CN113020838A

CN113020838A - 一种铝基钎料、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN113020838A
Application number: CN202110366438.1A
Authority: CN
Inventors: 杨成刚; 钱文; 黄永德; 吴集思; 张强
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2021-04-06
Filing date: 2021-04-06
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2041-04-06
Also published as: CN113020838B

Abstract

本发明公开了一种铝基钎料、制备方法及其应用，属于铝合金焊接材料技术领域，按质量百分比计，包括如下组分：Si 9.5％～10.5％，Cu 5.5％～6.5％，Mg1.5％～2.5％，Zn 14.5％～15.5％，Sn 5.5％～6.5％，Ti 0.04％～0.06％，Zr 0.15％～0.2％，RE 0.2％～0.4％，余量为Al，钎料的熔化温度范围为445.59～514.70℃。适用于铝合金的中温钎焊。LF2铝合金在炉中钎焊时采用该材料，剪切强度大于101MPa，接头强度系数达到母材的80％。

Description

一种铝基钎料、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及铝合金焊接材料技术领域，特别是涉及一种铝基钎料、制备方法及其应用。

背景技术

铝及其合金是有色金属中应用最广泛的结构材料，具有密度小、强度高和耐腐蚀等优点，因而广泛应用于建筑施工、机械设备、交通运输、电气、船舶、化工、航空航天和军事工业等领域。铝及铝合金的广泛应用对铝及铝合金的连接技术提出了新的要求，钎焊是铝合金连接最常用的方法之一，钎焊材料和钎焊技术的发展很大程度上决定了铝及铝合金在相应领域的应用程度。尤其是随着重要铝合金部件的结构精密复杂化，需要采用真空钎焊这一精密的焊接方法，因此对铝合金真空钎料的要求就越来越高。

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。传统的铝合金钎料熔点相对较高，成分也很容易出现不均匀的现象。从实际应用角度看，高温钎料仅适用于液相线较高的母材，对于液相线较低的母材说，实现可靠连接比较困难。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于钎焊的快速凝固铝基钎料，实现对铝合金中低温钎焊，通过添加一些合金元素以降低钎料的熔点，采用快速凝固技术制备均匀的钎料，以提高焊接接头力学性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种铝基钎料，按照质量百分比计，包括如下组分：

Si 9.5％～10.5％，

Cu 5.5％～6.5％，

Mg 1.5％～2.5％，

Zn 14.5％～15.5％，

Sn 5.5％～6.5％，

Ti 0.04％～0.06％，

Zr 0.1％～0.2％，

RE 0.2％～0.4％

余量为Al。

进一步地，稀土元素RE为混合稀土，通过购买获得，主要包括La、Ce、Pr、Nd。

进一步地，所述用于钎焊的快速凝固铝基钎料厚度为箔带钎料，厚度为20μm～100μm。

进一步地，所述用于钎焊的快速凝固铝基钎料熔化温度为445.59～514.70℃。

本发明还提供一种所述的铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：按设计好的化学成分配比称取原料Al-50Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-20Mg、Al-20Si、Al-10RE、Al-90Zn中间合金以及纯度均为99.99％的铝、锡进行配料；

(2)真空环境下熔炼：将步骤(1)的全部配料放入熔炼装置内，将所述熔炼装置真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入保护气，再将炉温设置为750～800℃，直至配料全部熔化后，并在高频电磁震荡下保温5～10分钟；优选将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)快速冷却制得母合金：当熔体保温到指定时间后，浇入液氮冷却环境下的模具中，制得母合金；

(4)制备铝基钎料：将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至4～6Pa，对母合金加热，使其完全融化；采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的高速旋转的紫铜上，通过控制喷嘴高度，制得铝基钎料。

进一步地，步骤(2)所述保护气包括高纯氮气、氩气或氦气。

本发明采用快速凝固技术用于钎料生产可以制备出不同化学成分、不同熔点的急冷钎料箔带。该类钎料不仅扩大了溶质的固溶度，而且可以形成较柔软的带材，与传统钎料相比，快速凝固钎料具有一些独特的优点：在厚度方面，采用快速凝固技术制作的金属箔带可以做得很薄(几十微米)，有利于经扩散后接头成分、组织的均匀化；在成分和组织方面，快速凝固钎料的成分均匀，晶粒细小；薄加且弹性好，容易加工。且该类钎料润湿性、流动性好，有利于充分填充缝隙，从而保证钎焊质量并提高钎焊强度。由于快速凝固钎料成分均匀，使多元合金的低熔点相和高熔点相不易分离，从而导致熔化温度区间较窄，有利于钎焊进行快速凝固，钎料相较于普通钎料能有效地降低熔点，提高焊接性能。

本发明还提供一种所述的铝基钎料在铝合金中温钎焊中的应用。

本发明铝基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系填充材料的熔点，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。本发明发现元素Mg和Sn也分别能降低铝合金熔点。因此在目前Al-Si-Cu-Zn系填充材料成分基础上降低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，焊缝的晶粒组织越细小，焊缝的强度越高。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Ti、Zr等晶粒细化元素，在焊缝金属中分别与Al形成Al₃Ti、Al₃Zr等高熔点粒子，这些粒子在焊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，细化了焊缝组织，提高了焊缝接头性能。

(3)稀土元素易在晶界偏聚，改变氧化膜的形成机制。所以稀土元素常用来提高金属的抗高温氧化性，本发明添加适量的稀土元素RE可防止脆性金属间化合物的形成以及提高焊接接头性能。

本发明公开了以下技术效果：

1.可制成20μm～100μm的厚度、成分均匀的铝基钎料。

2.本发明铝基钎料的熔化温度为445.59～514.70℃,通过DSC曲线检测，钎料在445.59℃左右开始熔化，当达到514.70℃左右时完全熔化，适用于铝合金中温钎焊的焊接，扩大了铝合金钎焊的范围。

3.LF2铝合金在炉中钎焊时采用该材料，剪切强度大于101MPa，接头强度系数达到母材的80％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例4所制得铝基钎料的DSC曲线。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明所述稀土元素RE为混合稀土，通过购买获得，购自上海旗晨实业有限公司，主要包括La、Ce、Pr、Nd。

实施例1

本实施例提供一种铝基钎料，按照质量百分比计，包括如下组分：Si 9.5％，Cu5.5％，Zn 14.5％，Mg 1.5％，Sn 5.5％，Zr 0.10％，Ti 0.04％，RE 0.25％，余量为Al。

本实施例所述铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：按照上述配比称取Al-50Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-20Mg、Al-20Si、Al-10RE、Al-90Zn中间合金以及纯度均为99.99％的铝、锡进行配料；真空环境下高频电磁震荡熔炼：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8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa的高纯氩气，再将炉温设置为750℃，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，制得母合金。将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至6Pa，对母合金加热，使其完全融化。采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的半径为110mm的旋转速度为2130r/min的紫铜上，控制喷嘴高度为1mm，制得40μm快速凝固钎料。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为514.7℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为100.3MPa，接头强度系数达到母材(Rm＝125MPa)的80％以上。

实施例2

本实施例提供一种铝基钎料，按照质量百分比计，包括如下组分：Si 10％，Cu6％，Zn 15％，Mg 2％，Sn 6％，Zr 0.15％，Ti 0.05％，RE 0.30％，余量为Al。

所述铝基钎料的制备方法，包括如下步骤：按照上述配比称取Al-50Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-20Mg、Al-20Si、Al-10RE、Al-90Zn中间合金以及纯度均为99.99％的铝、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，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa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，制得母合金。将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至5Pa，对母合金加热，使其完全融化。采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的半径为10cm的旋转速度为2400r/min的紫铜上，通过控制喷嘴高度1.2mm，制得60μm快速凝固钎料。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为514.3℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为101.5MPa，接头强度系数达到母材(Rm＝125MPa)的80％以上。

实施例3

本实施例提供一种铝基钎料，按照质量百分比计，包括如下组分：Si 10.5％，Cu6.5％，Zn 15.5％，Mg 2.5％，Sn 6.5％，Zr 0.2％，Ti 0.06％，RE 0.35％，余量为Al。

所述铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：按照上述配比称取Al-50Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-20Mg、Al-20Si、Al-10RE、Al-90Zn中间合金以及纯度均为99.99％的铝、Sn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0.8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa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，制得母合金。将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至4Pa，对母合金加热，使其完全融化。采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的半径为110mm的旋转速度为2130r/min的紫铜上，通过控制喷嘴高度1.5mm，制得80μm快速凝固钎料。用DSC测得钎料的液相线熔化温度为513.6℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为100.7MPa，接头强度系数达到母材(Rm＝125MPa)的80％以上。

实施例4

本实施例提供一种铝基钎料，按照质量百分比计，包括如下组分：Si 10.0％，Cu6.0％，Mg 2.0％，Zn 15.0％，Sn 6.0％，Ti 0.05％，Zr 0.15％，RE 0.3％，余量为Al。

所述铝基钎料的制备方法包括以下步骤：称取Al-50Cu、Al-10Zr、Al-10Ti、Al-20Mg、Al-20Si、Al-10RE、Al-90Zn中间合金以及纯度均为99.99％的铝、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，然后向熔炼真空室内通入0.05MPa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，制得制得母合金。将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至6Pa，对母合金加热，使其完全融化。采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的半径为110mm的旋转速度为2130r/min的紫铜上，通过控制喷嘴高度，制得快速凝固钎料。本实施例所制得铝基钎料的DSC曲线见图1，用DSC测得钎料的液相线熔化温度为514℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为101MPa，接头强度系数达到母材(Rm＝125MPa)的80％以上。

对比例1

同实施例4，不同之处仅在于原料组成为：Si 10％，Cu 6％，Zn 2.0％，Mg 2％，Sn6％，Zr 0.15％，Ti 0.05％，RE 0.30％，余量为Al。

用DSC测得钎料的液相线熔化温度为534.38℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为85MPa，接头强度系数达到母材的68％。

对比例2

同实施例2，不同之处仅在于原料组成为：Si 10％，Cu 6％，Zn 10％，Mg 2％，Sn6％，Zr 0.15％，Ti 0.05％，RE 0.30％，余量为Al。

用DSC测得钎料的液相线熔化温度为532.22℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为75MPa，接头强度系数达到母材的60％。

对比例3

同实施例2，不同之处仅在于原料组成为：Si 10％，Cu 6％，Zn 15％，Mg 2％，Sn2％，Zr 0.15％，Ti 0.05％，RE 0.30％，余量为Al。

用DSC测得钎料的液相线熔化温度为548.8℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为69MPa，接头强度系数达到母材的55.2％。

对比例4

同实施例2，不同之处仅在于原料配比为：Si 10％，Cu 6％，Zn 15％，Mg 2％，Sn4％，Zr 0.15％，Ti 0.05％，余量为Al。

用DSC测得钎料的液相线熔化温度为545.72℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为77MPa，接头强度系数达到母材的61.6MPa。

对比例5

同实施例2，不同之处仅在于采用常规方法制备。

用DSC测得钎料的液相线熔化温度为537.44℃，按照GB11363-89《钎焊接头强度试验方法》，焊接LF2铝合金，钎焊温度为570℃，钎焊接头抗剪强度为62MPa，接头强度系数达到母材的50％。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种铝基钎料，其特征在于，按照质量百分比计，包括如下组分：

Si 9.5％～10.5％，

Cu 5.5％～6.5％，

Mg 1.5％～2.5％，

Zn 14.5％～15.5％，

Sn 5.5％～6.5％，

Ti 0.04％～0.06％，

Zr 0.10％～0.2％，

RE 0.2％～0.4％

余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种铝基钎料，其特征在于，稀土元素RE为混合稀土。

3.根据权利要求1所述的一种铝基钎料，其特征在于，所述用于钎焊的快速凝固铝基钎料厚度为箔带钎料，厚度为20μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的一种铝基钎料，其特征在于，所述用于钎焊的快速凝固铝基钎料熔化温度为445.59～514.70℃。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的铝基钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)真空环境下熔炼：将步骤(1)的全部配料放入熔炼装置内，将所述熔炼装置真空度抽至6×10^-2Pa～8×10^-3Pa，然后向熔炼真空室内通入保护气，再将炉温设置为750～800℃，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)快速冷却制得母合金：当熔体保温5～10min后，浇入液氮冷却环境下的模具中，制得母合金；

(4)制备铝基钎料：将母合金放入真空单棍旋淬喷铸及熔体抽拉联合系统中，将真空度抽至4～6Pa，对母合金加热，使其完全融化；采用高纯氩气将熔融的母合金吹铸在表面光洁的高速旋转的紫铜上，通过控制喷嘴高度为1mm～2mm，制得铝基钎料。

6.根据权利要求5所述的铝基钎料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述保护气包括高纯氮气、氩气或氦气。

7.一种如权利要求1～4任一项所述的铝基钎料在铝合金中温钎焊中的应用。