CN108838576B - 一种高强度铝合金中温钎料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度铝合金中温钎料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金中温钎料，按质量百分比计主要化学成分为：Si 3.0%~4.0%，Cu 7.5%~9.5%，Zn 18.0%~21.0%，Mg 1.0%~2.0%，Sn 1.8%~2.3%，Zr 0.20%~0.40%，Ti 0.20%~0.40%，Sc的质量分数为0.08%~0.15%，余量为Al。该钎料的熔化温度范围为455～474℃,钎焊温度480～570℃,可用于固相线温度在500℃以上的铝合金的钎焊。该钎料可以块状、快速凝固箔带、丝状等形式使用,适合的钎焊工艺方法包括真空钎焊、保护气氛钎焊、火焰钎焊等。该钎料钎焊2024、2A12铝合金，接头剪切强度大于150MPa。

Description

一种高强度铝合金中温钎料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金钎焊材料领域，具体涉及一种低熔点、高强度的铝合金中温钎料及其制备方法。
背景技术
铝合金低密度，高比强、高比刚度及优良的导热性以及良好的抗应力腐蚀性能，在航空、航天、汽车等工业领域得到了广泛应用。随着高新技术领域的不断发展，对铝合金结构件的力学性能也提出了更高层次的要求，但一些高强铝合金熔点较低，如航空工业中广泛应用的2024铝合金固相线温度仅502℃，而目前市场上广泛应用的铝基钎料钎焊温度普遍高于540℃，不适合这些高强铝合金钎焊，极大地限制了低熔点铝合金作为结构件在航空航天等领域的使用和推广。因此低熔点铝基钎料的研发一直是国际工业界关注的焦点。
Al-Si共晶系钎料润湿性好、强度高、加工性能优异，是目前主要使用的铝用钎料。目前，国内外铝合金钎料多在Al-Si共晶系钎料中加入合金元素，形成Al-Si-Cu(Zn)系、Al-Si-Zn系、Al-Si-Ge系等。Cu元素的添加显著降低了Al-Si共晶系钎料的熔化温度，然而Cu元素会导致形成大量的脆性Al2Cu金属间化合物，导致钎料加工性能性能较差，很难制成丝状或片状，且Al2Cu金属间化合物易导致钎焊接头强度较低。Al-Si-Zn系钎料加工性能好，可加工成丝状或箔片状，但钎料易导致母材溶蚀。Al-Si-Ge系钎料熔点低、抗腐蚀性、流动性好、工艺性好，但Ge导致钎料脆，不易加工成形；且Ge属稀贵金属，钎料成本高，从而也限制了此类钎料的使用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高强度铝合金中温钎料，适合熔点较低铝合金(固相线在500℃左右)钎焊用钎料，通过添加合金元素降低钎料熔点、细化钎料及钎焊接头晶粒组织，提高钎焊接头力学性能。
为达以上目的，本发明的技术方案是：一种高强度铝合金中温钎料，其特征在于：按质量百分比计主要化学成分为：
Si 3.0％～4.0％，
Cu 7.5％～9.5％，
Zn18.0％～21.0％，
Mg 1.0％～2.0％，
Sn 1.8％～2.3％，
Zr 0.20％～0.40％，
Ti 0.20％～0.40％，
Sc的质量分数为0.08％～0.15％，
余量为Al。
本发明所述的高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)配料，按设计好的化学成分配比：Si 3.0％～4.0％，Cu 7.5％～9.5％，Zn18.0％～21.0％，Mg 1.0％～2.0％，Sn 1.8％～2.3％，Zr 0.20％～0.40％，Ti 0.20％～0.40％，Sc的质量分数为0.08％～0.15％，余量为Al；称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99％的铝、镁、锌、锡进行配料；
(2)真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；
(3)快速冷却制得钎料：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得钎料。
进一步的，所述制得的钎料可根据需要制备成块状、丝状、箔带等形式，钎料熔化温度范围为455～474℃，钎焊温度480～570℃，可用于钎焊固相线温度在500℃以上的铝合金。
进一步的，所述适合的钎焊工艺方法包括真空钎焊、保护气氛钎焊、火焰钎焊等。
本发明钎料化学成分的设计依据叙述如下：
(1)Cu和Zn元素会能降低Al-Si系钎料的熔点，但Cu和Zn元素加入过量会形成Al2Cu金属间化合物以及使母材溶蚀，降低接头性能。研究发现元素Mg和Sn也分别能降低铝合金熔点。因此在目前Al-Si-Cu-Zn系钎料成分基础上降低Cu和Zn元素的含量，添加少量的Mg和Sn元素，利用Cu、Zn、Mg、Sn四种元素复合作用来降低钎料的熔点。
(2)根据Hall-Petch关系，钎缝的晶粒组织越细小，钎缝的强度越高。Ti、Zr是铝合金较为常用的孕育剂，二者单独添加能分别形成Al3Ti和Al3Zr粒子，这两种粒子都能充当基体的形核核心，故都能对铝合金产生一定的晶粒细化效果。但当熔体在高温下长时间停留时，熔体中的Al3Ti和Al3Zr粒子会发生粗化、聚集和沉淀，最终丧失充当基体形核核心的作用，细化效果会很快消失，使最终获得的合金力学性能并未得到显著提高。故Ti或Zr单独添加时的细化效果并不理想，Ti或Zr单独作为铝合金孕育剂的使用尚存在较大的局限性。因此在钎料中同时添加Sc、Ti、Zr等晶粒细化元素，在钎缝金属中分别与Al形成Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc和Al3(Sc,Ti)等高熔点粒子，这些粒子在钎缝金属的凝固过程中，作为非均质形核的核心，促进了等轴晶的形成，细化了钎缝组织，提高了钎焊接头性能。
本发明具有以下优点：(1)本发明钎料的熔点较低，熔化温度范围为455～474℃，可在480℃以上温度进行钎焊，可用于钎焊固相线温度在500℃以上的铝合金。(2)本发明钎料钎焊接头具有良好的力学性能。(3)主要用于固相线在500℃铝合金以上的铝合金钎焊，通过添加合金元素降低钎料熔点、细化前锋晶粒组织，从而提高铝合金钎焊接头的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明实施例中钎料的DSC曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：一种高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
配料，按设计好的化学成分配比：Si 3.0％，Cu 7.5％，Zn18.0％，Mg 1.0％，Sn1.8％，Zr 0.20％，Ti 0.20％，Sc的质量分数为0.08％，余量为Al；称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99％的铝、镁、锌、锡进行配料；真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5分钟；快速冷却制得钎料：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得钎料。
实施例二
本发明所述的高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
配料，按设计好的化学成分配比：Si 3.5％，Cu8.5％，Zn19％，Mg 1.5％，Sn 2％，Zr 0.3％，Ti 0.3％，Sc的质量分数为0.11％，余量为Al；称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99％的铝、镁、锌、锡进行配料；真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.07MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温8分钟；快速冷却制得钎料：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得钎料。
实施例三
本发明所述的高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
配料，按设计好的化学成分配比：Si4.0％，Cu9.5％，Zn19％，Mg 2.0％，Sn 2.3％，Zr 0.40％，Ti0.40％，Sc的质量分数为0.15％，余量为Al；称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99％的铝、镁、锌、锡进行配料；真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；快速冷却制得钎料：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得钎料。
实施例四
根据本发明钎料的化学成分范围，对所需的钎料进行了加工和制备，制备工艺流程如下：按设计好的化学成分配比：Si 3.0％～4.0％，Cu 7.5％～9.5％，Zn18.0％～21.0％，Mg 1.0％～2.0％，Sn 1.8％～2.3％，Zr 0.20％～0.40％，Ti 0.20％～0.40％，Sc的质量分数为0.08％～0.15％，余量为Al。称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99％的铝、镁、锌、锡进行配料。将准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；当熔体保温到制定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得棒状钎料。
实施例五
在精密切割仪上把熔炼好的棒状钎料加工成20×3×3mm，用丙酮清洗干净后风干。采用差示扫描量热仪对钎料进行DSC熔点温度，试验结果如图1所示，可见钎料熔化温度范围为455～474℃，而目前工业中应用的熔点低于500℃以下的钎料仅B-Al60GeSi、B-Al55Ge、B-Al45ZnSi等少数几种钎料，但因Ge为稀贵金属(6000-10000元/kg)，该钎料成本太高，限制了其在工业中的应用。因此采用本发明钎料及B-Al45ZnSi钎料对2024、6061铝合金进行钎焊测试，表1为钎焊接头剪切强度。
表1钎焊接头剪切强度
Figure BDA0001718273700000051
由此可见本发明钎料熔化温度低，钎焊接头剪切强度均在150MPa以上，高于B-Al45ZnSi钎料钎焊接头剪切强度。

Claims (2)

1.一种高强度铝合金中温钎料，其特征在于：按质量百分比计主要化学成分为：
Si 3.0%~4.0%，
Cu 7.5%~9.5%，
Zn18.0%~21.0%，
Mg 1.0%~2. 0%，
Sn 1.8%~2.3%，
Zr 0.20%~0.40%，
Ti 0.20%~0.40%，
Sc的质量分数为0.08%~0.15%，
余量为Al。
2.一种根据权利要求1所述的一种高强度铝合金中温钎料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）配料，按设计好的化学成分配比：Si 3.0%~4.0%，Cu 7.5%~9.5%，Zn18.0%~21.0%，Mg1.0%~2. 0%，Sn 1.8%~2.3%，Zr 0.20%~0.40%，Ti 0.20%~0.40%，Sc的质量分数为0.08%~0.15%，余量为Al；称取原料Al-20Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-2Sc中间合金以及纯度均为99.99%的铝、镁、锌、锡进行配料；
（2）真空环境下高频电磁震荡熔炼：将第一步准备好的全部配料放入真空高频电磁震荡电弧炉内，将炉内真空度抽至6×10-2Pa～8×10-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.06-0.08MPa的高纯氩气，再将炉温设置为预定的温度，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；
（3）快速冷却制得钎料：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的石英模具中，制得钎料；
制得钎料制备成块状、丝状、箔带形式，钎料熔化温度范围为455～474℃，钎焊温度480～570℃，用于钎焊固相线温度在500℃以上的铝合金；
适合的钎焊工艺方法包括真空钎焊、保护气氛钎焊、火焰钎焊。
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