CN114700649B - 一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料 - Google Patents

一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料 Download PDF

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Abstract

本发明属于钎料技术领域，提供一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.0％‑2.0％，掺铝纳米氧化锌6.5％‑8.0％，硒6.8％‑8.2％，铝1.0％‑1.5％，余量为锌，其中掺银纳米氧化锌与掺铝纳米氧化锌质量之和不小于8.5％。本发明中加入了掺银(铝)纳米氧化锌，氧化锌与基体为锌的锌铝钎料界面结合牢固，掺银(铝)纳米氧化锌结构稳定，分散性能良好，在钎缝中均匀分布，具有优异的导电性能，钎缝的导电性与铝合金相近；钎缝凝固时纳米氧化锌可作为形核质点，起到非自发形核的作用，细化钎缝组织的晶粒，有效提高钎缝的剪切强度。

Description

一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料
技术领域
本发明属于钎料技术领域，具体是一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料。
背景技术
铜是优良的导电、导热材料，具有良好的压延性能，广泛应用于电力传输、热量交换、电子产品、制冷设备等领域。但铜是稀缺金属，属于战略资源，近年来铜价一直居高不下，限制了铜的应用，铜的资源性短缺及由此造成的铜价上涨促使科技工作者开始致力于寻找铜的替代品。铝具有优良的导电导热性、耐蚀性及良好的加工性能，是用来代替铜的最佳材料。由于铜和铝在某些性能方面的差异，使得许多结构中铜不能被铝完全代替，因此在铜构件和铝构件间就产生了铜铝异种金属的连接问题，带动了铜铝连接问题研究的发展。
钎焊工艺生产效率高、适应性好，是实现铜铝连接最具前景的技术，选择优良的钎料是实现铜铝连接的必由之路。锌铝钎料铺展性强、填缝性好、接头强度较高，比锌锡钎料的耐蚀性及耐高温性好，比铝硅钎料的熔点低，并且避免了锌镉钎料中镉对环境的危害，是用来钎焊铜铝的最佳选择。
为了提高钎焊连接钎缝的强度，技术人员在钎料中加入了纳米颗粒，可有效提高其剪切强度。但存在的问题是：铜铝连接一般是用于导电用途，纳米颗粒的加入如果是金属颗粒，或者熔于钎料失去作用，或者与熔体结合性差造成钎料和钎缝的强度低；如果是与钎料和钎缝结合性好的非金属颗粒，则铜铝连接的钎缝处导电性大大降低。
中国专利202110070872.5提供了一种铜板与铝板搭接钎焊用带状钎料及其制备方法，采用在锌铝钎料中填加纳米氧化锌的方法，得到了接头强度高的钎缝，但存在的问题是：其导电性能大大降低，不能满足铜锌连接导电领域的要求。
如何解决上述问题，是本领域技术工作人员的当务之急。
发明内容
本发明提供一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，解决如下技术问题：如何在保证钎缝强度的前提下提高其导电性能。
本发明采用如下技术方案：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.0％-2.0％，掺铝纳米氧化锌6.5％-8.0％，硒6.8％-8.2％，铝1.0％-1.5％，余量为锌，其中掺银纳米氧化锌与掺铝纳米氧化锌质量之和不小于8.5％。
进一步的，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.2％-1.8％，掺铝纳米氧化锌7.0％-7.5％，硒7.0％-8.0％，铝1.2％-1.3％，余量为锌，其中掺银纳米氧化锌与掺铝纳米氧化锌质量之和不小于8.5％。
更进一步的，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.3％，掺铝纳米氧化锌7.3％，硒7.5％，铝1.25％，余量为锌。
采用较低的铝含量(质量分数1.0％-1.5％)，并加入熔点为217℃的硒，有效降低了钎料的熔点，钎料的润湿性好，钎焊时易铺展填缝，钎焊工艺性能优异，且形成脆性相的Cu3Al2和CuAl2极少。
所述掺银纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：银8.0％-10.0％，余量为氧化锌。
所述掺银纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm，首选7nm-10nm。
所述掺铝纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：铝10.0％-12.0％，余量为氧化锌。
所述掺铝纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm，首选7nm-10nm。
所述掺银(铝)纳米氧化锌的制备方法，包括以下过程：①将硝酸锌加入去离子水配制成浓度在0.5mol/L-10mol/L澄清溶液，按比例在上述溶液中加入硝酸银(铝)；②将尿素为缓释剂加入去离子水配制成浓度控制在1mol/L-14mol/L澄清溶液，以2∶1的体积比将尿素溶液与硝酸锌溶液混合均匀，在温度60-99℃下进行沉淀反应，反应溶液经过离心分离得到固体粉末，然后于60-150℃干燥2-12h，得到前驱体粉末；③前驱体粉末于气氛烧结炉中在氩气保护下，以升温速率5-15℃/min升温至300-800℃，烧结0.5-5h，得到掺银(铝)纳米氧化锌。
钎料中加入了纳米氧化锌：①纳米氧化锌与钎料本体结合性好，有效增强了钎料本体的强度和韧性；②制备钎料时从铸态拉拔或挤压成带状的多次变形中，产生的形变热使锌铝钎料经历多次动态再结晶过程，纳米氧化锌颗粒相当于第二相质点阻碍晶界移动，进而阻碍晶粒的长大；③钎焊时，在热输入下钎料熔化，纳米级的氧化锌颗粒存在大量的界面，具有高密度的短程扩散路径，使其更容易扩散，钎焊时纳米氧化锌颗粒分布均匀，钎缝凝固时作为形核质点，起到非自发形核的作用，细化钎缝组织的晶粒；④纳米氧化锌促进了钎料熔化后各元素成分的均匀分布，相当于对其进行了均匀化处理，各组织分布均匀，晶粒细小。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明中加入了掺银(铝)纳米氧化锌：一方面氧化锌与基体为锌的锌铝钎料界面结合牢固，另一方面掺银(铝)纳米氧化锌结构稳定，分散性能良好，在钎缝中均匀分布，具有优异的导电性能，其中掺银纳米氧化锌的导电性能远远大于掺铝纳米氧化锌。实验表明加入质量分数4.0％左右的掺银纳米氧化锌即可使钎缝导电性能接近铝合金，但此含量的纳米氧化锌颗粒对钎焊接头剪切强度提高幅度不大，不能够满足使用要求，若达到使用性能要求应加入的纳米氧化锌不小于8.5％。但此含量的掺银氧化锌的成本极高，而此含量的掺铝氧化锌又不能满足钎缝导电性要求，两者结合掺银纳米氧化锌1.0％-2.0％、掺铝纳米氧化锌6.5％-8.0％，即能满足铜板与铝板钎焊钎缝的剪切强度(最小值为125MPa)，又能满足钎缝的导电性能接近铝合金的要求，并且节约了生产成本，经济效益好。
具体实施方式
实施例1：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.0％，掺铝纳米氧化锌8.0％，硒6.8％，铝1.0％，余量为锌。
掺银纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：银9.0％，余量为氧化锌。
掺银纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺铝纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：铝11.0％，余量为氧化锌。
掺铝纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺银(铝)纳米氧化锌的制备方法，包括以下过程：①将硝酸锌加入去离子水配制成浓度在0.5mol/L-10mol/L澄清溶液，按比例在上述溶液中加入硝酸银(铝)；②将尿素为缓释剂加入去离子水配制成浓度控制在1mol/L-14mol/L澄清溶液，以2∶1的体积比将尿素溶液与硝酸锌溶液混合均匀，在温度60-99℃下进行沉淀反应，反应溶液经过离心分离得到固体粉末，然后于60-150℃干燥2-12h，得到前驱体粉末；③前驱体粉末于气氛烧结炉中在氩气保护下，以升温速率5-15℃/min升温至300-800℃，烧结0.5-5h，得到掺银(铝)纳米氧化锌。
实施例2：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌2.0％，掺铝纳米氧化锌6.5％，硒8.2％，铝1.5％，余量为锌。
掺银纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：银10.0％，余量为氧化锌。
掺银纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺铝纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：铝10.0％，余量为氧化锌。
掺铝纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺银(铝)纳米氧化锌的制备方法与实施例1相同。
实施例3：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.3％，掺铝纳米氧化锌7.3％，硒7.5％，铝1.25％，余量为锌。
掺银纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：银10.0％，余量为氧化锌。
掺银纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺铝纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：铝12.0％，余量为氧化锌。
掺铝纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
掺银(铝)纳米氧化锌的制备方法与实施例1相同。
对比例1：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：将掺银纳米氧化锌换成纳米氧化锌。
对比例2：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：没有掺银纳米氧化锌。
对比例3：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：将掺铝纳米氧化锌换成纳米氧化锌。
对比例4：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：没有掺铝纳米氧化锌。
对比例5：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：将掺银(铝)纳米氧化锌和换成掺银(铝)微米氧化锌。
对比例6：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：掺银纳米氧化锌0.9％，掺铝纳米氧化锌7.5％。
对比例7：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：掺银纳米氧化锌1.9％，掺铝纳米氧化锌6.5％。
对比例8：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：掺银的纳米氧化锌和掺铝纳米氧化锌均换成纳米铜。
对比例9：
一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，化学成分与实施例3基本相同，区别是：掺银的纳米氧化锌和掺铝纳米氧化锌均换成纳米铌。
将实施例1-3和对比例1-9得到的钎料试焊铝板与铜板的搭接钎焊，搭接长度20mm，钎剂为CsF-AlF3钎剂，钎焊温度395℃-405℃，钎焊时间为90s，焊后空冷。测试剪切强度和导电性能。实施例和对比例每例进行10次实验后取10个结果的平均值，结果见表1。
表1
Figure BDA0003570170780000041
Figure BDA0003570170780000051
从表1可以看出：
1、实施例1-3利用本发明锌铝钎料钎焊得到的铜铝钎缝剪切强度最小值为125MPa，导电性能与铝合金相当，完全满足使用要求；
2、对比例1-9均是改变了本发明中某些技术征，造成的结果是：接头剪切强度减小或导电性差，不能满足使用要求。
本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.0％-2.0％，掺铝纳米氧化锌6.5％-8.0％，硒6.8％-8.2％，铝1.0％-1.5％，余量为锌，其中掺银纳米氧化锌与掺铝纳米氧化锌质量之和不小于8.5％。
2.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.2％-1.8％，掺铝纳米氧化锌7.0％-7.5％，硒7.0％-8.0％，铝1.2％-1.3％，余量为锌，其中掺银纳米氧化锌与掺铝纳米氧化锌质量之和不小于8.5％。
3.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，化学成分按质量百分比计为：掺银纳米氧化锌1.3％，掺铝纳米氧化锌7.3％，硒7.5％，铝1.25％，余量为锌。
4.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，所述掺银纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：银8.0％-10.0％，余量为氧化锌。
5.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，所述掺银纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
6.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，所述掺铝纳米氧化锌化学成分按质量百分比计为：铝10.0％-12.0％，余量为氧化锌。
7.根据权利要求1所述的铜铝钎焊连接钎缝导电性强且强度高的锌铝钎料，其特征在于，所述掺铝纳米氧化锌的粒径为5nm-12nm。
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