一种自钎铝基钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金的自钎钎焊领域，尤其涉及一种自钎铝基钎料及其制备方法。

背景技术

铝或铝合金以其轻质、优异的力学性能、良好的热性能而获得越来越广泛的应用，而作为铝或铝合金零件连接的关键技术——硬钎焊，相应得到越来越多的关注和重视。

铝硬钎焊是指钎焊温度高于450℃的钎焊，以两个铝合金零件为母材，连接面之间放置Al-Si系铝基钎料(或填充材料)，通过加热使铝基钎料熔化而母材不熔，冷却后获得零件之间的连接。但是，铝是极其活泼的元素，一旦与氧接触，在铝表面将急速形成氧化铝膜，阻碍钎焊进程，削弱连接强度。因此，在众多钎焊技术中，钎焊工艺包括必须在零件的连接面上设置钎剂(除真空钎焊外)，钎剂的熔点低于钎料的熔点，在钎焊期间熔化钎剂首先打破表面氧化膜，之后钎料熔化，促进钎料润湿、流动和填充母材，获得强健的钎焊接头。

铝钎剂是非金属成分，难以与金属属性的Al-Si系合金产生结合，因此，早期技术的钎剂与钎料分离使用，例如通常采用铝基钎料膏方法(钎剂+钎料粉末+粘合剂+溶剂)，或铝零件的钎焊部位涂布钎剂，再对钎焊部位放置铝基钎料的方法，尽管这些方法仍在沿用，但方法总体存在钎焊工艺复杂、步骤多、成本高和时间长等问题。

因此，通过钎剂与铝钎料合并在一起构成复合式铝基钎料，免除钎剂涂布步骤来简化钎焊工艺、提高钎焊质量和降低成本是可取的。

例如，美国专利US 6164517署名“无缝、环形钎焊材料和其制作方法”中，公开一种自钎剂铝钎焊材料，通过粉状钎料与钎剂按预定比例构成均质混合料；随后室温压制；热挤压构成相对密度高于90％的管；随后切割；构成无缝环形的自钎剂钎料环，用于铝管钎焊连接。但是，钎料原料表面自身不可避免存在的氧化膜(氧含量)，导致钎剂用量偏高，同时该自钎剂钎料呈脆性，不利于进一步深加工。

美国专利US 8696829署名“包括钎剂和填充金属混合料的钎焊产品和其制作方法”中，公开一种自钎剂铝钎焊材料，通过对0.5-5mm粗颗粒填充金属(钎料)，在温度120-150℃的旋转桶中滚动填充金属颗粒，在颗粒温度高于100℃下，将钎剂与水的低粘度混合物滴入滚动颗粒，使填充金属颗粒表面附着一层钎剂粉末，随后以低于5000bars高压、低于钎剂熔点300℃以下挤压出自钎剂钎料线材，然而，该工艺同样存在填充金属表面氧化膜问题，且仅限于丝材，例如1-3mm钎焊丝，因采用高压设备使初期投入较高，应用范围有限。

美国专利US8871356署名“自熔钎焊件、包含所述钎焊件的组件以及制备钎焊件的方法”中，采用的Osprey喷射沉积工艺制作出自熔钎焊件，该自熔钎焊件的氧含量低于350ppm、钎剂分散良好、具有适当轧制性和优异的钎焊性能，该自熔钎焊件仅用于铝复合板材的钎料层，该工艺缺点是原材料利用率低，初期投入高使得成本高，难以获得大尺寸坯锭(通常坯锭尺寸小于φ600mm)，组成成分受限，不宜采用高钎剂含量和高Si含量铝合金成分，否则将降低自熔钎焊件延展性，后续加工困难。

因此，为克服上述存在的缺点或弊端，提供具有良好钎焊性能、氧含量低、良好塑性/延展性的自钎铝基钎料，可经济的制作出板、片、线、箔、环、或异性的各种自钎铝基钎料是符合实际要求的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的自钎铝基钎料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种自钎铝基钎料的制备方法。

一种自钎铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备第一铝钎料，该钎料为钎剂包Al-Si合金复合粉末，其中，该复合粉末具体包括以下重量百分比成分：

钎剂4.5-8.5％、0-5％Si和余量Al，Si晶粒尺寸为10μm；

步骤2：制备第二铝钎料，该钎料为Al-Si合金粉末，其中，该合金粉末具体包括以下重量百分比成分：

30-60％Si和余量AL，Si晶粒尺寸为10μm；

步骤3：在第一铝钎料与第二铝钎料比例75-97.5：2.5-25范围内，按上述原料成分要求混合粉末；

步骤4：对混合粉末抽真空封套热等静压；

步骤5：脱皮，机加工为成品，获得自钎剂铝钎料。

进一步地，钎剂为氟基钎剂钎剂、氯基钎剂或氟基钎剂钎剂与氯基钎剂的组合，其中：

氟基钎剂钎剂，包括：K

氯基钎剂，包括：NaCl、KCl、LiCl或ZnCl

进一步地，步骤1中，制备第一铝钎料的步骤流程为：

在780℃的温度下的熔炼炉中熔化Al-Si合金；

转移至中间包，由中间包底部孔流出形成熔体合金流束进入N2气气氛保护的雾化室；

喷射氮气将熔体合金流束转换成铝合金雾化液滴；

雾化液滴进入粒度20μm的钎剂粉体流化床，在惰性气氛下实现钎剂对钎料的包覆；

冷却，获得第一铝钎料复合粉末。

其中，第一铝钎料的粒度为300μm以下，氧含量300ppm以下。

进一步地，步骤2中，制备第二铝钎料的步骤流程为：

在850℃的温度下的熔炼炉中熔化Al-40Si合金；

转移至中间包，由中间包底部孔流出形成熔体合金流束进入N2气气氛保护的雾化室；

喷射氮气将熔体合金流束转换成铝合金的雾化液滴；

冷却，获得第二铝钎料合金粉末。

其中，第二铝钎料的粒度为400μm以下，氧含量400ppm以下。

进一步地，步骤3中，粉末混合的步骤流程为：按比例80:20的比例，将第一铝钎料和第二铝钎料投放入双锥混合机，在氮气气氛下混合10小时，真空干燥10小时制备出均匀的粉末混合料。

进一步地，步骤4中，封套抽真空并热等静压的步骤流程为：将所制备的混合粉末装入铝包套中，在350℃、真空度低于1×10-3Pa条件下抽真空封套；

在450℃、压力180MPa、时间4小时下热等静压，获得自钎铝基钎料坯体。

进一步地，步骤5中，自钎铝基钎料制成板、片、线、箔、环或异型的自钎铝基钎料。

根据本发明的另一个方面，提供了通过上述方法制备得到的自钎铝基钎料。

一种自钎铝基钎料，包括以下重量百分比原料组成：

钎剂4-8％、Si4-20％和余量Al，其中，该自钎铝基钎料，氧含量＜450ppm，相对密度＞95％。

以下对本发明予以进一步说明和描述，在本发明的说明书中，所有数字百分百单位都是重量百分比单位，除非有其它的方式明确说明。

本说明书中，术语“钎剂包Al-Si合金复合粉末”是指钎剂完整包覆Al-Si合金粉末，因钎剂包覆层，使Al-Si合金粉末完全与环境中的氧隔绝，使钎剂包Al-Si合金复合粉末的氧含量低于300ppm，由此获得了本发明自钎铝基钎料优异的钎焊性能。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明制作自钎铝基钎料，因钎剂和Si含量可调范围宽，可满足于火焰钎焊、感应钎焊、浸渍钎焊、炉钎焊等铝合金的多种钎焊和/或焊接工艺；因具有良好的延展性，使其可以进一步进行轧制、挤压和拉丝等，经济的制作出板、片、线、箔、环、或异型的各种自钎铝基钎料，为钎焊技术低成本、可靠性和高强度的钎焊提高了必要的保障。本发明方法工艺简单灵活，适合于大批量生产和小批量定制。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种自钎铝基钎料及其制备方法：

一种自钎铝基钎料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备第一铝钎料，该钎料为钎剂包Al-Si合金复合粉末，其中，该复合粉末具体包括以下重量百分比成分：

钎剂4.5-8.5％、0-5％Si和余量Al，Si晶粒尺寸为10μm；

步骤2：制备第二铝钎料，该钎料为Al-Si合金粉末，其中，该合金粉末具体包括以下重量百分比成分：

30-60％Si和余量AL，Si晶粒尺寸为10μm；

步骤3：在第一铝钎料与第二铝钎料比例75-97.5：2.5-25范围内，按上述原料成分要求混合粉末；

步骤4：对混合粉末抽真空封套热等静压；

步骤5：脱皮，机加工为成品，获得自钎剂铝钎料。

还提供了一种通过该方法制备的自钎铝基钎料：

一种自钎铝基钎料，包括以下重量百分比原料组成：

钎剂4-8％、Si4-20％和余量Al，其中，氧含量＜450ppm，相对密度＞95％。

在本申请的实施例中，实施例所使用钎剂为K

或者，氯基钎剂，具体为：NaCl、KCl、LiCl或ZnCl

或者，氟基钎剂钎剂与氯基钎剂的组合，具体为上述两类钎剂组合使用。

还需要具体说明的是，在本申请中，钎剂以包覆Al-Si合金粉末的形式存在，在本申请制备步骤中，能够按单一的钎剂粉末形式，合并入第一铝钎料和第二铝钎料的混合料中，按要求制作出所需的自钎铝基钎料；

此外，混合料以第一和第二铝钎料混合组成，但在本发明制备步骤中，能够添加入第三组元，其中：第三组元包括Al-12.6Si共晶合金粉末，用于增加元素的迁移和钎料的流动；

Cu、Zn或Cu-Zn合金粉末，用于增加成分液相分数和改善耐腐性。

实施例一

步骤1：制备第一铝钎料的步骤流程为：

在780℃的温度下的熔炼炉中熔化Al-Si合金；

转移至中间包，由中间包底部孔流出形成熔体合金流束进入N2气气氛保护的雾化室；

喷射氮气将熔体合金流束转换成铝合金雾化液滴；

雾化液滴进入粒度20μm的钎剂粉体流化床，在惰性气氛下实现钎剂对钎料的包覆；

冷却，获得第一铝钎料复合粉末。

其中，在本实施例中，第一铝钎料钎剂含量为8％，第一铝钎料的粒度为300μm以下，氧含量300ppm以下。

步骤2中：制备第二铝钎料的步骤流程为：

在850℃的温度下的熔炼炉中熔化Al-40Si合金；

转移至中间包，由中间包底部孔流出形成熔体合金流束进入N2气气氛保护的雾化室；

喷射氮气将熔体合金流束转换成铝合金的雾化液滴；

冷却，获得第二铝钎料合金粉末。

其中，第二铝钎料的粒度为400μm以下，氧含量400ppm以下。

步骤3：粉末混合的步骤流程为：按比例80:20的比例，将第一铝钎料和第二铝钎料投放入双锥混合机，在氮气气氛下混合10小时，真空干燥10小时制备出均匀的粉末混合料。

步骤4：封套抽真空并热等静压的步骤流程为：将所制备的混合粉末装入铝包套中，在350℃、真空度低于1×10-3Pa条件下抽真空封套；

在450℃、压力180MPa、时间4小时下热等静压，获得自钎铝基钎料坯体。

步骤5：去皮，机加工获得自钎铝基钎料的坯锭，自钎铝基钎料进一步制成板、片、线、箔、环或异型的自钎铝基钎料，其中：

由上述步骤制备获得的自钎铝基钎料，包括：6.4％钎剂K

自钎铝基钎料的相对密度97％(相对于真密度)，氧含量500ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm。

实施例二

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为5％K

第二铝钎料为Al-30Si合金粉末；

第一铝钎料与第二铝钎料的配比为85:15，其中：

制备获得的自钎铝基钎料，包括：4.25％K

自钎铝基钎料的相对密度达98.5％(相对于真密度)，氧含量400ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

实施例三

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为8％K

第二铝钎料为4％K

第一铝钎料与第二铝钎料的配比为90:10，其中：

制备获得的自钎铝基钎料，包括：7.6％K

自钎铝基钎料的相对密度达96％(相对于真密度)，氧含量400ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

实施例四

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为7％K

第二铝钎料为Al-30 Si-10 Cu合金粉末；

第一铝钎料与第二铝钎料的配比为85:15，其中：

制备获得的自钎铝基钎料，包括：5.95％K

自钎铝基钎料的相对密度达97％(相对于真密度)，氧含量400ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

实施例五

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为6％K

第二铝钎料为Al-30 Si-8 Zn合金粉末；

第一铝钎料与第二铝钎料的配比为85:15，Si晶粒尺寸约10μm，其中：

制备获得的自钎铝基钎料，包括：4.8％K

自钎铝基钎料相对密度达96.8％(相对于真密度)，氧含量400ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合实验进一步说明。

对比实施例1

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为2％K

自钎铝基钎料的相对密度达95.4％(相对于真密度)，氧含量300ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

对比实施例2

与实施例一相比，仅在于使用的第一钎料为5％K

自钎铝基钎料的相对密度达95.4％(相对于真密度)，氧含量300ppm以下，Si晶粒尺寸约10μm，其余均相同。

对比实施例3

与实施例二相比，仅在于使用的第一钎料为5％K

第二铝钎料为Al-30％Si合金粉末；

只是第一铝钎料与第二铝钎料的配比为70:30，其中：

制备获得的自钎铝基钎料，包括：3.5％K

对以上各实施例1-5和对比实施例1-3进行如下实验：

采用GB11364-89“钎料铺展性及填缝性试验方法”测量钎料铺展性，来确定钎焊性能。实验用试板为1100铝合金板(尺寸40mm×40mm×5mm)，使用上述自钎铝基钎料的块状，其质量为0.2±1％g，在加热速度10-15℃/min，钎焊温度600±5℃，保温时间5min，按下式计算钎料实际铺展面积：

钎料实际铺展面积＝试板实际面积×钎料测得面积/试板测得面积(mm2)

结果以测量钎料的铺展面积来确定钎焊性，面积越大，则钎料活性越好，钎焊性也越佳，结果取三次实验的平均值。上述实验，铺展面积达到500mm2以上评价为“优”；400-500mm2评价为“良”；250-400mm2评价为“一般”；250mm2以下评价为“差”，以上各实施例1-5和对比实施例1-3的铺展性测试结果列于下表1。

采用GB/T228.1-2010“金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法”测量拉伸率来确定后续加工性(如挤压、轧制、拉伸等)。从各实施例所获铝基钎料上截取三片50mm(长)×12.5mm(宽)×1mm(厚)的薄片，在“电子万能试验机”上进行拉伸实验，测试断后伸长率，按以下公式计算断后伸长率：

断后伸长率＝(断后标距－原始标距)÷原始标距×100％

结果以断后伸长率来确定后续加工性，例如(如挤压、轧制、拉伸等)，断后伸长率越高，表明可加工性越好，上述实验，断后伸长率达到15％以上评价为“优”；10-15％评价为“良”；7-10％评价为“一般”；7％以下评价为“差”，以上各实施例1-5和对比实施例1-3的断后伸长率结果列于下表1。

对上述两项指标进行总评，结果列于下表1。

以上结果表明，根据本发明制作的自钎铝基钎料，具有良好的钎焊活性，且至少具备后续加工性能(如挤压、轧制、拉伸等)，满足进一步轧制、挤压和拉丝等，经济的制作出板、片、线、箔、环、或异型的各种自钎铝基钎料，或作为合成铝合金复合板材的自钎剂钎料覆层材料，满足于火焰钎焊、感应钎焊、浸渍钎焊、炉钎焊等铝合金的多种钎焊和/或焊接工艺。

而处于本发明范围之外的实施例结果表明，不能满足于钎焊活性，或不具备后续加工能力。

以上已对本发明进行了详述，显然，在不排除本发明精神和范围的前提下，由业内熟练技术人员可以进行改变和修改，而这些改变和修改将处于由权利要求规定的范围之内。

为了更加详细的说明，本发明还提供了该自钎铝基钎料在钎焊的应用。

自钎铝基钎料在钎焊的应用：

钎焊期间，首先钎剂熔化；

随着升温至Al-Si合金固相线温度以上，Al-Si合金出现初熔，产生少量液相分数，由于本发明采用了第一铝钎料(Si含量远低于12.6％)和第二铝钎料(Si含量远高于12.6％)，两种钎料存在Si梯度差，急速引发液相合金的Si相互扩散和互溶，即高浓度Si向低浓度Si扩散和迁移，朝向共晶合金Si含量(12.6％Si)推进，在渡过Al-12.6Si共晶成分时，产生Al-Si共晶的全液相；

随着Si的互溶推进，连续发生的Al-Si共晶液相，以第二铝钎料(高Si)为中心，连续向第一铝钎料(低Si)方向传播和推进；并与熔化钎剂一起，共同促进自钎铝钎料整体的液化和流动。

由于本发明采用急速冷却工艺，使自钎铝基钎料中的初生Si晶粒细小均匀，尺寸约10μm，使得熔化区窄且熔点低(相对于非急速冷却工艺的材料相比)，能达到瞬时熔化效果，由此也促进了上述的钎焊机制的进行。

与常规钎焊技术钎料采用单一的硅铝合金相比，无论Si含量高于或低于共晶点12.6％Si，钎焊期间Al-Si合金熔化的液相分数主要由温度/时间确定，没有钎料之间的液相扩散Si现象，与使用单一Si含量Al-Si合金相比，由于本发明方案钎料之间建立了Si共晶液相扩散机理，增强了自钎铝基钎料的整体流动性、活性和分布性，相应在钎焊后获得更高强度、更高可靠性和健全的钎焊接头。

第一铝钎料采用钎剂包Al-Si合金复合粉末，和第二铝钎料采用高Si含量Al-Si合金粉末，都具有低氧含量特征，二者结合使自钎铝基钎料总体呈低氧含量，自钎铝基钎料可以实质降低钎剂含量，并获得良好的钎焊活性，有益于获得良好的钎焊接头和节约成本。

自钎铝基钎料以第一铝钎料为主成分(75％以上)，使自钎剂铝基钎料具有良好的塑性/延展性，满足进一步轧制、挤压和拉丝等，经济的制作出板、片、线、箔、环、或异型的各种自钎铝基钎料，或作为合成铝合金复合板材的自钎剂钎料覆层材料，满足于火焰钎焊、感应钎焊、浸渍钎焊、炉钎焊等铝合金的多种钎焊和/或焊接工艺。

本发明方法生产的自钎铝基钎料因原材料利用率高而降低了制造成本，并具有大尺寸原料的生产潜能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。