CN106695165A - 一种铝镁合金焊料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝镁合金焊料及其制备方法，按照重量百分比计，包括Mg5‑6，Cr0.08‑0.12，Fe0.1‑0.2，Si0.1‑0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.01‑0.05，Zn0.03‑0.05，Mn0.1‑0.15，Ti0.08‑0.12，In0.1‑0.2，石墨烯0.01‑0.015，余量为Al和不可避免杂质。本发明的铝镁合金焊料，通过优化原料组成，添加In和石墨烯，有效的提高的焊料的强度和润湿性，使其具有良好的焊接性能。

Description

一种铝镁合金焊料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝镁合金焊料及其制备方法，属于镁合金焊接材料领域。
背景技术
镁及其镁合金是目前金属结构材料中最轻的一种，具有密度低、比强度高、减振性好、电磁屏蔽性好、导电导热性好、加工性好、热成形性好、易回收等优点而备受青睐。在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。日本研发的一种镁合金钎料In-Mg-Zn-Al(钎料熔化温度范围在449～490℃)中含有大量的贵重金属In(铟)，其中In的质量百分比占到了65％左右，使得钎料成本明显提高。另外日本研发的镁合金钎料Mg-Sn-In-Al(钎料熔化温度范围在457～500℃)中In质量百分比占到了20％左右，钎料成本也较高。授权公告号CN1098743C，发明名称：铝-镁焊料合金、其制造方法和建造焊接结构的方法，其成分(wt.％)：如下:Mg5.0-6.5，Mn,0.4-1.2,Zn0.4-<2,Zr0.05-0.3，Cr最大0.3,Ti最大0.2,Fe最大0.5,Si最大0.5,Cu最大0.25，余量为铝和不可避免的杂质,其极限拉伸强度为296-345MPa，延伸率11.2-16.2。但是强度并不是太高，并且其润湿性和耐腐蚀度不高。
石墨烯是一种由碳原子构成的新型片层纳米材料，碳原子之间通过sp2杂化轨道形成碳-碳共价键。按照片层数可将石墨烯分为单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯。单层石墨烯是构建其它维度碳质材料(0D富勒烯、1D碳纳米管、3D石墨)的基本单元。在2004年，曼彻斯特大学物理系的一些教授通过剥离高定向排列的石墨制备得到单层石墨烯。石墨烯具有众多优异性能，比如：单层石墨烯导热率为5300W/m·K，由于石墨烯的垂直于石墨烯平面的未满的π轨道，使石墨烯具有很高的电子迁移率。同时石墨烯的杨氏模量大于1000GPa，抗拉强度达到13GPa。石墨烯可以用于增强钎料的性能，X.D.Liu等人将GNSs作为增强体制备了GNSs增强复合钎料。制备步骤如下：运用球磨工艺将GNSs和Sn-Ag-Cu钎料进行混合；将混合粉体挤压成形；将挤压后预制块在中温下真空烧结制备得到复合钎料。通过测试，GNSs可以降低钎料与铜基板间接触角、热膨胀系数以及细化钎料微观组织。同时对力学性能测试结果显示GNSs能使钎料强度得到明显提高。但是石墨烯用于铝镁合金钎料的还没有发现。
发明内容
本发明提供一种铝镁合金焊料及其制备方法，解决了现有镁合金焊接材料强度不高、润湿性差等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5-6，Cr0.08-0.12，Fe0.1-0.2，Si0.1-0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.01-0.05，Zn0.03-0.05，Mn0.1-0.15，Ti0.08-0.12，In0.1-0.2，石墨烯0.01-0.015，余量为Al和不可避免杂质。
优选地：所述的Mg的含量为5％。
优选地：所述的In含量为0.1-0.15％。
优选地：所述的石墨烯的含量为0.001-0.0012％。
本发明也提供了一种铝镁合金焊料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例制备除石墨烯以外的原料的合金，将制备的合金粉碎至100-150目备用；
(2)将石墨烯加入酒精，用超声处理；
(3)将超声处理后的石墨烯酒精溶液和合金粉加入高能球磨机，150-200r/min,温度150-200度，研磨10-15min；
(4)将研磨后的石墨烯和合金粉混合物烘干；
(5)烘干后的混合物放入磨具，挤压成型；
(6)将成型后的混合粉在250-300度，烧结3-5h，既得铝镁合金焊料。
优选地：所述的超声处理为；超声波功率150-200W，频率80-100kHz，时间2-3h。
优选地：所述的挤压成型为80-90MPa，保持时间为15-20min。
本发明的有益效果：
Mg：Mg是焊料合金中的主要强化元素，镁含量低于5.0％不能使焊缝达到所需的强度，而Mg加入量超过过高，焊料合金制造焊丝时会非常困难.制造困难原因是在连铸或半连铸及随后的加工过程中，会产生严重的裂纹。为兼顾可制造性和强度，Mg含量为5.0～6.0％，优选：5％。
Mn：Mn是基本添加元素，与Mg相配合，Mn可提高焊接接头的强度。现有技术中低于0.6％的Mn含量不能提供足够强度的焊接接头；而Mn含量超过1.2％，拉丝原料的制造会非常困难，为保证强度，Mn的优选最低含量为0.7％。由于本发明加入石墨烯来增强强度，Mn的含量过高会对石墨烯造成影响，因此选Mn0.1-0.15％。
Zn:Zn是保证焊缝耐触性的重要添加元素，Zn也可在一定程度上提高焊缝的强度。现有技术中Zn的加入量低于0.4％，则不能提供足以焊接接头相当的充分的耐蚀性。本发明采用加入In来提高焊料的润湿性和耐腐蚀性，因此Zn的含量过高会影响整体焊头的强度，选择Zn0.03-0.05％。
Ti:Ti是焊缝凝固过程中重要的晶拉细化剂，优选：Ti0.08-0.12％。
Fe:Fe会在铸造过程中形成A1-Fe-Mn化合物，从而限制Mn的有益作用。Fe含量超过0.5％会形成粗大的原生颗粒，从而降低本发明焊料合金焊接接头的疲劳寿命.因此，Fe的优选含量范围为0.10-0.20％
Si:Si会形成几乎不能溶于A1-Mg合金，因此Si会限制Mg的有利作用，Si也会同Fe组合形成粗大的A1FeSi颗拉，从而影响焊接结构焊接接头的疲劳寿命，为避免造成主要强化元素Mg作用的损失，Si含量必须保持在低于0.5％。优选的Si0.1-0.2％。
Cr:Cr可提高合金的耐蚀性，因此，为避免形成粗大的初生相，选含量范围为0.08-0.12％％。
Cu:Cu含量应保持在低于0.25％,Cu含量超过0.25％会造成本发明焊料合金耐点蚀性的极大恶化。优选的Cu含量0.01-0.05％。
In：In的熔点低，加入In可以降低焊料的熔化温度，粘度降低，流动性增强，提高焊料的润湿性。但是In的价格比较贵，加入过多，成本过高。并且本发明含有石墨烯增强骨料，过多的加入In，会造成其强度的下降。因此In的含量为0.1-0.2％。
石墨烯：石墨烯是一种增强材料，可以有效的增加焊料的强度和润湿性。并且石墨烯与Mg、Mn配合，可以有效的提高焊料的强度。但是石墨烯价格很贵，加入过多，成本过高，本发明采用0.01-0.015％，即可达到良好的强度。
本发明的铝镁合金焊料，通过优化原料组成，添加In和石墨烯，有效的提高的焊料的强度和润湿性，使其具有良好的焊接性能。
本发明的焊料制备方法，采用超声波预处理石墨烯，是使团聚在一起的石墨烯均匀分散于酒精中。然后通过高能球磨使石墨烯与其他原料充分均匀混合，经干燥后的焊料无粘连，采用挤压成型为80-90MPa，保持时间为15-20min的成型工艺，在持续压力作用下，模具中石墨烯与其它原料粉产生塑性流动，这种流动有助于钎料填满粉体之间的缝隙和排除粉体之间的空气，从而使复合钎料致密、微孔少。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.08，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.02，Zn0.03，Mn0.1，Ti0.08，In0.1，石墨烯0.01，余量为Al和不可避免杂质。
其的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例制备除石墨烯以外的原料的合金，将制备的合金粉碎至100-150目备用；
(2)将石墨烯加入酒精，用超声处理，超声波功率150W，频率80kHz，时间2h；
(3)将超声处理后的石墨烯酒精溶液和合金粉加入高能球磨机，150r/min,温度150度，研磨10min；
(4)将研磨后的石墨烯和合金粉混合物烘干；
(5)烘干后的混合物放入磨具，挤压成型，压力80MPa，保持时间为15min；
(6)将成型后的混合粉在250度，烧结5h，既得铝镁合金焊料。
实施例2
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5.5，Cr0.10，Fe0.15，Si0.15，Fe+Si＝0.3，Cu0.01，Zn0.04，Mn0.15，Ti0.10，In0.15，石墨烯0.015，余量为Al和不可避免杂质。
其的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例制备除石墨烯以外的原料的合金，将制备的合金粉碎至100-150目备用；
(2)将石墨烯加入酒精，用超声处理，超声波功率180W，频率90kHz，时间2.5h；
(3)将超声处理后的石墨烯酒精溶液和合金粉加入高能球磨机，180r/min,温度180度，研磨12min；
(4)将研磨后的石墨烯和合金粉混合物烘干；
(5)烘干后的混合物放入磨具，挤压成型，压力85MPa，保持时间为18min；
(6)将成型后的混合粉在280度，烧结4h，既得铝镁合金焊料。
实施例3
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg6，Cr0.12，Fe0.2，Si0.1，Fe+Si＝0.3，Cu0.05，Zn0.05，Mn0.12，Ti0.12，In0.2，石墨烯0.012，余量为Al和不可避免杂质。
其的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例制备除石墨烯以外的原料的合金，将制备的合金粉碎至100-150目备用；
(2)将石墨烯加入酒精，用超声处理，超声波功率200W，频率100kHz，时间3h；
(3)将超声处理后的石墨烯酒精溶液和合金粉加入高能球磨机，200r/min,温度200度，研磨15min；
(4)将研磨后的石墨烯和合金粉混合物烘干；
(5)烘干后的混合物放入磨具，挤压成型，压力90MPa，保持时间为20min；
(6)将成型后的混合粉在300度，烧结3h，既得铝镁合金焊料。
实施例4
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.11，Fe0.2，Si0.1，Fe+Si＝0.3，Cu0.03，Zn0.05，Mn0.13，Ti0.09，In0.15，石墨烯0.012，余量为Al和不可避免杂质。其制备方法与实施例1一样。
实施例5
一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.1，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.04，Zn0.05，Mn0.14，Ti0.11，In0.1，石墨烯0.01，余量为Al和不可避免杂质。其制备方法与实施例1一样。
对比例1
与实施例5基本相同，不同点在于：一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.1，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.04，Zn0.05，Mn0.14，Ti0.11，In0.1，余量为Al和不可避免杂质。
对比例2
与实施例5基本相同，不同点在于：一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.1，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.04，Zn0.05，Mn0.14，Ti0.11，石墨烯0.01，余量为Al和不可避免杂质。
对比例3
与实施例5基本相同，不同点在于：一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.1，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.04，Zn0.05，Mn0.14，Ti0.11，In0.08，石墨烯0.08，余量为Al和不可避免杂质。
对比例4
与实施例5基本相同，不同点在于：一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，一种铝镁合金焊料，按照重量百分比计，包括Mg5，Cr0.1，Fe0.1，Si0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.04，Zn0.05，Mn0.14，Ti0.11，In0.25，石墨烯0.018，余量为Al和不可避免杂质。
使用SAT-5100可焊性测试仪测试焊料的润湿性，浸入深度2mm，浸渍速度5mm/s，浸渍时间10s。铺展性测试：根据日本工业标准JIS-Z3197测试焊料的铺展，按照GB/T 11363-2008测定其剪切强度，具体结果见下表。
测定各个实施例和对比例的润湿角，剪切强度，具体见下表。
由上表可知，本发明的焊料具有优良的润湿性和剪切强度，它们主要是由In和石墨烯相互协同作用的结果，单独调高一个成分会造成其性能较大变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝镁合金焊料，其特征在于，按照重量百分比计，包括Mg5-6，Cr0.08-0.12，Fe0.1-0.2％，Si0.1-0.2，Fe+Si＝0.3，Cu0.01-0.05，Zn0.03-0.05，Mn0.1-0.15，Ti0.08-0.12，In0.1-0.2，石墨烯0.01-0.015，余量为Al和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种铝镁合金焊料，其特征在于：所述的Mg的含量为5％。
3.根据权利要求1所述的一种铝镁合金焊料，其特征在于：所述的In含量为0.1-0.15％。
4.根据权利要求1所述的一种铝镁合金焊料，其特征在于：所述的石墨烯的含量为0.01-0.012％。
5.一种如权利要求1-4任一项铝镁合金焊料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按照比例制备除石墨烯以外的原料的合金，将制备的合金粉碎至100-150目备用；
(2)将石墨烯加入酒精，用超声处理；
(3)将超声处理后的石墨烯酒精溶液和合金粉加入高能球磨机，150-200r/min,温度150-200度，研磨10-15min；
(4)将研磨后的石墨烯和合金粉混合物烘干；
(5)烘干后的混合物放入磨具，挤压成型；
(6)将成型后的混合粉在250-300度，烧结3-5h，既得铝镁合金焊料。
6.根据权利要求5所述的铝镁合金焊料的制备方法，其特征在于：
所述的超声处理为；超声波功率150-200W，频率80-100kHz，时间2-3h。
7.根据权利要求5所述的铝镁合金焊料的制备方法，其特征在于：所述的挤压成型为80-90MPa，保持时间为15-20min。
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