CN111151917B

CN111151917B - 一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料及制备方法

Info

Publication number: CN111151917B
Application number: CN201911369667.8A
Authority: CN
Inventors: 罗伟; 严密; 周健; 胡磊; 许文韬; 吴琛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN111151917A

Abstract

本发明公开了一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料及制备方法，该钎料包括以下质量百分比的组分：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu。该钎料采用熔体快冷技术制备，熔点低于532℃，适于有镀镍层的烧结钕铁硼磁体与10号钢、纯铁等异质材料的真空钎焊，钎焊温度545～560℃，钎焊接头剪切强度大于41MPa。

Description

一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，尤其涉及一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料及制备方法。

背景技术

永磁材料具有机械能与电磁能相互转换的功能，可做成多种形式的功能器件，是高新技术、新兴产业与社会进步的重要物质基础。永磁材料包括金属永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料，稀土永磁材料是稀土元素RE(Sm、Nd、Pr、Dy、Tb等)与过渡金属TM(Fe、Co等)所形成的一类高性能永磁材料，其中钕铁硼稀土永磁材料是第三代稀土永磁材料，磁能量密度最高，且兼具高剩磁、高矫顽力、高磁能积和低膨胀系数等诸多优点，自问世以来，发展非常迅速，应用最为广泛。

钕铁硼永磁材料主要有磁体、薄膜和粉末三大类，磁体是最主要的结构形式，按制备方法分为烧结、粘结和热压磁体，各有其特点，其中烧结磁体约占磁体总产量的85％，居主导地位，广泛应用于航天航空、军工、交通运输车辆、电子通讯、计算机、自动控制、医疗、电声、电机等领域，近年来随着材料配方优化与制备技术的发展进步，烧结钕铁硼磁体性能不断提高，应用领域不断扩宽，诸如风力发电、推进电机、微特电机多极磁体、磁力传动与行走等高科技领域的发展，对其在应用装备(装置)上的安装与固定方式不断提出新的要求，典型的如永磁电机转子、磁力齿轮、机器人吸力行走机构等所用的磁体更加可靠有效的安装与固定，因此，需要先进的连接与组装技术提供技术支撑。

烧结钕铁硼磁体因其固有的特性，硬而脆，塑韧性差，机械加工很困难，且耐蚀性差，必须进行表面防腐处理才能得以应用。烧结钕铁硼磁体表面防腐处理主要有电镀、化学镀、物理气相沉积等，可镀(沉积)Ni、Zn、NiCuNi、NiSn、NiAg、NiAu等，各有其特点，应用环境不尽相同，其中，电镀Ni是最常见的表面防腐处理之一。目前，钕铁硼磁体采用连接或组装固定的方式主要有机械连接固定、粘结以及机械连接固定+粘结组合法。由于粘接强度有限，且存在粘接剂(环氧树脂、厌氧胶等)老化问题，粘接受到很大制约。因为烧结钕铁硼磁体是脆性材料，机械连接固定易使其受到损伤，磁体在运转过程中也会由于热膨胀导致连接固定发生松弛，另外，在振动环境中磁体由于微观冲击和振动而退磁，导致磁性能降低，严重时甚至导致装备(装置)的失效。因此，如何进行表面有耐蚀镀层的烧结钕铁硼磁体的有效可靠连接与组装固定，是目前国内外烧结钕铁硼磁体应用中关注的一个热点，也是亟待解决的一个共性技术难题。

钎焊是材料连接固定最有效的方式之一，是采用比焊件母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件母材和钎料加热到高于钎料熔点但低于焊件母材熔点的温度，利用液态钎料润湿焊件母材、填充焊接接头间隙并与焊件母材相互扩散实现连接的方法。由于钎焊具有焊接温度低、焊件母材适应性广的特点，应用很广泛，理论上可进行烧结钕铁硼磁体的连接固定，但对于烧结钕铁硼磁体这种永磁功能材料，特别是表面有耐蚀镀层的烧结钕铁硼磁体，钎焊必须解决两个核心技术问题：1、连接强度；2、钎焊温度场可能对磁体磁性能以及耐蚀镀层的损伤。这两个核心技术问题，都与钎料密切相关，因此，钎料就成为表面有耐蚀镀层的烧结钕铁硼磁体钎焊连接的关键。

迄今为止，市场上尚无上架的相关钎料产品。已公开的相关文献公开了一种稀土铁基永磁体用带状钎焊料及其制备方法(公开号CN105057918A)；一种提高钕铁硼与钢或钕铁硼与钕铁硼钎焊接头强度的方法(公开号CN107363358B)，涉及的钎料为银基钎料；一种钕铁硼永磁体用铜基钎焊材料(公开号CN107931885B)。所公开的几种钎料熔点都较高，钎焊过程中势必会对磁体产生不利的热影响，因此，开发出一种熔点较低、钎焊性能优良的钎料，满足表面有耐蚀镀层的烧结钕铁硼磁体的连接与组装固定需求，具有重要的工业应用意义，应用前景非常广阔。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料及制备方法，该钎料的熔点低于532℃，钎焊接头抗剪强度高于41Mpa。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料，它包括以下质量百分比的组分：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu；采用纯度(重量百分比)均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料。

所述烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料的熔点低于532℃，抗剪强度高于41Mpa。

上述有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料的制备方法，包括如下步骤：

1)采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料，按质量百分数配比为：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu组成配料，放入真空感应熔炼炉中进行感应熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到成分均匀的母合金铸锭；

(2)将步骤1获得的母合金铸锭破碎成小块后放入真空旋淬系统下端石英管中，启动真空旋淬系统，加热石英管中使母合金熔化，熔炼3～4min后用纯氩气把熔融合金液通过石英管底部方口喷射注入真空旋淬系统中高速旋转铜棍上，喷射压力差为0.08-0.10MPa，铜棍转速为28-32m/s，迅速凝固后借助离心力甩离铜棍面，得到连续的箔带钎料。

进一步地，所述步骤(1)中，感应熔炼时，先抽取真空至4.0×10^-3Pa后，再充入0.06MPa的纯氩气。

进一步地，所述步骤(2)中，加热石英管中使母合金熔化前，先抽取感应炉腔真空至4.0×10^-3Pa后充入0.06MPa的纯氩气保护。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：(1)本发明的钎料熔点低于532℃，钎焊温度可低至545～560℃，可有效避免钎焊温度场对磁体磁性能和表面镀Ni层的不利影响。钎焊温度降低，有效降低了能源消耗；(2)本发明的钎料成分科学合理，钎焊过程中不会因为元素扩散而损伤磁体磁性能；(3)本发明的钎料可用于有镀镍层的烧结钕铁硼磁体与10号钢、纯铁等异质材料的真空钎焊，接头抗剪强度高于41Mpa；(4)本发明的钎料是箔带状，易于施加；(5)本发明的钎料采用了熔体快冷技术制备，具有比常规熔炼技术制备的同成分钎料更佳的钎焊工艺性，制备工艺简单，便于操作，工艺消耗费较低。

具体实施方式

本发明的要点如下：

1、钎料合金成分确定

众所周知，钎料熔点的降低，可以降低钎焊温度，避免钎焊时对磁体性能的不利影响。因此，本发明钎料设计基于较低的熔点，并对磁体表面镀Ni层有良好的润湿性，提高钎缝强度。

钎料的性能取决于其成分和组织。已有的研究表明，Al-Si共晶合金的共晶温度为577℃，添加Cu，可显著降低其熔点，Al-Cu-Si共晶合金的共晶温度为524℃；在Al-Si-Cu合金中加入少量Ge，可大幅度降低钎料熔点，这主要和Al-Ge共晶温度424℃有关，但Ge添加降低了钎焊接头强度，且Ge价格比较昂贵，加入量多会大大增加钎料的成本；用少量Zn代替Ge，降低合金熔点及脆性，同时降低成本，但Zn蒸汽压较高，会增加钎焊难度，故只可少量添加；添加少量的Ni可以在一定程度上降低钎料的熔点，更重要的是Ni取代一部分的Cu，减少Cu对钎料塑性的破坏，降低脆性，提高钎焊接头强度；Bi、La和Ce复合添加，获得优良的材料变质效果，从而细化钎料组织，改善钎料的流动性，提高钎焊接头性能。另外，Zn、Al、Si和Ag可以改善钎料液态金属的流动性，增大钎料对钎焊母材的润湿性和填缝能力，提高钎焊质量。经过大量实验，本发明确定了各成分的质量百分比：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu。

2、钎料制备技术

除成分外，钎料的制备技术对其性能也有很重要的影响作用。快速凝固作为一种先进制备技术，已应用于钎料生产中。传统方法制备的普通钎料晶粒较大，成分分布不均匀，钎料在液态铺展过程中低熔点共晶组织部分先熔化，高熔点的先析出相和金属间化合物后熔化，后熔化相阻碍了低熔点液相的铺展，使得润湿性较差。与传统方法制备的钎料相比，快速凝固技术制备钎料成分均匀，熔化温度区间窄，能够达到瞬时熔化的效果，具有良好的润湿性，所得钎焊接头的性能优于普通钎料。快速凝固技术制备钎料的晶粒尺寸更小，表面能增加，熔点也低于普通钎料。此外快速凝固制备箔带钎料的工艺简单，可控性好，成本低，适用于大范围工业化应用。箔带钎料的性能(包括钎料合金熔点、箔带尺寸)主要取决于真空旋淬系统的喷射压力差和铜棍转速；经过大量实验，本发明确定了真空旋淬系统的喷射压力差0.08～0.10MPa，铜棍转速28～32m/s为最佳工艺参数。

下面结合实施例作详细说明：

实施例1

采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料，按质量百分数配比为：Al：10.0％、Si：8.0％、Zn：5.0％、Ge：4.0％、Ag：6.0％、Ni：5.0％、Bi：0.40％，La：0.45％、Ce：0.55％，余量为Cu组成配料，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，充入0.06MPa的纯氩气进行感应熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注RE、Ge、Zn等在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10^-3Pa后充入0.06MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼3min后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔(尺寸：10mm×0.5mm)喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中(喷射压力差0.08MPa，铜棍转速为28m/s)，制得箔带长93cm、宽度10mm和厚度216μm。用DSC测得钎料的液相线温度为530.1℃；进行S-NdFeB-260/199烧结磁体与10号钢异质材料的真空钎焊(搭接接头)，钎焊温度555℃，参照GB/T11363-2008“钎焊接头强度试验方法”进行钎焊接头强度试验，钎焊接头抗剪强度≥41.3Mpa；按照GB/T3217-2013“永磁(硬磁)材料磁性试验方法”测试磁体磁性能，磁体磁性能(剩磁、矫顽力、最大磁能积等)无明显下降，均符合GB/T13560-2017“烧结钕铁硼永磁材料”规定；参照GB/T2423.17-2008“电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Ka”进行磁体中性盐雾试验，48小时，合格。

实施例2

采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料，按质量百分数配比为：Al：11.0％、Si：9.0％、Zn：4.5％、Ge：3.0％、Ag：5.0％、Ni：4.5％、Bi：0.40％，La：0.45％、Ce：0.55％，余量为Cu组成配料，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，充入0.06MPa的纯氩气进行感应熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注RE、Ge、Zn等在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10^-3Pa后充入0.06MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼3min后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔(尺寸：10mm×0.5mm)喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中(喷射压力差0.10MPa，铜棍转速为32m/s)，制得箔带长114cm、宽度10mm和厚度163μm。用DSC测得钎料的液相线温度为531.8℃；进行S-NdFeB-260/199烧结磁体与纯铁异质材料的真空钎焊(搭接接头)，钎焊温度560℃，参照GB/T11363-2008“钎焊接头强度试验方法”进行钎焊接头强度试验，钎焊接头抗剪强度≥42.7Mpa；按照GB/T3217-2013“永磁(硬磁)材料磁性试验方法”测试磁体磁性能，磁体磁性能(剩磁、矫顽力、最大磁能积等)无明显下降，均符合GBT13560-2017“烧结钕铁硼永磁材料”规定；参照GB/T2423.17-2008“电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Ka”进行磁体中性盐雾试验，48小时，合格。

实施例3

采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料，按质量百分数配比为：Al：12.0％、Si：9.5％、Zn：5.0％、Ge：3.5％、Ag：5.5％、Ni：5.0％、Bi：0.35％，La：0.40％、Ce：0.50％，余量为Cu组成配料，放入真空感应熔炼炉中，抽取真空至4.0×10^-3Pa后，充入0.06MPa的纯氩气进行感应熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到棒状母合金铸锭。为保证铸锭的成分符合设计成分，必须关注RE、Ge、Zn等在熔炼过程中的损耗量。母合金铸锭制备完成后从感应炉中取出并破碎成小块，再放入真空旋淬系统中的石英管中，启动真空旋淬系统，抽取感应炉腔真空至4.0×10^-3Pa后充入0.06MPa的纯氩气保护，采用高频感应线圈加热石英管中的母合金使其熔化，熔炼4min后用纯氩气把熔融的合金液通过石英管底部的方孔(尺寸：10mm×0.5mm)喷射注入旋淬系统中高速旋转铜模中(喷射压力差0.09MPa，铜棍转速为30m/s)，制得箔带长101cm、宽度10mm和厚度182μm。用DSC测得钎料的液相线温度为531.2℃；进行S-NdFeB-260/199烧结磁体与10号钢异质材料的真空钎焊(搭接接头)，钎焊温度555℃，参照GB/T11363-2008“钎焊接头强度试验方法”进行钎焊接头强度试验，钎焊接头抗剪强度≥41.9Mpa；按照GB/T3217-2013“永磁(硬磁)材料磁性试验方法”测试磁体磁性能，磁体磁性能(剩磁、矫顽力、最大磁能积等)无明显下降，均符合GBT13560-2017“烧结钕铁硼永磁材料”规定；参照GB/T2423.17-2008“电工电子产品环境试验第2部分:试验方法试验Ka”进行磁体中性盐雾试验，48小时，合格。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料，它包括以下质量百分比的组分：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu；采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料。

2.根据权利要求1所述的有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料，其特征在于，所述烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料的熔点低于532℃，抗剪强度高于41Mpa。

3.一种权利要求1所述的有镀镍层的烧结钕铁硼磁体钎焊用钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用纯度均大于99.6％的Al、Si、Zn、Ge、Ag、Ni、Bi、La、Ce和Cu作为原材料，按质量百分数配比为：Al：10.0％～12.0％、Si：8.0％～9.5％、Zn：4.5％～5.0％、Ge：3.0％～4.0％、Ag：5.0％～6.0％、Ni：4.5％～5.0％、Bi：0.35％～0.40％，La：0.40％～0.45％、Ce：0.40％～0.55％，余量为Cu组成配料，放入真空感应熔炼炉中进行感应熔炼，充分合金化后浇注到炉内的水冷铜模中，得到成分均匀的母合金铸锭；

(2)将步骤(1)获得的母合金铸锭破碎成小块后放入真空旋淬系统下端石英管中，启动真空旋淬系统，加热石英管中使母合金熔化，熔炼3～4min后用纯氩气把熔融合金液通过石英管底部方口喷射注入真空旋淬系统中高速旋转铜棍上，喷射压力差为0.08-0.10MPa，铜棍转速为28-32m/s，迅速凝固后借助离心力甩离铜棍面，得到连续的箔带钎料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，感应熔炼时，先抽取真空至4.0×10^-3Pa后，再充入0.06MPa的纯氩气。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，加热石英管中使母合金熔化前，先抽取感应炉腔真空至4.0×10^-3Pa后充入0.06MPa的纯氩气保护。