CN112975203B - 一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于连接Cu/Al接头的Al‑Si‑Cu‑Ni系钎料及其制备方法。所述用于连接Cu/Al接头的Al‑Si‑Cu‑Ni系钎料，其成分重量百分比为硅8‑12％，铜2‑10％，镍1‑4％，铒0‑0.3％，锆0‑0.3％，铝余量。其制备方法包括以下步骤：原材料选用、合金熔炼、搅拌、浇注成锭。本发明提出的钎料塑性良好，具有相对合适的钎焊温度，获得的铜铝钎焊接头强度高、耐腐蚀性能好；本发明的钎料钎焊温度较低，一般在590℃左右，接头脆性较小，强度更高，本发明最高剪切强度可达98.12MPa，大大高于传统的钎料，作为一种性能优良的新型铜铝接头钎料，适于推广应用。

Description

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种铜铝及其合金的钎焊用钎料，尤其涉及一种钎焊温度相对较低、塑性较好、焊接接头强度、耐腐蚀性较高的用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料及其制备方法。

背景技术

铝合金在工业生产和社会生活中的应用非常广泛，如由于其具有比重小、导电和导热性好、塑性及机械加工性优良等优点，铝合金在现代工业材料中有着不可替代的重要作用。目前采用3系、6系高强铝合金制造全铝结构零部件来代替铜质零部件，这是因为铝代铜可以降低成本，同时也能减轻构件的重量，因此，这已成为制造业的一种趋势，但由于铝与铜的物理、化学性能差异较大，使得铜铝接头的焊接难度大。

铜铝焊接难度主要表现在：(1)铜铝之间的冶金不相容性，焊接时难以形成固溶体焊缝组织；(2)铜铝电负性差异大，在合金中易生成脆硬的铜铝金属间化合物，这些化合物容易产生裂纹；(3)铜铝熔点相差很大，铝熔化时，铜仍处于固态，难以熔合；(4)铜铝之间电极电位差大，接头间容易发生腐蚀。目前来说，铜铝焊接多采用非熔化焊，其中钎焊具有设备简单、成本低廉、对母材影响小、对焊接件形状和尺寸适应性强且可实现流水线作业等优点，是实现铜铝焊接的一种重要方法。

目前铜铝钎焊采用的钎料通常有锡基钎料、锌基钎料和铝基钎料。其中锡基和锌基钎料属于软钎料，相较于铝基钎料熔点低、塑性好，但是这类钎料钎焊的接头强度较低，耐腐蚀性差，在耐腐蚀要求较高的场合使用接头易腐蚀失效。铝基钎料主要是铝硅系钎料，该种钎料强度较高，耐腐蚀性好，在铜铝钎焊领域有良好的应用前景。但是传统的铝硅共晶钎料熔点较高，接近铝母材的固相线温度，容易导致母材晶粒长大、溶蚀等问题；此外，在钎焊铜和铝母材时，接头中会生成大量的脆性金属间化合物，影响接头的力学性能。因此需要复合合金元素并控制钎料中的元素配比来调控钎料的熔化温度及界面反应以实现铜铝异种接头的高品质连接，但是目前尚未有相应的报道，因此，对这一课题展开研究，显得尤其重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料及其制备方法，通过采用该限定方法得到的新型铜铝钎焊用钎料，用于连接Cu/Al接头，具有钎焊温度相对较低(590℃左右)，接头强度、耐腐蚀性较高等优点，是一种性能优良的铜铝接头钎料。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

本发明的一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料，其特征在于该Al-Si-Cu-Ni系钎料的原料包括如下重量百分比的组分：硅(Si)8-12％，铜(Cu)2-10％，镍(Ni)1-4％，铒(Er)0-0.3％，锆(Zr)0-0.3％，铝(Al)余量；

进一步地，其原料包括如下重量百分比的组分：硅(Si)10％，铜(Cu)2-10％，镍(Ni)2％，铒(Er)0-0.3％，锆(Zr)0-0.3％，铝(Al)余量。

更进一步地，其原料包括如下重量百分比的组分：硅(Si)10％，铜(Cu)2-10％，镍(Ni)2％，铒(Er)0.2％，锆(Zr)0.2％，铝(Al)余量。

更进一步地，其原料包括如下重量百分比的组分：硅(Si)10％，铜(Cu)6％，镍(Ni)2％，铒(Er)0.2％，锆(Zr)0.2％，铝(Al)余量。

本发明还公开了所述的用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)根据用料配比称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼保温30-40min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔或丝，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

进一步地，步骤2)中，NaCl和KCl的质量比为1：1，本发明实施例中，NaCl和KCl的投料质量为在钎料原料熔炼时，NaCl和KCl熔盐能将钎料全部覆盖即可。

更进一步地，步骤2)中的熔炼温度为600-700℃。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1)本发明针对现有技术中存在的问题，在Al-Si钎料的基础上加入Cu、Ni、Zr、Er元素组成Al-Si-Cu-Ni系多元合金，其中加入Cu元素的主要目的是降低钎料熔点；添加Ni元素的主要目的是减少钎料及接头的脆性，同时能略微降低钎料熔点；复合添加微量的Er和Zr元素能对钎料起到变质处理，细化晶粒，改善钎料的塑性，提高接头的强度并降低脆性，通过上述各组份的合理投料配比，充分发挥了各金属组分的相互配合作用，使得到的具有钎焊温度相对较低(590℃左右)，接头强度、耐腐蚀性较高等优点；

2)本发明的钎料适用于钎焊铜铝接头，具有良好的综合性能：钎料的塑性良好，具有相对合适的钎焊温度，获得的铜铝钎焊接头强度高、耐腐蚀性能好；

3)常用于铜铝钎焊的软钎料(Zn-Al系、Sn-Zn系)焊接接头剪切强度大多不超过60MPa，本发明与这些常规软钎料相比，具有钎料强度高、耐腐蚀性好，连接更为可靠；

4)传统的铝硅共晶钎料钎焊温度一般在610℃以上，接头剪切强度大多低于70MPa，与之相比，本发明的钎料钎焊温度较低，一般在590℃左右，接头脆性较小，强度更高，本发明实施例中，最低剪切强度也高达81.65MPa，最高剪切强度可达98.12MPa，大大高于传统的钎料，作为一种性能优良的新型铜铝接头钎料，适于推广应用。

附图说明

图1为实施例1制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图；

图2为实施例2制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图；

图3为实施例3制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图；

图4为实施例4制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图；

图5为实施例5制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图；

图6为实施例6制备的钎料焊接铜铝接头的显微组织图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的成分质量比为：10％Si，2％Cu，2％Ni，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温30min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例2：

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的成分质量比为：10％Si，4％Cu，2％Ni，余量为Al；其制备方法包括下述步骤：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温35min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例3：

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的成分质量比为：10％Si，6％Cu，2％Ni，余量为Al；其制备方法包括下述步骤：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温35min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例4：

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的成分质量比为：10％Si，8％Cu，2％Ni，余量为Al；其制备方法包括下述步骤：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温40min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例5：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温40min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例6：

一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的成分质量比为：10％Si，6％Cu，2％Ni，0.2％Er，0.2％Zr，余量为Al；其制备方法包括下述步骤：

1)根据用料配比，称取所有金属原料；

2)将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在质量比为1:1的NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼；

3)熔炼温度为650℃，保温35min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4)浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔片，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

实施例1-6所得的钎料钎焊试验过程为：焊接前去除母材和钎料表面氧化膜，超声波清洗后吹干待用；钎焊接头形式为搭接，铜母材置于下方，铝母材在上方，钎料为箔片，置于两个母材之间，使用Noclock钎剂覆盖住钎料；装配完成后将试样放入钎焊炉中，钎焊温度选择为高于钎料液相线温度20℃左右，升温速率10℃/min，保温时间4min，钎焊完成后将接头取出空冷至室温，实施例1-6所得的钎料焊接铜铝接头的显微组织图如图1-6所示。

采用差式扫描量热法测试实施例1-6中制备的钎料的熔化特性；按照国标GB/T11363-2008测试实施例1-6中钎料焊接接头的剪切强度。测试结果如表1所示。

表1实施例1-6中制备的钎料性能测试结果

由表1可知，随着Cu含量的增加，钎料熔化温度降低；液相线温度下降趋势较为平稳；固相线温度在Cu含量从4wt.％增加到6wt.％时显著降低，之后Cu含量增加，固相线温度基本不变；钎料加入微量Zr和Er元素对熔化温度影响不大。随着Cu含量增加，钎料焊接接头的剪切强度先增大后降低，在Cu含量为6wt.％，钎焊接头具有最高的剪切强度；添加微量Zr和Er元素后，钎焊接头强度进一步提高。

由图1-6所示钎焊接头铜母材侧界面微观形貌可知，接头主要有两种相，分别为黑色的铝基固溶体相和灰白色的铜铝金属化合物相。铜铝化合物是接头中的脆性相，由于钎料中Cu含量不高，Cu元素主要来自于铜母材，因此易在铜侧界面上形成铜铝化合物层，钎焊接头的断裂往往发生在此处。图1所示Cu含量为2wt.％的钎料焊接接头铜侧界面的化合物层厚度明显较大，随着Cu含量增大，界面处的铜铝化合物层厚度显著减小，接头强度也有所增大，当Cu含量达到6wt.％时，Cu含量增加对化合物层厚度变化的影响开始变得不明显。这是由于当钎料能够提供较多的Cu元素时，钎料层靠近铜侧界面的基体中Cu元素浓度达到铜铝化合物形核所需的浓度条件，因而不必在铜侧界面上完全依靠高浓度的Cu元素形核，而是在钎料层中靠近铜侧界面处即可形核，所以这些铜铝化合物不与母材相连，使得化合物层厚度较小；而当钎料中Cu元素达到一定浓度时，增加Cu元素含量对铜铝化合物形核的促进变得不明显，此时化合物层厚度变化较小，增加的Cu元素含量反而使焊缝中铜铝化合物的有所增加，使得接头强度略有下降。实例6中钎料在实例3的基础上添加了微量的Zr和Er元素，如图6所示，可见铜铝化合物层厚度进一步减小，使得接头强度提高。

Claims (2)

1.一种用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料，其特征在于该Al-Si-Cu-Ni系钎料的原料包括如下重量百分比的组分：

硅10％，铜6％，镍2％，铒0.2％，锆0.2％，铝余量，所述的用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料的制备方法包括下述步骤：

1）根据用料配比称取所有金属原料；

2）将所有原料放入熔炼炉的坩埚中，在NaCl和KCl熔盐保护下进行熔炼，熔炼温度为600-700℃；

3）熔炼保温30-40min，每10min搅拌一次，保证钎料合金成分均匀；

4）浇注成锭，经轧制、拉拔后制成箔或丝，得到用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料。

2.根据权利要求1所述的用于连接Cu/Al接头的Al-Si-Cu-Ni系钎料，其特征在于步骤2）中，NaCl和KCl的质量比为1：1。

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