一种低熔点铝基钎焊材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低熔点铝基钎焊材料及其制备方法，在Zn-Al二元共晶的基础上添加活性元素Mg，从而构成低熔点的、能改善界面反应均一性的Zn-Al-Mg系三元活性钎料，其中各合金元素的质量分数含量为：5～12％Al，5～9％Mg，其余为Zn，本发明的低熔点Zn-Al-Mg系三元活性钎料与Al基体反应能提早进行、反应分布均匀、反应程度充分，可以快速有效地破碎铝基体表面氧化膜的连续性，因而对铝合金及铝基复合材料润湿性良好。
【专利说明】
一种低熔点铝基钎焊材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种招基复合材料的钎焊工艺，特别涉及一种Zn-Al-Mg系三元活性钎料配方及其钎焊工艺。
【背景技术】
[0002]众所周知，铝基复合材料及铝合金的钎焊均需解决的首要问题是如何有效除去铝基体表面的氧化膜。目前破除铝合金或铝基复合材料基体表面的氧化膜的方法有三种:(I)化学方法，如钎剂、在焊接前用化学试剂清洗、钎料中添加活性元素等方法；(2)物理方法，如真空环境、利用膜下液化原理、电镀表面改性等；(3)机械方法，如利用机械刮擦方法、钢丝刷、以及超声波的空穴作用等。这些方法各有千秋，其中常用钎剂去膜钎焊、真空钎焊、液相扩散焊(附加或不附加超声振动)，需根据复合材料母材、钎料合金系的活性、母材溶解难易、合金化后液相粘度及流动性优劣、钎焊温度等因素综合选择。
[0003]考虑到焊接过程中尽可能的减少母材组织的影响，这就需要研发低熔点钎料，并在尽可能低的温度下进行焊接。在低温钎焊领域，目前多用Zn基低熔点钎料，如已报道的Zn-5A1和Zn-5Al-3Cu的熔点分别为360°C?430°C和385°C?400°C，同时在低温钎焊时，为顺利去膜并改善润湿性，钎剂的使用，特别是超声波振动的使用报道较多。
[0004]相对而言，尽管活性元素(Ti)在铝基复合材料高温活性液相扩散焊(610°C )中具有能加速破除铝基体表面氧化膜的功效已被申请者所在课题组证实，但活性元素在低温钎焊中能否顺利实现去膜反应仍是一研究空白点，其潜力有待深入研究。特别是对于常用Zn-Al类的二元钎料，申请者在前期研究中已证实当不使用钎剂也不导入超声波振动时，Zn-5A1 二元共晶钎料对母材溶解难以均一进行，导致膜下液化不充分、不均匀(仅在极个别位置出现溶蚀);当钎料足量时Zn虽能渗入复合材料基体但界面间隙仍未被消除，界面润湿性很差。基于上述分析，试图通过向低熔点Zn-Al系钎料中添加活性元素(Mg)以新增反应去膜(化学机制)并强化膜下液化去膜(物理机制)的双重机制获得对铝基体较为理想的润湿性。
【发明内容】
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供了一种低熔点铝基钎焊材料及其制备方法，以达到改善低熔点Zn-Al钎料与Al基体界面无反应而存在界面间隙，或者反应不均匀而导致晶粒本身表面氧化膜破除效果不良、大范围看润湿性仍就明显差、界面出现空洞的弊端的目的。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种低熔点铝基钎焊材料，在Zn-Al 二元共晶的基础上添加活性元素Mg，从而构成低恪点的、能改善界面反应均一,性的Zn-Al-Mg系三元活性钎料，其中各合金元素的质量分数含量为:5?12% Al，5?9% Mg，其余为Zn。
[0008]优选的，所述低熔点Zn-Al-Mg系三元活性钎料的熔化范围为330°C?440°C，其中典型活性钎料成分Zn-5Al-4Mg的熔化范围为335.5?355.5°C。
[0009]—种低熔点铝基钎焊材料的制备方法，工序为:
[0010]I)选料:选择原材料为:纯Al ±夬，纯Zn ±夬，纯Mg块；
[0011]2)配料:将纯Al、纯Zn、纯Mg按照质量百分比为5?12%的Al、5?9%的Mg、其余为Zn进行配料；
[0012]3)装料:将上述Al、Mg、Zn三种原始材料放置于可封闭的坩祸中，其中将熔点低、密度大、惰性强的纯Zn置于混合物上部以便用Zn液保护活泼的Mg ;
[0013]4)熔炼:首先向封闭的坩祸中通入纯Ar，排除空气；继续在Ar保护下，高频加热熔炼、溶解；为防止Zn液蒸发，将合金液继续加热至490°C，然后保温35min，继续熔炼、溶解，使液相成分均匀化；然后，继续在Ar的保护下静置冷却凝固为钎料合金块；
[0014]5)成型:为防止Al、Mg轻金属合金原子在Zn中出现重力偏析，将钎料合金块采用急冷甩带工艺制备成箔带；或者通过保温、热乳工艺制备为钎料片或钎料棒以便于预置。
[0015]进一步的技术方案中，
[0016]I)在熔炼初、中期，利用Zn液防止Mg的进一步氧化，即当熔点最低的纯Zn先迅速熔化后，部分液体保护纯Mg并迅速使Mg溶解入Zn液中；
[0017]2)随后在纯Al的熔化过程中，同样利用溶解思路使熔点相对较高的Al向先期形成的Zn-Mg合金液中溶解而液化，从而可降低熔炼温度，以防止Zn液的蒸发；
[0018]3)继续保温使液相成分均匀化；
[0019]4)得益于所确定的成分范围成带性能好而不碎断，采用急冷甩带工艺制备成成分均匀的箔带状钎料。
[0020]通过上述技术方案，本发明提供的低熔点铝基钎焊材料在钎料成分设计方面，添加活性元素Mg，可增加钎料活性、改善界面反应均一性并进一步降低钎料熔点；在施焊工艺方面，考虑到焊接温度低、Zn合金液粘度大、流动性差，在钎料即将熔化时，即沿焊接界面方向施加低成本的低频低幅摩擦，以便用机械手法破除钎料及Al及体表面的氧化膜，促使新鲜液态钎料与固态Al基体更大面积(特别是晶粒本身的表面，而不仅是晶界的表面)的接触，从而进一步为通过上述冶金途径去膜创造有利条件，这样，可进一步改善界面润湿性，提尚接头强度。
【具体实施方式】
[0021]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0022]本发明提供了一种低熔点铝基钎焊材料及其制备方法，可进一步改善界面润湿性，提尚接头强度。
[0023]实施例一:
[0024]Zn_5Al_4Mg三元活性钎料的制备试验:
[0025]以制备30g低熔点Zn-5Al-4Mg三元活性钎料为例，制备方法的具体步骤:
[0026]I)选料:选择原材料为:纯Al ±夬，纯Zn ±夬，纯Mg块；
[0027]2)配料:按照质量为2g的Al块，1.5g的Mg，其余为Zn ;其中将纯Zn放置在混合物上部并将混合物放置于可封闭的坩祸中；
[0028]3)熔炼:首先向封闭的坩祸中通入3.5L/mind纯Ar，排除空气；然后，在Ar保护下，在高频加热下，当纯Zn先迅速熔化后，部分液体保护纯Mg并迅速使Mg溶解在Zn液中，随后纯Al也迅速溶解在Zn-Mg合金液中；然后，将继续加热时合金液在500°C下熔炼，保温30min后停止加热；然后，继续在Ar的保护下静置冷却凝固为钎料合金块。
[0029]4)采用急冷用带工艺制备成箔带(铜棍直径105mm，铜棍厚度10mm，线速度为12.65m/min)。
[0030]润湿性对比试验:作为对比试验，对于无Mg的Zn-5A1钎料箔带，润湿性评价条件为520°C X20min(长时间)；对于本发明开发的Zn_5Al_4Mg钎料箔带，润湿性评价条件为5200C Xlmin，520°C X3min，520°C X5min(短时间)。所用铝基复合材料母材为1Vol.%SiCp/ZLlOl铝基复合材料；气氛条件为流动Ar保护环境。
[0031]通过自制的用带装置在12.65m/min的线速度下急冷用带，所得Zn_5Al_4Mg钎料箔带外观较光滑；而且钎料箔带很周边整齐，其成带性很好。但是该钎料箔带相对较脆，易折断。
[0032]综述所述，润湿性评定试验与焊接试验均表明，本发明的低恪点Zn-Al-Mg系三元活性钎料与Al基体反应能提早进行、反应分布均匀、反应程度充分，可以快速有效地破碎铝基体表面氧化膜的连续性，因而对铝合金及铝基复合材料润湿性良好。
[0033]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种低熔点铝基钎焊材料，其特征在于，在Zn-Al 二元共晶的基础上添加活性元素Mg，从而构成低恪点的、能改善界面反应均一‘性的Zn-Al-Mg系三元活性钎料，其中各合金元素的质量分数含量为:5?12% Al，5?9% Mg，其余为Zn。2.根据权利要求1所述的低熔点铝基钎焊材料，其特征在于，所述低熔点Zn-Al-Mg系三元活性钎料的熔化范围为330°C?440°C，其中典型活性钎料成分Zn-5Al-4Mg的熔化范围为 335.5 ?355.5°C。3.根据权利要求1或2所述的低熔点铝基钎焊材料的制备方法，其特征在于，工序为: 1)选料:选择原材料为:纯Al块，纯Zn块，纯Mg块； 2)配料:将纯Al、纯Zn、纯Mg按照质量百分比为5?12%的Al、5?9%的Mg、其余为Zn进行配料； 3)装料:将上述Al、Mg、Zn三种原始材料放置于可封闭的坩祸中，其中将熔点低、密度大、惰性强的纯Zn置于混合物上部以便用Zn液保护活泼的Mg ; 4)熔炼:首先向封闭的坩祸中通入纯Ar，排除空气；继续在Ar保护下，高频加热熔炼、溶解；为防止Zn液蒸发，将合金液继续加热至490°C，然后保温35min，继续熔炼、溶解，使液相成分均匀化；然后，继续在Ar的保护下静置冷却凝固为钎料合金块； 5)成型:为防止Al、Mg轻金属合金原子在Zn中出现重力偏析，将钎料合金块采用急冷甩带工艺制备成箔带；或者通过保温、热乳工艺制备为钎料片或钎料棒以便于预置。4.根据权利要求3所述的低熔点铝基钎焊材料的制备方法，其特征在于， 1)在熔炼初、中期，利用Zn液防止Mg的进一步氧化，即当熔点最低的纯Zn先迅速熔化后，部分液体保护纯Mg并迅速使Mg溶解入Zn液中； 2)随后在纯Al的熔化过程中，同样利用溶解思路使熔点相对较高的Al向先期形成的Zn-Mg合金液中溶解而液化，从而可降低熔炼温度，以防止Zn液的蒸发； 3)继续保温使液相成分均匀化； 4)得益于所确定的成分范围成带性能好而不碎断，采用急冷甩带工艺制备成成分均匀的箔带状钎料。
【文档编号】B23K35/40GK105880865SQ201410857197
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月24日
【发明人】毕祥玉
【申请人】江苏财发铝业股份有限公司