CN109226992A - 一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，首先制备Sn‑Zn‑Bi钎料并将其轧制成Sn‑Zn‑Bi箔材，然后对Sn‑Zn‑Bi箔材、铝块以及铜块进行预处理，再将预处理后的Sn‑Zn‑Bi箔材置于铝块和铜块之间放入真空热压烧结炉中进行真空烧结制备得到铜铝双金属材料。本发明的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，解决了现有技术中存在的Sn‑Zn在Al的表面润湿性较差，不能满足Cu‑Al异种金属连接的问题。

Description

一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法
技术领域
本发明属于双金属复合材料制备方法技术领域，涉及一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法。
背景技术
Al-Cu异种金属的连接广泛应用于冶金、电力、化工、制冷和航空航天工业中，目前，主要采用熔铸法、爆炸焊、扩散焊等焊接的方法实现Al-Cu双金属的连接，且界面连接温度在600℃左右。但由于Al、Cu两种金属熔点相差424℃，线膨胀系数相差40％以上，在焊接过程中，两种金属不仅易形成金属氧化物，而且使用过程中易生成裂纹，极大的降低了导电率。
锡铅(Sn-Pb)合金是传统钎料的首选材料，具有优良的低熔点、导电性优良、力学性能较好等特点。但是，铅是一种有毒有害的重金属元素，在使用之后如果没有进行严格的处理，会对自然以及人类的健康有很大的危害，Sn-Zn共晶熔点最接近于Sn-Pb系合金，其强度，塑韧性均优于Sn-Pb系，且成本低廉。
但是现有的Sn-Zn系在Al的表面润湿性较差，不能满足Al-Cu异种金属的连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，解决了现有技术中存在的Sn-Zn在Al的表面润湿性较差，不能满足Cu-Al异种金属连接的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，首先制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材，然后对Sn-Zn-Bi箔材、铝块以及铜块进行预处理，再将预处理后的Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间放入真空热压烧结炉中进行真空烧结制备得到铜铝双金属材料。
本发明的特征还在于，
制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材的过程按照以下步骤进行：
步骤1，按重量百分比分别称取以下组分：锡80％～87.5％，锌9％，铋3.5％～11％，上述各组份的重量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精进行清洗20～30min；
步骤3，将经过步骤2清洗的锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内在500～550℃保温20～40min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料；
步骤4，将步骤3制备得到的Sn-Zn-Bi钎料进行熔炼后，测试并记录其熔点，然后轧制成Sn-Zn-Bi箔材。
对Sn-Zn-Bi箔材进行预处理的过程为：首先将Sn-Zn-Bi箔裁切成适当大小，然后将裁取的Sn-Zn-Bi箔材放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min。
对铝块进行预处理的过程为：将铝块裁切成适当大小，然后将裁取的铝块放入3％～5％NaOH溶液中进行1～5min碱洗，然后放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min，然后再给铝块表面均匀地涂抹助焊剂。
对铜块行预处理的过程为：首先将铜块裁切成适当大小，然后将裁取的铜块放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min，然后再给铜块表面均匀地涂抹助焊剂。
将预处理后的Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间放入真空热压烧结炉中进行真空烧结制备得到铜铝双金属材料的过程为：将经预处理Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间，一并放置于热压磨具中，然后将热压模具放入抽真空的真空热压烧结炉中进行烧结，然后随炉体冷却，获得铜铝双金属材料。
进行真空烧结时，当烧结炉内真空度达到6.67×10-2Pa～6.67×10-1Pa后，才开始加热。
进行真空烧结时，开始加热在10～20min内温度加热到250～300℃后保温，保温过程中给Sn-Zn-Bi箔材、铝块、铜块组成的整体加压0.5～1Mpa，保温5～10min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得铜铝双金属材料。
本发明的有益效果是：
本发明用Sn-Zn-Bi钎料制成的箔材，对铝、铜在低温扩散环境下进行双向连接，避免了Al2Cu、Al4Cu9等脆硬相的生成，在铜侧会产生一层Cu5Zn8相和点状Cu6Sn5相，而在Al侧并没有生成金属间化合物，只是Zn与Al发生了原子扩散，从而实现优良的连接；
本发明制备的Sn-Zn-Bi钎料中，加入Bi元素，除了降低熔点外，还有提高钎料在铜铝表面润湿性的作用；
本发明的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，铜铝双金属结合界面均匀，同时还具有较好的界面导电率，其制备工艺简单可靠，绿色环保。
附图说明
图1是本发明实施例1-4所制备的Sn-Zn-Bi钎料分别在铜块上的润湿面积图；
图2是本发明实施例1-4所制备的Sn-Zn-Bi钎料分别在铝块上的润湿面积图；
图3是本发明实施例4所制备的Cu/Al双金属的组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，首先制备Sn-Zn-Bi钎料并将轧制成Sn-Zn-Bi箔材，然后首先将Sn-Zn-Bi箔片、铝块以及铜块裁切成适当大小，然后将裁取的铝块放入3％～5％NaOH溶液中进行1～5min碱洗，然后再将裁取的Sn-Zn-Bi箔材、铜块以及进行过碱洗的铝块放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后一起放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min；将经预处理Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间，一并放置于热压磨具中，然后将热压模具放入抽真空的真空热压烧结炉中进行烧结，当烧结炉内真空度达到6.67×10-2Pa～6.67×10-1Pa后，才开始加热，开始加热在10～20min内温度加热到250～300℃后保温，保温过程中给Sn-Zn-Bi箔材、铝块、铜块组成的整体加压0.5～1Mpa，保温5～10min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得铜铝双金属材料。然后随炉体冷却，获得铜铝双金属材料；
其中，制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材的过程按照以下步骤进行：
步骤1，按重量百分比分别称取以下组分：锡80％～87.5％，锌9％，铋3.5％～11％，上述各组份的重量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精进行清洗20～30min；
步骤3，将经过步骤2清洗的锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内在500～550℃保温20～40min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料；
步骤4，将步骤3制备得到的Sn-Zn-Bi钎料进行熔炼后，测试并记录其熔点，然后轧制成Sn-Zn-Bi箔材。
本发明对不同成分的Sn-Zn-Bi钎料进行测试发现，随着Bi元素的增加，Zn-Sn-Bi钎料的熔点越低，但是熔程会变大，从而会恶化接头的力学性能；Zn-Sn-Bi钎料在铜和铝上的铺展面积都逐渐变大，可见Bi原子有降低表面能，提高润湿性的作用。
本发明将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面上出现氧化物共同放入真空热压炉中，对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到6.67×10-3Pa～6.67×10-2Pa后才开始加热。
本发明中加入适量的Bi元素，除了降低熔点外，还有提高钎料在铜铝表面润湿性的作用，使用Sn-Zn-Bi钎料，对铝、铜在低温扩散下进行双向连接，避免了Al2Cu、Al4Cu9等脆硬相的生成，在铜侧会产生一层较薄的Cu5Zn8相和点状Cu5Sn6相，实现铜铝双金属材料低温扩散下的冶金结合。
实施例1
制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材：按重量百分比分别称取87.5％锡、9％锌和3.5％铋，将锡、锌、铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20min；锡、锌、铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内进行熔化，在500℃保温20min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料，将制得的Sn-Zn-Bi钎料熔炼后，测出其熔点为199.79℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。
制备铜铝双金属材料：裁取纯Al长宽高为30×15×3mm，纯铜为30×15×1mm，Sn-Zn-Bi箔材为30×15mm，裁取的铝块放入3％NaOH溶液中进行1min碱洗，将裁取的铜块和碱洗处理后的铝块以及Sn-Zn箔材放入5％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1min，然后将铜块、铝块、Sn-Zn-Bi箔材一起放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20min，把Sn-Zn-Bi箔材置于铝和铜之间，一并放置于热压磨具，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面上出现氧化物共同放入真空热压炉中，对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到7.0×10-2Pa后，开始加热烧结10min，加热温度到250℃后保温，保温过程中给Al-Cu双金属加压0.5Mpa，保温5min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得Cu/Al双金属复合材料，测得结合强度为36Mpa。
实施例2
制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材：按重量百分比分别称取84％锡，9％锌，7％铋；将称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20min；将清洗的锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内进行熔化，在520℃保温30min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料，将制得的Sn-Zn-Bi钎料熔炼后，测出其熔点为198.76℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。
制备铜铝双金属材料：裁取纯Al长宽高为30×15×3mm，裁取纯铜为30×15×1mm，裁取Sn-Zn-Bi箔材为30×15mm；将裁取的铝块放入4％NaOH溶液中进行2min碱洗，将裁取的铜块和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi箔材放入7％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗2min，然后将铜块、铝块、Sn-Zn-Bi箔材一起放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min。将Sn-Zn-Bi合金置于铝和铜之间，一并放置于热压磨具，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面上出现氧化物共同放入真空热压炉中，对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到7.0×10-2Pa后，开始加热烧结15min，加热温度到260℃后保温，保温过程中给Al-Cu双金属加压0.6Mpa，保温6min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得Cu/Al双金属复合材料，测得结合强度为41Mpa。
实施例3
制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材：按重量百分比分别称取82％锡，9％锌，9％铋；将称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min；将清洗的锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内进行熔化，在540℃保温37min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料，将制得的Sn-Zn-Bi钎料熔炼后，测出其熔点为197.64℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。
制备铜铝双金属材料：裁取纯Al长宽高为30×15×3mm，纯铜为30×15×1mm，不同成分的Sn-Zn-Bi箔材为30×15mm，将裁取的铝块放入5％NaOH溶液中进行4min碱洗，将裁取的铜块和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi箔材放入9％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗4min，然后将铜块、铝块、Sn-Zn-Bi钎料一起放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗45min。将处理好的Sn-Zn-Bi合金置于铝和铜之间，一并放置于热压磨具，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面上出现氧化物共同放入真空热压炉中，对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到8.0×10-2Pa后，开始加热烧结17min，加热温度到280℃后保温，保温过程中给Al-Cu双金属加压0.8Mpa，保温8min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得Cu/Al双金属复合材料，测得结合强度为38Mpa。
实施例4
制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材：按重量百分比分别称取锡80％，锌9％，铋11％；将称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min；将锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内进行熔化，在550℃保温40min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料，将制得的Sn-Zn-Bi钎料熔炼后，测出其熔点为196.64℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。
制备铜铝双金属材料：裁取纯Al长宽高为30×15×3mm，纯铜为30×15×1mm，不同成分的Sn-Zn-Bi箔材为30×15mm；将裁取的铝块放入5％NaOH溶液中进行5min碱洗，然后把铜块和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗5min，然后将铜块、铝块、Sn-Zn-Bi钎料一起放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗50min；将Sn-Zn-Bi合金置于铝和铜之间，一并放置于热压磨具，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面上出现氧化物共同放入真空热压炉中，对真空热压烧结炉抽真空，当烧结炉内真空度达到3.0×10-1Pa后，开始加热烧结20min，加热温度到300℃后保温，保温过程中给Al-Cu双金属加压1Mpa，保温10min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得Cu/Al双金属复合材料，测得结合强度为34Mpa。
图1为实施例1～4所制备的Sn-Zn-Bi钎料分别在铜块上的润湿面积，
图2为实施例1～4所制备的Sn-Zn-Bi钎料分别在铝块上的润湿面积，从图1和图2可以看出，添加Bi元素后，润湿性明显提高，当添加7％Bi时，润湿性能达最高为100mm2左右，随着Bi含量的继续增加，铺展面积又会逐渐减小，润湿性逐渐降低。
图3为实施例4所制备的Cu/Al双金属的组织照片，添加11％Bi元素后，铜侧生成约15μm的层状Cu5Zn8相，而在Al侧并没有生成金属间化合物，只是Zn与Al发生了原子扩散，形成了优良的界面。

Claims (9)

1.一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，首先制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材，然后对Sn-Zn-Bi箔材、铝块以及铜块进行预处理，再将预处理后的Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间放入真空热压烧结炉中进行真空烧结制备得到铜铝双金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述制备Sn-Zn-Bi钎料并将其轧制成Sn-Zn-Bi箔材的过程按照以下步骤进行：
步骤1，按重量百分比分别称取以下组分：锡80％～87.5％，锌9％，铋3.5％～11％，上述各组份的重量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的锡、锌和铋混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精进行清洗20～30min；
步骤3，将经过步骤2清洗的锡、锌和铋混合物放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放置到氮气气氛箱式电阻炉内在500～550℃保温20～40min，得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi低熔点钎料；
步骤4，将步骤3制备得到的Sn-Zn-Bi钎料进行熔炼后，测试并记录其熔点，然后轧制成Sn-Zn-Bi箔材。
3.根据权利要求1所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述对Sn-Zn-Bi箔材进行预处理的过程为：首先将Sn-Zn-Bi箔裁切成适当大小，然后将裁取的Sn-Zn-Bi箔材放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min。
4.根据权利要求1所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述对铝块进行预处理的过程为：将铝块裁切成适当大小，然后将裁取的铝块放入3％～5％NaOH溶液中进行1～5min碱洗，然后放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min，然后再给铝块表面均匀地涂抹助焊剂。
5.根据权利要求1所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述对铜块行预处理的过程为：首先将铜块裁切成适当大小，然后将裁取的铜块放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗1～5min，然后放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min，然后再给铜块表面均匀地涂抹助焊剂。
6.根据权利要求4或5所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述助焊剂的主要成分为ZnCl2、NH4Cl。
7.根据权利要求1所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，所述将预处理后的Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间放入真空热压烧结炉中进行真空烧结制备得到铜铝双金属材料的过程为：将经预处理Sn-Zn-Bi箔材置于铝块和铜块之间，一并放置于热压磨具中，然后将热压模具放入抽真空的真空热压烧结炉中进行烧结，然后随炉体冷却，获得铜铝双金属材料。
8.根据权利要求7所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，进行所述真空烧结时，当烧结炉内真空度达到6.67×10-3Pa～6.67×10-2Pa后，才开始加热。
9.根据权利要求7所述的一种低温扩散制备铜铝双金属材料的方法，其特征在于，进行所述真空烧结时，开始加热在10～20min内温度加热到250～300℃后保温，保温过程中给Sn-Zn-Bi箔材、铝块、铜块组成的整体加压0.5～1Mpa，保温5～10min，之后降温，铝块和铜块随炉体冷却后，获得铜铝双金属材料。
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