CN114654127A - 一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的应用 - Google Patents

一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金钎料技术领域，具体涉及一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的应用，所述钎料成分以质量分数计为：硅6.0‑8.0％、铜18.0‑20.0％、镍1.0‑2.0％、锶0.05‑0.12％，余量为铝；所述钎料以纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金为原料制成，本发明钎料适用于6000系铝合金的焊接，具有降低铝合金钎焊温度和提高焊接质量的优势。

Description

一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的 应用
技术领域
本发明属于铝合金钎料技术领域，具体涉及一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的应用。
背景技术
6000系铝合金具有优异的耐蚀性、导热性能，与铜合金相比密度更小，是目前应用最为广泛的铝合金系列，作为轻量化材料常被用于散热器行业。钎焊具有焊件变形量小，尺寸精度高，生产效率高等优点，是换热器常用的连接方法。
目前常用的Al-Si系钎料，Si含量在7wt.％～13wt.％之间，液相线温度约为570℃。在焊接时为了得到良好的焊接接头，钎焊温度须高于590℃，然而此温度接近于6000系铝合金的固相线温度，易引起母材晶粒长大或过烧。而且，钎焊温度过高，不仅增加生产成本，还会引起母材发生熔蚀，导致钎焊接头质量差。
为解决钎焊温度过高的问题，近年来很多研究者以Al-Si,Al-Cu, Al-Ge,Al-Zn等二元合金的共晶成分为理论支撑，采用合金化的方法开发了一系列的新型低熔点铝基钎料，并研究了相应的性能。Chang 等人在研究Al-10.8Si-10Cu，Al-9.6Si-20Cu钎料在560℃钎焊6061铝合金时发现，焊接接头存在较多的θ(Al2Cu)脆性相，导致钎焊接头剪切强度较低，分别为47MPa和67MPa。邹家生等人研究了Al-Si-20Cu-5Zn 钎料，该钎料与氟化物钎剂结合钎焊6063铝合金，结果显示Zn含量5％的钎料合金接头剪切强度高于Zn含量2％钎料合金接头剪切强度。但是Zn在钎焊时易发生挥发，在钎焊界面形成气孔。而且Zn会诱发钎焊接头发生局部腐蚀，从而降低钎焊接头综合性能。Kayamoto等人研制了Al-35Ge-Si-Mg钎料，用此钎料在575℃钎焊6061铝合金且所得接头的抗拉强度接近母材，但锗的含量较高，钎料成本显著增加。又如公开号为CN101602151A的专利公开了一种中温铝合金钎料，也是由于含锗增加了成本投入。
虽然公开号为CN107322179A的专利公开了一种低温自钎剂铝硅焊环，由铝粉、铝硅合金粉、铜粉、镍粉、锡粉、铋粉、铟粉机械合金化而成。所述铝硅合金粉重量百分比为35～85％，粒度为30～100 目，其中铝硅合金含硅量的重量百分比为10～13％；所述金属铜粉末重量份数为5～27％，所述镍粉重量份数为0～6％，所述金属锡粉末重量份数为0～3％，所述铋粉重量份数为0～2％，所述铟粉重量份数为 0～1.5％，所述铝粉重量份数为余量，并且其在实施例中公开了有铝硅合金、铜、镍制成，该方案是通过向铝硅合金粉末中添加铜粉、镍粉、锡粉、铋粉、铟粉，降低了钎料融化温度，可用于钎焊3XXX系铝合金和纯铝以外的铝合金，但该方案中材料制备方法为机械合金化，方法存在效率低、成本高的缺陷，不适合用于铝合金钎料的大规模工业生产。
综上，开发新型低熔点铝基钎料，实现低成本，高质量的铝合金钎焊具有重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种低熔点铝基钎料及其制备与在6000系铝合金钎焊中的应用。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种低熔点铝基钎料以质量分数计为：硅6.0-8.0％、铜 18.0-20.0％、镍1.0-2.0％、锶0.05-0.12％，余量为铝。
所述低熔点铝基钎料以纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金为原料制成。
所述铝硅中间合金为Al-30Si。
所述铝铜中间合金为Al-50Cu。
所述铝镍中间合金为Al-10Ni。
所述铝锶中间合金为Al-10Sr。
所述低熔点铝基钎料的制备方法为：
1)清洗原料：对纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金、铝锶中间合金原料进行清洗，去除表层氧化膜及油污；
2)原材料装炉：将清洗好的合金材料按顺序装入坩埚中，具体顺序为：纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金；
3)粗炼：在覆盖剂保护下升温至745-755℃，待原料完全熔融后保温5min，均匀搅拌熔液A，静置5min后除去浮渣，得到熔液B；
4)精炼：向熔液B中加入精炼剂精炼10min后，均匀搅拌得到熔液C，静置3min后除去浮渣，得到熔液D；
5)浇注：待熔液D温度降至730℃后，去掉表面浮渣，均匀搅拌后立即浇注于预热至200-300℃、Φ18mm×300mm的薄壁铜模，冷却，获得铸件；
6)将铸件重熔两次，每次均重复步骤3)至步骤5)；
7)均匀化退火：将铸件置于450℃条件下保温12h，随炉冷却。
在步骤3)中，所述覆盖剂用量为熔液A质量的3-5wt.％。
所述覆盖剂为二元熔盐。
所述覆盖剂由氯化钠和氯化钾按等质量比组成。
在步骤4)中，所述精炼剂用量为熔液B质量的0.3-0.5wt.％。
所述精炼剂为六氯乙烷。
所述低熔点铝基钎料在钎焊6000系铝合金中的应用。
在本发明中对每组钎料重熔两次，能够保证钎料合金成分均匀化，降低杂质含量。
在本发明中不选择纯金属硅、铜、镍和锶作为原材料，而是选用 Al-30Si、Al-50Cu、Al-10Ni和Al-10Sr作为合金原材料，能够有效降低合金元素的烧损，有利于准确控制钎料的合金成分含量，提高成分均匀性。
有益效果：
(1)本发明钎料的熔化区间为515～535℃，可用于钎焊固相线温度在560℃以上的铝合金，使用范围广泛，钎焊温度区间广。
(2)本发明钎料的流动性好，单位质量钎料的铺展平均面积大于5cm2/g。
(3)本发明钎料适用于6000系铝合金的焊接，具有降低铝合金钎焊温度和提高焊接质量的优势。
(4)本发明钎料钎焊6063铝合金，钎焊工艺为560-570℃，保温时间10min，经焊后热处理；500℃×1h(水冷)+160℃×1h(水冷)+190℃×3h(水冷)，获得的钎焊接头剪切强度大于150MPa。
(5)本发明的熔炼方法对设备要求不高，制备成本低，适合大规模生产。
附图说明
图1为实施例1制备的低熔点铝合金钎料的DTA曲线图；
图2为实施例2制备的低熔点铝合金钎料的DTA曲线图；
图3为实施例3制备的低熔点铝合金钎料的DTA曲线图；
图4为Al-6.5Si-20Cu合金钎料的DTA曲线图；
图5为Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni合金钎料的DTA曲线图
图6为利用实施例1制备的低熔点铝合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的显微组织图；
图7为利用实施例2制备的低熔点铝合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的显微组织图；
图8为利用实施例3制备的低熔点铝合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的显微组织图；
图9为利用实施例1、2、3中的低熔点铝合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的剪切强度结果图；
图10为利用Al-6.5Si-20Cu合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的显微组织图；
图11为利用Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni合金钎料焊接6063铝合金制作而成的钎焊接头的显微组织图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种低熔点铝基钎料：
钎料成分：Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni-0.05Sr；
制备方法，包括如下步骤：
1)清洗原料：对纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金原料进行清洗，去除表层氧化膜及油污；
2)原材料装炉：将清洗好的合金材料装入坩埚中，原材料装入坩埚的顺序依次为：纯铝、Al-30Si中间合金、Al-50Cu中间合金、 Al-10Ni中间合金和Al-10Sr中间合金；
3)粗炼：在覆盖剂保护下升温至750℃，待原料完全熔融后保温5min，均匀搅拌得到熔液A，静置5min后除去浮渣，得到熔液B；
4)精炼：向熔液B中加入六氯乙烷精炼10min后，均匀搅拌得到熔液C，静置3min后除去浮渣，得到熔液D；
5)浇注：待熔液D温度降至730℃后，去掉表面浮渣，均匀搅拌后立即浇注于预热至250℃、Φ18mm×300mm的薄壁铜模，冷却，获得铸件；
6)两次重熔，重复3)4)5)步骤两次，得到钎料铸件；
7)均匀化退火：将铸件置于450℃条件下保温12h，随炉冷却，即得Al-Si-Cu-Ni-Sr低熔点铝基钎料；
在步骤3)中，所述覆盖剂用量为熔液A质量的4wt％；
所述覆盖剂由氯化钠和氯化钾按等质量比组成；
在步骤4)中，所述六氯乙烷用量为熔液B质量的0.4wt％。
实施例2
一种低熔点铝基钎料：
钎料成分：Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni-0.08Sr；
制备方法同实施例1。
实施例3
一种低熔点铝基钎料：
钎料成分：Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni-0.11Sr；
制备方法同实施例1。
实验例1
对实施例1-3所得钎料进行以下试验与应用：
1、对各实施例的低熔点铝基钎料进行铺展面积测试，测试结果如表1所示；
表1钎料单位质量的铺展面积
钎料 铺展面积(cm<sup>2</sup>/g)
实施例1 6.45
实施例2 6.10
实施例3 5.81
2、对各实施例的钎料进行差热测试；图1、图2、图3分别为实施例1、实施例2、实施例3钎料的差热测试图；同时对Al-6.5Si-20Cu 合金钎料和Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni合金钎料进行差热测试，结果如图4 和图5；
3、对各实施例的钎料钎焊6063铝合金，钎焊工艺为570℃，保温时间10min；焊后热处理工艺为：500℃×1h(水冷)+160℃×1h (水冷)+190℃×3h(水冷)。图6、图7、图8分别为实施例1、实施例2、实施例3钎焊接头显微组织形貌图；实施例1-3的钎焊接头剪切强度测试结果如图9所示；同时在相同钎焊工艺下，分别采用Al-6.5Si-20Cu合金和Al-6.5Si-20Cu-1.5Ni合金作为钎料焊接6063铝合金时，焊接接头的剪切强度分别为117.2MPa和136.3MPa，钎焊接头的显微组织分别如图10和图11所示。
以上所述实施例是本发明的几种实施方式，并不是代表本发明范围的限制。应当指出的是，在不背离本发明原理与实质的前提下，所作出的若干简化、组合及改进等，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低熔点铝基钎料，其特征在于，所述钎料成分以质量分数计为：硅6.0-8.0％、铜18.0-20.0％、镍1.0-2.0％、锶0.05-0.12％，余量为铝。
2.如权利要求1所述低熔点铝基钎料，其特征在于，所述钎料以纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金为原料制成。
3.如权利要求2所述低熔点铝基钎料，其特征在于，所述铝硅中间合金为Al-30Si。
4.如权利要求2所述低熔点铝基钎料，其特征在于，所述铝铜中间合金为Al-50Cu。
5.如权利要求2所述低熔点铝基钎料，其特征在于，所述铝镍中间合金为Al-10Ni。
6.如权利要求2所述低熔点铝基钎料，其特征在于，所述铝锶中间合金为Al-10Sr。
7.如权利要求1所述低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)清洗原料：对纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金原料进行清洗，去除表层氧化膜及油污；
2)原材料装炉：将清洗好的合金材料装入坩埚中，原材料装入坩埚的顺序依次为：纯铝、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金和铝锶中间合金；
3)粗炼：在覆盖剂保护下升温至745-755℃，待原料完全熔融后保温5min，均匀搅拌后得到熔液A，静置5min后除去浮渣，得到熔液B；
4)精炼：向熔液B中加入精炼剂精炼10min后，均匀搅拌得到熔液C，静置3min后除去浮渣，得到熔液D；
5)浇注：待熔液D温度降至730℃后，去掉表面浮渣，均匀搅拌后立即浇注于预热至200-300℃、Φ18mm×300mm的薄壁铜模，冷却，获得铸件；
6)将铸件重熔两次，每次均重复步骤3)至步骤5)；
7)均匀化退火：将铸件置于450℃条件下保温12h，随炉冷却。
8.如权利要求7所述低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，所述覆盖剂为二元熔盐，其用量为熔液A质量的3-5wt.％；所述覆盖剂由氯化钠和氯化钾按等质量比组成。
9.如权利要求7所述低熔点铝基钎料的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，所述精炼剂为六氯乙烷，其用量为熔液B质量的0.3-0.5wt.％。
10.如权利要求1所述低熔点铝基钎料在钎焊6000系铝合金中的应用。
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