化后搅拌3～5分钟，再加入精炼剂六氯乙烷进行第二次精炼5～6分钟，静置4～6分钟后扒渣，最后浇铸得到合金坯料；
(3)加工成型：将步骤(2)中得到的坯料在350℃～400℃下保温1～2h，然后通过轧机对合金坯料进行道次为7～9次、道次变形率为15％～18％的热轧处理，每次热轧处理后需在350℃～400℃下保温10min～20min后再进行下一次热轧，得到厚度为0.15mm～0.25mm的箔状铝基钎料。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于：所述铝-硅中间合金是指硅的质量百分含量为19.95％～20.00％的铝-硅合金；所述铝-铜中间合金是指铜的质量百分含量为49.95％～50.00％的铝-铜合金；所述铝-锰中间合金是指锰的质量百分含量为9.95％～10.00％的铝-锰合金；所述铝-锶中间合金是指锶的质量百分含量为9.95％～10.00％的铝-锶合金。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于：所述覆盖剂为质量比为1：1的NaCl-KCl熔盐。
4.根据权利要求1所述的一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述精炼剂六氯乙烷的加入量为每次精炼时合金熔体总质量的0.3％～0.5％。
5.一种Al-Si-Cu-Zn系低熔点铝基钎料，其特征在于：通过权利要求1～4任一项所述的方法制备得到；所述钎料的熔点为480℃～500℃。
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