CN105618960B - 适用于铝钢钎焊的钎剂 - Google Patents

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Abstract

一种适用于铝钢钎焊的钎剂，属于非金属材料类的钎焊材料领域。其特征在于按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.001～0.01%的氟化铷（RbF），11.0～45.0%的氟化铯（CsF），0.01～2.0%的氧化铝（Al2O3），0.01～5.0%的氟化钾（KF），0.001～0.04%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。本发明能同时满足“铝‑钢”、“铝‑铜”以及“铝‑铝”钎焊要求且具有高活性。

Description

适用于铝钢钎焊的钎剂
技术领域
本发明属于非金属材料类的钎焊材料领域，具体涉及一种可钎焊铝-钢、铝-铜及铝-铝的含有氟化锌活性剂的铯铷钎剂。
背景技术
航空航天、汽车、轨道交通、家电等行业的快速发展，铝-铝结构大量采用。与此同时，铜与铝合金、钢与铝合金的复合结构的应用需求越来越多，铝-铜、铝-钢金属复合材料的结构已经在轨道交通、汽车、家电等领域得到了广泛的应用。但是，铝-钢、铝-铜异种金属材料的焊接“连接”问题，仍然存在许多尚未完全解决的难题。
本申请人进行了文献检索，在已公开的中国专利文献中，如CN201310445105.3推荐的“一种不锈钢与铝钎焊用的新型钎剂”， 其组成成分包括：四氟铝酸钾+六氟铝酸钾（KAlF4+K3AlF6）共晶体、氟化锌（ZnF2）、氟化铜（CuF2）、氟化锡（SnF4）。这种钎剂虽然通过添加氟化锌（氟化锌(ZnF2)加入量为0.6~1.8%）、氟化铜和氟化锡对KAlF4+K3AlF6进行改性，从而达到能够钎焊不锈钢与铝，但是其说明书等技术文件中并未给出该钎剂所“匹配”的钎料以及钎焊接头的力学性能（比如抗拉强度或抗剪强度）。此外，其说明书等技术文件中也未提及是否能够钎焊铝-铜异种材料，因此其存在许多有待改进之处，特别是氟化锌(ZnF2)加入量为0.6~1.8%，其焊后残渣具有一定的腐蚀性，破坏了KAlF4+K3AlF6这类无腐蚀性钎剂的原有特征；CN201410076059.9公开了一种“可钎焊铝钢及铝铜的含铯铷的钎剂”，其特征是按摩尔数配比：0.01摩尔（即mol，下同）～0.56摩尔的氟化铷（RbF），0.15摩尔～0.58摩尔的氟化铯（CsF），0.001摩尔～0.25摩尔的氢氧化铝（Al(OH)3），0.001摩尔～0.2摩尔的氟化钾（KF），0.002摩尔～0.05摩尔的氟化镓（GaF3），0.001摩尔～0.025摩尔的氟化锂（LiF），0.001摩尔～0.025摩尔的氟化硼（BF3），余量为氟化铝（AlF3）。其中GaF3与LiF、BF3之间的摩尔比为GaF3︰LiF︰BF3 = 2︰1︰1。但是其配方过于复杂，生产时品质控制非常困难，仍有待改进。
CN201410752345.2公开了一种含氧化镓的铯铷钎剂，其特征在于按摩尔数以一摩尔计配比是：0.12摩尔~0.5摩尔的氟化铷(RbF)，0.12摩尔~0.5摩尔的氟化铯(CsF)，0.001摩尔~0.2摩尔的氧化铝(Al2O3)，0.001摩尔~0.02摩尔的氟化钾(KF)，0.0001摩尔~0.02摩尔的氧化镓(Ga2O3)，0.159摩尔~0.479的氟化铝(AlF3)。该发明虽然能够能同时满足“铝-铜”、“铝-钢”以及“铝-铝”钎焊要求且具有高活性，但是，其氟化铷(RbF)含量高达0.12摩尔~0.5摩尔，价格昂贵，无法满足激烈竞争的制造业对消耗材料“质优价廉”的需要。
已有研究表明，铝合金表面的氧化物主要为Al2O3、MgO、MnO、CuO、SiO2等，钢表面的氧化物主要为FeO、Fe2O3、NiO、Cr2O3等，铜合金表面的氧化物主要为CuO、Cu2O、ZnO等等，只采用一种钎剂同时除去铝合金、钢、铜合金表面的氧化物是很困难的。文献表明，近年来研发出的CsAlF4、KCsAlF4以及CsF-RbF-AlF3钎剂能够很好地、同时去除铝合金与铜合金表面的氧化物，从而解决了铝-铜异种材料的钎焊问题，但是，同时去除铝合金与钢（或不锈钢）表面氧化物的效果仍然不理想；CN201310445105.3推荐的“一种不锈钢与铝钎焊用的新型钎剂”能解决铝-钢异种材料的钎焊，但是却不能钎焊铝-铜异种材料；CN201410076059.9公开了一种“可钎焊铝钢及铝铜的含铯铷的钎剂”，但是其配方过于复杂，生产时品质控制非常困难；CN201410752345.2公开了一种含氧化镓的铯铷钎剂，其氟化铷(RbF)含量高达0.12摩尔~0.5摩尔，价格昂贵，大批量使用时成本太高。因此，研发一种配方相对简单、价格低廉、可适用于“铝-铜”、“铝-钢”以及“铝-铝”钎焊的钎剂显得尤为迫切，本项发明“一种适用于铝钢钎焊的钎剂”，即是在这种技术背景下完成的。
发明内容
本项发明的目的是提供一种能同时满足铝-钢、铝-铜钎焊且能兼顾“铝-铝”结构的钎焊要求并具有“高活性”、“低成本”的新型钎剂。
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，属于非金属材料类的钎焊材料领域。其特征在于按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.001～0.01%的氟化铷（RbF），11.0～45.0%的氟化铯（CsF），0.01～2.0%的氧化铝（Al2O3），0.01～5.0%的氟化钾（KF），0.001～0.04%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。本发明能同时满足铝-钢、铝-铜钎焊以及铝-铝钎焊要求且具有高活性、较低的成本。
本发明能同时满足铝-钢、铝-铜钎焊以及铝-铝钎焊要求且具有高活性、相对较低的价格，在5052铝合金、Q235钢上的铺展性能（铺展面积）优于等于已有的适用于铝-钢、铝-铜钎焊的发明专利所给出的钎剂的铺展性能。
本发明使用市售的氟化铷（RbF）、氟化铯（CsF）、氧化铝（Al2O3）、氟化钾（KF）、氟化锌（ZnF2）、氟化铝（AlF3），按照本发明所示配比，经过简单的化学合成方法或机械混合方法，即可得到所需要的产品。
本发明的任务是这样来完成的。
将上述各组分化合物按配比采用机械混合方式充分混合均匀即得到所需产品。或者采用简单化学合成方式，即先用适量纯净自来水（或蒸馏水、去离子水）在不锈钢容器中溶解上述化合物（必要时可适当加热）至透明液体，然后继续加热，将水完全蒸发至结晶，粉碎后即得到所需产品。
钎剂的制备还可以采用其它任意合成方法进行。只要满足本发明的成分配比，即可达到本发明的技术效果。比如：按照本发明的配比要求，按照无机化学的“化学合成”基本原理，采用Cs2CO3、Rb2CO3、K2CO3与氢氟酸（即HF）反应，制备CsF、RbF、KF；然后采用Al2O3与氢氟酸（即HF）反应制备AlF3（添加的Al2O3与氢氟酸完全反应并全部生成AlF3）；在适当的容器内（比如，氢氟酸需要用聚四氟乙烯塑料容器），混合、中和（需要的话）、加热，将水完全蒸发至结晶，再加入Al2O3、ZnF2并混合均匀，粉碎后即制备得到本发明的钎剂。除了合成工艺不同、步骤不同外，制备出的钎剂性能与机械混合方式或者简单化学合成方式制备得到的钎剂性能完全一样。
此外，图5所列“钎缝抗剪强度试验数据”中，“Q235钢板+5052铝合金板”、“T2紫铜+6063铝合金板”两种不同材料组合钎焊时，实施例1至实施例6与对比例1至对比例3的试验结果数值，均在130MPa～145MPa的“同一水平范围”，说明合成方法对本发明钎剂的钎焊性能没有实质性影响。
本发明提供的技术方案相对于已有的技术，最显著的特点是在现有文献报道的CsAlF4（也可表述为CsF-AlF3）、KCsAlF4（也可表述为KF-CsF-AlF3）钎剂以及CsF-RbF-AlF3基础上，添加了氟化锌（ZnF2）并大大降低了氟化铷（RbF）的使用量。氟化锌的添加，在具备了CsAlF4、KCsAlF4、CsF-RbF-AlF3以及Ga2O3-CsF-RbF-AlF3钎剂能够钎焊铝-钢、铝-铜、铝-铝的能力的基础上，还具有了更为优异的去除铝合金、钢表面的FeO、Fe2O3、NiO、Cr2O3等氧化物的能力，并且具有价格更为低廉的特点。
本发明“一种适用于铝钢钎焊的钎剂”制备工艺简单，质量可控，性能稳定，质优价廉。生产出的适用于铝钢钎焊的钎剂，配合Zn-15Al钎料，采用火焰钎焊、炉中钎焊以及感应钎焊等加热方式钎焊铝-铝同种金属材料、铝-铜异种材料、铝-钢异种材料以及铝-铝合金材料时，钎料在母材上具有优良的润湿、铺展性能和渗透性能，钎缝强度可达130MPa～145MPa。可满足空调、冰箱整机行业、制冷配件行业、以及轨道交通、能源工业等行业低成本、高可靠性绿色制造的需要。
由于采用本发明的钎剂，钎焊铝及铝合金非常容易，换句话说，能钎焊铝-铜、铝-钢的钎剂一般都能钎焊铝-铝，所以，图5所附试验数据没有再列出铝-铝钎焊接头的钎缝抗剪强度试验数据。
附图说明
图1、Zn85-Al15钎料（与Zn-15Al的表述为同一成分钎料，即Zn的质量百分数为85%，Al的质量百分数为15%，本说明书均为此成分；钎剂成分除了氟化锌外，其他成分与实施例1相同，即0.01%的氟化铷，11.0%的氟化铯，0.01%的氧化铝，5.0%的氟化钾，余量为氟化铝（AlF3））在5052铝合金母材上，随着氟化锌含量变化的铺展面积曲线。
图2、Zn85-Al15钎料（与Zn-15Al的表述为同一成分钎料；钎剂成分与图1相同）在Q235钢母材上，随着氟化锌含量变化的铺展面积曲线。
图3 本发明的实施例2配方ZnF2-CsF-RbF-AlF3钎剂（业内通用表述方式。由于ZnF2、CsF、RbF、AlF3为特征化合物，所以其他化合物一般不特别标示出。本说明书均为此含义）在5052铝合金试板上在500℃反应3分钟的反应残渣的XRD分析结果。
图4 本发明的实施例2配方ZnF2-CsF-RbF-AlF3钎剂在Q235钢试板上在500℃反应3分钟的反应残渣的XRD分析结果。
图5、钎缝抗剪强度试验数据。
具体实施方式
与以往研究相比，本发明的创造性在于：
⑴ 发现了氟化锌（ZnF2）具有“反应润湿”作用。这种反应润湿作用可进一步提高CsF-RbF-AlF3钎剂的“去膜能力”，在5052铝合金、Q235钢上的润湿铺展性能更加优于已有的同类钎剂。
CN201410752345.2公开的一种含氧化镓的铯铷钎剂，是利用Ga2O3的集肤效应，使得Ga2O3能够“快速”流动，进而促进CsF-RbF-AlF3钎剂的流动，提高了钎料的铺展能力和铺展面积。但是，通过实验发现，在本发明中，ZnF2的作用机制完全不同于Ga2O3的作用机制。ZnF2在钎焊加热时，会发生如下反应：
ZnF2＝Zn↓+2F— （1）
F—+ Al2O3 → AlF3+O2—（2）
F—+ Fe2O3 → FeF3+O2—（3）
反应生成的F—会分别与铝合金、钢表面的氧化物发生反应，从而“增强”CsF-RbF-AlF3的去膜效果；反应析出的Zn原子则会与铝合金表面的铝原子、钢表面的Fe原子发生反应，并会发生在铝合金、钢表面的润湿、铺展作用（参见：张启运，刘淑祺，蓝铁，傅玉川. 铝钎焊过程中钎剂的界面活性行为，金属学报，1989，25（4）：B277～281.）。但是，与上述文献试验结果有差别的是：本发明中添加的ZnF2过多时，对钎剂在铝、铜、钢表面的去膜反应反而会产生不良影响。试验发现，ZnF2的添加量在0.001～0.04%质量分数范围最为合适，其中ZnF2添加量（质量分数）在大约0.004%时，Zn-15Al钎料在Q235上铺展面积达到最大值；添加量（质量分数）在大约0.006%时，Zn-15Al钎料在5052上铺展面积达到最大值。
对ZnF2的“反应润湿”机制的研究发现：添加量在0.001～0.04%质量分数范围内，添加的ZnF2通过反应润湿作用，不仅可以提高CsF-RbF-AlF3钎剂的“去膜能力”，还能够将RbF的添加量从CN201410752345.2报道的“0.12摩尔~0.5摩尔”降低至本发明的0.001～0.01%范围，从而使得本发明配方的“材料成本”大大降低（从2015年全年的价格走势看，RbF的市场价格大约是CsF的8-10倍），因此，更具工业应用竞争力。
从附图1～图2可以看出，在本发明所述的CsF-AlF3钎剂中RbF的添加量降低至0.001～0.01%范围时，随着ZnF2的加入，仍可以显著提ZnF2-CsF-RbF-AlF3钎剂的“活性”，表现在Zn85-Al15钎料在5052铝合金、Q235钢上的铺展面积随着ZnF2的加入可以显著提高钎料的铺展面积。
限于篇幅，本说明书仅仅给出了Zn含量为85%、Al含量为15%（均为质量百分数）的钎料（Zn85-Al15钎料常简写为Zn-15Al钎料，本说明书中二者均指同一种钎料）在5052铝合金、Q235钢母材上随着ZnF2含量变化的铺展面积变化情况。但是，实验发现，本发明的ZnF2-CsF-RbF-AlF3钎剂，匹配Al-12Si、Al-Si-Zn钎料时的铺展面积变化与Zn-15Al钎料的变化趋势大致相同。
⑵ 发现了微量氟化锌（ZnF2）中BF3具有“还原作用”，解释了ZnF2的“活性”作用机制，从而优选确定了ZnF2和RbF的添加范围。
已有研究指出：在使用ZnC12作界面活性剂时，钎剂析出的液态Zn与Al润湿，表面即不再存在完整的铝氧化膜（参见：张启运，刘淑祺，蓝铁，傅玉川. 铝钎焊过程中钎剂的界面活性行为，金属学报，1989，25（4）：B277～281.）。本发明在试验时时发现，ZnF2与ZnC12具有相似的作用机制——即ZnF2在钎焊加热时也会有Zn原子的析出，析出的Zn原子既可以与铝氧化膜作用，也可以与钢表面的氧化膜作用，从而起到“活性作用”。
通过对钎剂添加0.04%质量分数ZnF2（实施例1），匹配Zn-15Al钎料，与5052铝合金在500℃反应3分钟的反应残渣的XRD分析结果发现，反应残渣中有ZnSiO3出现；与Q235钢在500℃反应3分钟的反应残渣的XRD分析结果发现，反应残渣中有ZnSiO3、ZnFe2O4、出现（参见附图3、图4）。
已知5052铝合金的化学成分为：Si≤0.25，Cu≤0.10，Mg为2.2~2.8，Zn≤0.10，Mn≤0.10，Cr为0.15～0.35，Fe≤0.40，Al为余量，因此，反应残渣的XRD分析结果“准确无误”地告诉我们，在添加了ZnF2的CsF-RbF-AlF3钎剂与铝合金表面的氧化膜反应时，“微量的”ZnF2即会参与反应并起着重要作用，并与铝合金中的微量Si反应生成ZnSiO3。
研究发现，在与钢的反应过程中，由于Si≤0.25的添加，“激活了”钢中的P（磷）元素也参与了反应。由GB/T 700-2006《碳素结构钢》可知，Q235钢中Si≤0.30、P≤0.045（质量百分数），钢中P的含量与ZnF2最大添加量接近。但是，由于ZnF2的反应润湿作用起到了催化作用，使得微量的P发挥出了“超出想象”的特殊作用。反应残渣中ZnSiO3、ZnFe2O4、AlPO4、FePO4的出现（参见附图4），一方面说明钎剂中的ZnF2确实参与了反应，并且“还原析出”的Zn原子参与反应并起到提高活性的作用；另一方面，说明出现了P的“富集现象”，从而有AlPO4、FePO4等化合物的生成，同样对“去除”钢表面的氧化膜起到了重要作用。
鉴于XRD分析方法的“灵敏度”的限制，含量较低的化合物的衍射峰均难以分辨出来，但是，ZnSiO3、ZnFe2O4、AlPO4、FePO4等化合物衍射峰的出现，基本上能够分析与确定ZnF2的“还原作用”与“反应润湿”作用机制。
根据上述阐述，即可以解释为什么本发明添加ZnF2到CsF-RbF-AlF3钎剂中，RbF的添加量仅仅为0.001～0.01wt.%（较对比文献CN201410752345.2中的氟化铷(RbF)含量0.12摩尔~0.5摩尔减少了约9/10），但是，本发明钎剂对Zn-15Al钎料在5052铝合金或Q235钢上的润湿铺展性能均未下降，反而还有提升，这就是因为ZnF2的作用所致。
根据对试验结果的分析和对ZnF2所起作用的确定，本发明进一步优化确定了ZnF2和RbF的添加范围，从而使得本发明的钎剂具有更为优异的性能。
根据本发明的“一种适用于铝钢钎焊的钎剂”的质量百分数配比，叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.01%的氟化铷（RbF），11.0%的氟化铯（CsF），0.01%的氧化铝（Al2O3），5.0%的氟化钾（KF），0.001%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
实施例2
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.001%的氟化铷（RbF），45.0%的氟化铯（CsF），2.0%的氧化铝（Al2O3），0.01%的氟化钾（KF），0.04%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
实施例3
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.005%的氟化铷（RbF），24.0%的氟化铯（CsF），0.6%的氧化铝（Al2O3），1.5%的氟化钾（KF），0.01%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
实施例4
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.002%的氟化铷（RbF），15.0%的氟化铯（CsF），0.05%的氧化铝（Al2O3），0.5%的氟化钾（KF），0.004%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
实施例5
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.003%的氟化铷（RbF），35.0%的氟化铯（CsF），0.02%的氧化铝（Al2O3），3.0%的氟化钾（KF），0.006%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
实施例6
一种适用于铝钢钎焊的钎剂，按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.004%的氟化铷（RbF），22.5%的氟化铯（CsF），1.3%的氧化铝（Al2O3），1.8%的氟化钾（KF），0.02%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
上述配比得到的适用于铝钢钎焊的钎剂，采用丙烷作为可燃气体进行火焰钎焊，配合Zn85-Al15钎料，以Q235钢板+5052铝合金板、T2紫铜+6063铝合金板组合，按照GB/T11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验，钎缝抗剪强度分别达到130MPa～145MPa。
将实施例1～实施例6按照GB/T 11363-2008《钎焊接头强度试验方法》进行试验的试验数据列成图5，可以更清楚地了解和理解本项发明的技术特点和技术效果。图5中，对比例1至对比例3的配比与实施例1完全相同，只是制备过程中使用的原材料各不相同，以此来说明本发明实施例1至实施例6所述的发明效果只与其配比有关，而与其制备过程使用的原材料无关。

Claims (1)

1.一种适用于铝钢钎焊的钎剂，其特征在于按质量百分数（wt.%）计，化学成份是：0.001～0.01%的氟化铷（RbF），11.0～45.0%的氟化铯（CsF），0.01～2.0%的氧化铝（Al2O3），0.01～5.0%的氟化钾（KF），0.001～0.04%的氟化锌（ZnF2），余量为氟化铝（AlF3）。
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