CN104191102A - 一种低脆性中温铝合金钎焊材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低脆性中温铝合金钎焊材料，各成分的质量百分比为：Cu：16.0~18.0%，Si：5.5~7.5%，Ni：2.4~4.0%，Ge：6.0~8.5%，Sr：0.1~0.5%，由Al、Ti与B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.01~0.2%，余量为Al。制备时，首先按比例冶炼镍和铜、硅与铝、铜与铝、锗与铝四种中间合金，然后经熔炼、精密加工即成细丝状、带状或箔状钎料。本发明制备过程简单、经济可行、便于操作。制备成的钎焊材料熔化温度低，钎料具有良好的铺展性和间隙填充性，非常适用低熔点铝合金钎焊作业；同时，由于该钎焊材料具有低脆性，便于加工成箔状或细丝状钎料，拓宽了低熔点铝合金钎焊的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金钎焊技术，尤其是涉及一种低脆性中温铝合金钎焊材料，本发明还涉及该钎焊材料的制备工艺。
背景技术
铝及铝合金由于具有密度小、电导率高和抗腐蚀性能好等优点，在近代工业尤其是在航空、汽车和国防军事领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。
目前铝合金硬钎料主要是Al-Si共晶型钎料，该钎料流动性好，容易加工成形，但此类钎料熔点较高。Al-Si共晶钎料钎焊温度一般在585℃以上，接近甚至超过部分铝合金的固相线，在此温度下钎焊过程中母材易发生晶粒长大、过烧等现象。为了降低Al-Si钎料的熔点，科研人员研制了Al-Si-Cu-Ge系钎料，通过向Al-Si合金中加入Cu、Ge合金元素来降低合金的熔点，但仍未能解决随着Cu及Ge元素的增加，其相应脆性相增加的问题。[张晓丽，贺定等 Al-Si-Cu-Ge钎料性能的研究[J].焊接，2009，（11）：28-30]。中国专利CN201010160707.0公布了一种Al-Si-Cu-Ni合金态箔状钎料及其制备方法，该方法所制得的钎料具有较好的机械加工性能，但由于该钎料熔点为518~538oC，限制了在熔点低于550oC铝合金钎焊领域的推广和应用，另一方面该钎料塑性差，制备难度大，难以推广应用。Zn-Al系、Sn-Pb系及Sn-Zn系等常用软钎焊材料虽然溶化温度能够满足钎焊低熔点铝合金的要求，但由于普遍存在钎焊接头强度低、耐腐蚀性不良等缺陷[张启云，庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京：机械工业出版社2008：56-58]，也限制了这些软钎焊材料在铝合金连接中的应用。因此开发一种钎焊温度适中，便于成形、具有优良机械性能的钎焊材料，就成为低熔点铝合金结构件连接制造中急需解决的工程问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能满足铝合金连接应用的低脆性中温铝合金钎焊材料，本发明还提供该钎焊材料的制备工艺。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的低脆性中温铝合金钎焊材料中各成分的质量百分比为：
Cu：16.0~18.0%，Si：5.5~7.5%，Ni：2.4~4.0%，Ge：6.0~8.5%，Sr：0.1~0.5%，由Al、Ti与B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.01~0.2%，余量为Al。
本发明的低脆性中温铝合金钎焊材料的制备工艺包括下述步骤：
第一步，冶炼中间合金
熔炼中间合金W：其中中间合金W中镍和铜的重量比为：Cu:Ni = 80:20；
熔炼中间合金X：其中中间合金X中硅与铝的重量比为Al:Si = 80:20；
熔炼中间合金Y：其中中间合金Y中铜与铝的重量比为Al:Cu = 50: 50；
铝熔炼中间合金Z：其中中间合金Z中锗与铝的重量比为Al:Ge = 70:30；
第二步，熔炼
将余量金属铝在中频炉中熔化，炉内熔液温度达到720℃时，加入第一步冶炼的四种中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟使之充分融合；然后用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔液进行完全覆盖；继续加热金属熔液，温度上升至800~850℃后加入铝钛硼中间合金，待其完全熔化，再保温20分钟，然后开始降温，温度降至750℃±50℃时，加入金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；待熔液温度降至700℃时，熔炼结束，将熔液浇注进铸模中形成铸锭；一般情况下，铸锭分为棒状铸锭和方锭坯。
第三步，精密加工
浇注过程中，冷却***开启，使铸锭快速冷却，直径32mm的棒状铸锭经过挤压、拉拔减径加工成细丝状钎料；方锭坯经过多道次轧制成带状或箔状钎料。
本发明的优点在于制备过程简单、经济可行、便于操作。制备成的钎焊材料熔化温度低，熔化温度范围在495~530℃之间（钎焊温度为535~550oC之间），在此钎焊温度下钎料具有良好的铺展性和间隙填充性，非常适用低熔点铝合金钎焊作业；同时，由于该钎焊材料具有低脆性，便于加工成箔状或细丝状钎料，拓宽了低熔点铝合金钎焊的应用领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
制备100kg低脆性中温铝合金钎料，其成分要求为：：Cu：18.0%，Si：6.0%，Ni：3.0%，Ge：8.0%，Sr：0.5%，由Al、Ti、B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.05%,余量为Al。
首先按重量比Cu:Ni = 80:20熔炼15kg中间合金W，按重量比Al:Si = 80:20熔炼30kg中间合金X，按重量比Al:Cu = 50: 50熔炼12kg中间合金Y，按重量比Al:Ge = 70:30熔炼26.7kg中间合金Z；
将剩余的15.75kg纯金属铝在中频炉中熔化，当炉中熔液温度达到720℃时加入上面熔炼好的中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟，使其充分融合后，用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔炼合金液进行完全覆盖；将金属液继续加热，温度上升至800~850℃后加入0.05kg 铝钛硼中间合金；待金属完全熔化后，保温20分钟，然后开始降温。温度降至750℃左右加入0.5kg金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；
待熔体温度降至700℃时熔炼结束，将成分均匀的溶液倒入钎料铸锭顺序凝固装置（详见郑州机械研究所于2012年2月24日申请的专利号为ZL 201220062676.X、发明名称为《钎料铸锭顺序凝固装置》的实用新型专利，该装置可以使钎料在浇注过程中实现快速冷却，保证铸锭组织均匀，缺陷少）中：开启冷却循环***，使合金液向铸模浇注过程中实现快速冷却，得到组织均匀的成品铸锭：直径32mm的棒状铸锭或横截面为100×10mm2的方坯。棒状铸锭经过挤压、轧制、拉拔减径加工成细丝状钎料，方坯铸锭经过轧制成带状或箔状钎料。
实施例2：
制备100kg低脆性中温铝合金钎料，其成分要求为：：Cu：17.0%，Si：5.5%，Ni：3.5%，Ge：8.5%，Sr：0.1%，由Al、Ti、B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.1%,余量为Al。
首先按重量比Cu:Ni = 80:20熔炼17.5kg中间合金W，按重量比Al:Si = 80:20熔炼27.5kg中间合金X，按重量比Al:Cu = 50: 50熔炼6kg中间合金Y，按重量比Al:Ge = 70:30熔炼28.3kg中间合金Z；
将剩余的20.5kg纯金属铝在中频炉中熔化，当炉中熔液温度达到720℃时加入上面熔炼好的中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟，使其充分融合后，用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔炼合金液进行完全覆盖；将金属液继续加热，温度上升至800~850℃后加入0.05kg 铝钛硼中间合金；待金属完全熔化后，保温20分钟，然后开始降温。温度降至750℃左右加入0.1kg金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；
待熔体温度降至700℃时熔炼结束，将成分均匀的溶液倒入钎料铸锭顺序凝固装置（可采用实施例1中的装置）中，开启冷却循环***，使合金液向铸模浇注过程中实现快速冷却，得到组织均匀的成品铸锭：直径32mm的棒状铸锭或横截面为100×10mm2的方坯。同样的，棒状铸锭经过挤压、轧制、拉拔减径加工成细丝状钎料，方坯铸锭经过轧制成带状或箔状钎料。
实施例3：
制备100kg低脆性中温铝合金钎料，其成分要求为：：Cu：16.0%，Si：7.5%，Ni：2.5%，Ge：7.0%，Sr：0.3%，由Al、Ti、B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.15%,余量为Al。
首先按重量比Cu:Ni = 80:20熔炼12.5kg中间合金W，按重量比Al:Si = 80:20熔炼27.5kg中间合金X，按重量比Al:Cu = 50: 50熔炼12kg中间合金Y，按重量比Al:Ge = 70:30熔炼23.33kg中间合金Z；
将剩余的14.22kg纯金属铝在中频炉中熔化，当炉中熔液温度达到720℃时加入上面熔炼好的中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟，使其充分融合后，用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔炼合金液进行完全覆盖；将金属液继续加热，温度上升至800~850℃后加入0.15kg 铝钛硼中间合金；待金属完全熔化后，保温20分钟，然后开始降温。温度降至750℃左右加入0.3kg金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；
待熔体温度降至700℃时熔炼结束，将成分均匀的溶液倒入钎料铸锭顺序凝固装置（可采用实施例1中的装置）中，开启冷却循环***，使合金液向铸模浇注过程中实现快速冷却，得到组织均匀的成品铸锭：直径32mm的棒状铸锭或横截面为100×10mm2的方坯。同样的，棒状铸锭经过挤压、轧制、拉拔减径加工成细丝状钎料，方坯铸锭经过轧制成带状或箔状钎料。
实施例4：
制备100kg低脆性中温铝合金钎料，其成分要求为：：Cu：17.5%，Si：6.5%，Ni：3.0%，Ge：6.5%，Sr：0.2%，由Al、Ti、B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.2%,余量为Al。
首先按重量比Cu:Ni = 80:20熔炼15kg中间合金W，按重量比Al:Si = 80:20熔炼32.5kg中间合金X，按重量比Al:Cu = 50: 50熔炼11kg中间合金Y，按重量比Al:Ge = 70:30熔炼21.67kg中间合金Z；
将剩余的19.43kg纯金属铝在中频炉中熔化，当炉中熔液温度达到720℃时加入上面熔炼好的中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟，使其充分融合后，用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔炼合金液进行完全覆盖；将金属液继续加热，温度上升至800~850℃后加入0.2kg 铝钛硼中间合金；待金属完全熔化后，保温20分钟，然后开始降温。温度降至750℃左右加入0.2kg金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；
待熔体温度降至700℃时熔炼结束，将成分均匀的溶液倒入钎料铸锭顺序凝固装置（可采用实施例1中的装置）中，开启冷却循环***，使合金液向铸模浇注过程中实现快速冷却，得到组织均匀的成品铸锭：直径32mm的棒状铸锭或横截面为100×10mm2的方坯。同样的，棒状铸锭经过挤压、轧制、拉拔减径加工成细丝状钎料，方坯铸锭经过轧制成带状或箔状钎料。
实施例5：
制备100kg低脆性中温铝合金钎料，其成分要求为：：Cu：17.5%，Si：6.5%，Ni：4.0%，Ge：6.0%，Sr：0.2%，由Al、Ti、B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.01%,余量为Al。
首先按重量比Cu:Ni = 80:20熔炼20kg中间合金W，按重量比Al:Si = 80:20熔炼32.5kg中间合金X，按重量比Al:Cu = 50: 50熔炼3kg中间合金Y，按重量比Al:Ge = 70:30熔炼20g中间合金Z；
将剩余的24.29kg纯金属铝在中频炉中熔化，当炉中熔液温度达到720℃时加入上面熔炼好的中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟，使其充分融合后，用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔炼合金液进行完全覆盖；将金属液继续加热，温度上升至800~850℃后加入0.01kg 铝钛硼中间合金；待金属完全熔化后，保温20分钟，然后开始降温。温度降至750℃左右加入0.2kg金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；
待熔体温度降至700℃时熔炼结束，将成分均匀的溶液倒入钎料铸锭顺序凝固装置（可采用实施例1中的装置）中，开启冷却循环***，使合金液向铸模浇注过程中实现快速冷却，得到组织均匀的成品铸锭：直径32mm的棒状铸锭或横截面为100×10mm2的方坯。同样的，棒状铸锭经过挤压、轧制、拉拔减径加工成细丝状钎料，方坯铸锭经过轧制成带状或箔状钎料。
Claims (2)
1.一种低脆性中温铝合金钎焊材料，其特征在于：所述钎焊材料中各成分的质量百分比为：
Cu：16.0~18.0%，Si：5.5~7.5%，Ni：2.4~4.0%，Ge：6.0~8.5%，Sr：0.1~0.5%，由Al、Ti与B以质量比94:5:1混合而成的铝钛硼合金：0.01~0.2%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述低脆性中温铝合金钎焊材料的制备工艺，其特征在于：它包括下述步骤：
第一步，冶炼中间合金
熔炼中间合金W：其中中间合金W中镍和铜的重量比为：Cu:Ni = 80:20；
熔炼中间合金X：其中中间合金X中硅与铝的重量比为Al:Si = 80:20；
熔炼中间合金Y：其中中间合金Y中铜与铝的重量比为Al:Cu = 50: 50；
铝熔炼中间合金Z：其中中间合金Z中锗与铝的重量比为Al:Ge = 70:30；
第二步，熔炼
将余量金属铝在中频炉中熔化，炉内熔液温度达到720℃时，加入第一步冶炼的四种中间合金W、X、Y、Z，并保温30分钟使之充分融合；然后用质量比1:1:1的KCl+NaCl+ZnCl覆盖剂对熔液进行完全覆盖；继续加热金属熔液，温度上升至800~850℃后加入铝钛硼中间合金，待其完全熔化，再保温20分钟，然后开始降温，温度降至750℃±50℃时，加入金属Sr，并喷吹氩气进行精炼；待熔液温度降至700℃时，熔炼结束，将熔液浇注进铸模中形成铸锭；
第三步，精密加工
浇注过程中，冷却***开启，使铸锭快速冷却，然后再减径拉拔成细丝或轧制成带状、箔状钎料即可。
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