CN104109779B - 一种用于铝基碳化硅焊接的合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铝基碳化硅焊接的合金材料，该合金材料按重量百分比计包括以下原料：铝10‑20％、硅1‑4％、铜1‑2％、镁0.1‑0.3％、铟0.01‑0.05％、铈0.001‑0.005％，其余为锌；所得合金材料的杂质不大于总重量的0.05％。本发明的合金材料具有对铝基碳化硅润湿性好、焊接界面金相组织致密、机械强度高的焊接材料等有点。

Description

一种用于铝基碳化硅焊接的合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种焊接用合金金属材料，特别是涉及用于铝基碳化硅结构件焊接的合金金属材料及其制备方法，属非金属复合材料焊接技术领域。

背景技术

铝基碳化硅复合材料做为新一代电子封装与结构材料因具有重量轻，高性能、高热导率、耐高温、耐腐蚀性和优异的机械性能特别适合用于耐热性变形量高要求的航空航天，汽车制造、电子仪器仪表等领域。但是由于铝基碳化硅复合材料掺杂碳化硅硬质颗粒，高温压制成毛坯件后，在机加工过程中，需要去除毛坯件的多余部分，高硬度的铝基碳化硅复合材料对刀具的磨损较大，在精加工时要采用金刚刀具，不但加工效率低而且加工成本高，由于同时受到制造工艺影响和加工设备的限制也很难制造出大尺寸和形状复杂的结构件，因此通过使用焊接材料和相应的焊接工艺把相对小型且结构简单的铝基碳化硅部件组合成大尺寸或形状复杂的结构件已成为解决这一技术问题的有效手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种对铝基碳化硅润湿性好、焊接界面金相组织致密、机械强度高的焊接材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明为锌基铝硅铜镁合金材料，包含有锌、铝、硅、铜、镁及微量的铟和稀土元素铈等，各组份(原料)按重量百分比计分别为铝(Al)10-20％，硅(Si)1-4％，铜(Cu)1-2％，镁(Mg)0.1-0.3％，铟(In)0.01-0.05％，铈(Ce)0.001-0.005％，其余为锌(Zn)。制得的该合金材料中杂质含量不大于总重量的0.05％。所述的杂质中各组份按重量百分比计一般占所述合金材料的百分数分别为：铁(Fe)<0.01％，铅(Pb)<0.01％，镉(Cd)<0.01％，铋(Bi)<0.005％，砷(As)<0.001％。

本发明所述用于铝基碳化硅结构件焊接的合金材料的制备方法为：(1)按重量百分比称取各原料；(2)把锌锭放入熔炼锅中加热完全熔化为液态；(3)将薄铜板包覆在铈外层，使铈完全与空气隔离，然后用不锈钢铲将其压入步骤(2)所得的熔融状态的锌液中，在620-680℃，随后继续保持上述温度搅拌0.5小时，形成液态锌铜铈合金；(4)使铜和铈全部熔化在锌液中保持620-680℃温度，将硅块投入到步骤3制备的锌铜铈合金液中，并保温搅拌1小时，形成液态锌铜铈硅合金；(5)将铝锭加入另一熔炼锅中加热熔化，再把镁块投入熔融的铝液中，并将铝液升温保持在680±5℃充分搅拌0.5小时，形成铝镁合金液；(6)将步骤4所得的液态锌铜铈硅合金液与步骤5所得的铝镁合金液进行混合，在不断搅拌下自然降温到450-500℃，加入铟块搅拌熔化均匀，并在400-420℃温度下浇铸成棒状合金材料。根据工艺要求可进一步挤压拉拨成条、片或丝状形成用于铝基碳化硅结构件焊接的合金材料。

本发明合金材料的使用方法(焊接方法)为：将被焊接的铝基碳化硅部件，摆放在工装夹具中，根据工艺要求选择焊接用的合金材料的形状，为条、片或丝，并将其填充在被焊接部件界面的间隙处，然后再把它们一起放入箱式电炉内，在500-520℃温度下，5-10分钟完成焊接。之后切断加热源，箱式电炉内自然降温至280-300℃时，取出被焊接的物件，冷却到室温即可。

本发明的整个焊接过程并非本领域常用方法(如电气焊、亚弧焊)，是本发明的合金材料在规定温度下，通过再流焊的方式进行焊接后，又在炉内进行调质、回火、热处理以消除焊接界面合金材料的内应力，使焊接件的机械强度更好。

本发明用于铝基碳化硅结构件焊接的合金材料具有以下优点：

1.该合金材料含有铝、硅、铟、能与铝基碳化硅有很好润湿铺展性，能减小合金材料与铝基碳化硅的界面张力易于附着和渗透。

2.铜和镁的加入，增加了焊接界面的机械强度，剪切强度能达到500N/mm²以上。

3.稀土元素铈细化了焊接界面的微观组织结构，保证焊接界面金相组织致密强度更高。

4.经测定，本发明的多种金属元素的组合协同作用使其热膨胀系数为16.3×10^-6/℃，这与铝基碳化硅的热膨胀系数10.8×10^-6/℃更接近，保证了在高低温环境下焊接后的铝基碳化硅之间的组合件或铝基碳化硅与铝硅、铝镁材质的结构件之间的组合件整体强度得到保证。

具体实施方式

以下实施方式仅用于阐述本发明，而本发明的保护范围并非仅仅局限于以下实施例。所述技术领域的普通技术人员依据本发明的公开内容，均可实现本发明的目的。

实施例1：各组分的组成按重量百分比计分别为铝10％，硅1％，铜2％，镁0.2％，铟0.03％，铈0.001％，其余为锌。

实施例2：各组分的组成按重量百分比计分别为铝20％，硅3％，铜1％，镁0.3％，铟0.05％，铈0.005％，其余为锌。

实施例3：各组分的组成按重量的比计分别为铝15％，硅4％，铜1.5％，镁0.1％，铟0.01％，铈0.003％，其余为锌。

制备方法为：按组分重量百分比称重原料；把锌锭放入熔炼锅中加热使之完全熔化为液态状。将薄铜板包覆在铈外层，使铈完全与空气隔离，然后用不锈钢铲将其压入熔融状态的锌液中，温度保持在620-680℃，保持温度进行搅拌0.5小时，形成液态锌铜铈合金。在此温度下将硅块投入到锌铜铈合金液中，并保温搅拌1小时，形成液态锌铜铈硅合金。将铝锭放入另一熔炼锅中加热熔化后，把镁块投入熔融铝液中，并升温将铝液保持在680±5℃，充分搅拌0.5小时后，形成铝镁合金液，之后将液态锌铜铈硅合金液与铝镁合金液进行混合，在不断搅拌下自然降温到450-500℃，加入铟块，搅拌熔化均匀，并在400-420℃温度下浇铸成棒，后经挤压拉拔成条、片或丝状，形成用于铝基碳化硅结构件焊接的合金材料。

Claims (4)

1.一种用于铝基碳化硅焊接的合金材料，其特征在于，该合金材料按重量百分比计包括以下原料：铝10-20％、硅1-4％、铜1-2％、镁0.1-0.3％、铟0.01-0.05％、铈0.001-0.005％，其余为锌；其中，所述合金材料的杂质含量不大于总重量的0.05％；

其中，所述合金材料的焊接方法为：将所述合金材料填充在被焊接部件界面的间隙处、一起放入箱式电炉内，将温度设定为500-520℃，5-10分钟完成焊接，随后切断加热源，箱式电炉内自然降温至280-300℃，取出被焊接的物件，冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的合金材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)按重量比称取各原料；

(2)把锌锭放入熔炼锅中加热完全熔化为液态；

(3)将薄铜板包覆在铈外层，使铈完全与空气隔离，然后用不锈钢铲将包覆了铜板的铈压入步骤(2)制备的熔融状态的锌液中，升温至620-680℃之间，使铜和铈全部熔化在锌液中，随后继续保持上述温度搅拌0.5小时，形成液态锌铜铈合金；

(4)继续保持620-680℃温度，将硅块投入到步骤(3)所得的锌铜铈合金液中，保温搅拌1小时，形成液态锌铜铈硅合金；

(5)将铝锭加入另一熔炼锅中加热熔化，再把镁块投入熔融的铝液中，并将铝液温度保持在680±5℃充分搅拌0.5小时，形成铝镁合金液；

(6)将步骤(4)所得的液态锌铜铈硅合金液与步骤(5)制备的铝镁合金液进行混合，在不断搅拌下自然降温到450-500℃，加入铟块搅拌熔化均匀，并在400-420℃温度下浇铸成棒状的合金材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)所得的合金棒可经挤压拉拨成条、片或丝状形成用于铝基碳化硅零部件或结构件的焊接。

4.根据权利要求1所述的合金材料的使用方法，其特征在于将所述合金材料填充在被焊接部件界面的间隙处、一起放入箱式电炉内，将温度设定为500-520℃，5-10分钟完成焊接，随后切断加热源，箱式电炉内自然降温至280-300℃，取出被焊接的物件，冷却到室温。