一種高強度鋁基釺料及其製備方法與流程
2024-02-17 07:00:15
本發明涉及一種高強度鋁基釺料及其製備方法，屬於鋁合金焊料領域。
背景技術：
鋁合金由於具有密度小、比強度高等優點，廣泛應用於航空、航天、石化、汽車、機械等領域，很多傳統的銅合金波導、高頻器件、冷凝器、熱交換器等已被鋁合金所取代。釺焊作為鋁合金連接的重要方法之一，具有釺焊件變形小、尺寸精度高等優點，在實際生產中得到越來越廣泛的應用，特別適合於製造複雜的鋁合金構件。Al-Si系釺料以A1-Si共晶成分為基礎，該共晶合金具有良好的潤溼性、流動性、釺焊接頭的抗腐蝕性和可加工性，且釺焊接頭強度高，是鋁合金釺焊中應用最廣的一種鋁釺料。但Al-Si系釺料熔點較高(Al-Si共晶合金的共晶溫度為577℃)，釺焊時釺焊溫度多在600℃以上，接近於鋁合金的固相線溫度，易使母材發生過燒、溶蝕等現象。在一些特殊的應用場合，如薄壁的鋁製板翅式換熱器的釺焊，Al-Si系釺料的應用受到很大的制約。對於高強度鋁基釺料來說，低熔點與高強度是一對矛盾，目前市場上的鋁基釺料都沒有同時具備低熔點、高強度的特性。低熔點鋁基釺料一般是通過合金化手段大量添加能夠強烈降低熔點的合金元素如Si、Cu等基本成分而獲得的。而Si、Cu等元素含量很高時，在釺料組織中會形成大量的脆性相，如針狀Al-Si共晶，或Al-Si-Cu共晶，甚至塊狀的Si初晶，以及大塊狀的Al2Cu化合物等，使釺料本身的性能顯著脆化，幾乎完全沒有韌性和塑性(拉伸率)。由於金屬的強度與韌性及塑性之間的關係是互相消長的，沒有高的韌性和塑性的金屬材料就不可能有高的強度。再加上金屬重熔普遍存在的「冶金遺傳現象」，以脆性的釺料釺焊母材所得接頭的強度必然不高，脆斷傾向極大，往往在釺焊結構件服役條件下接頭突然失效，造成整個鋁合金釺焊結構件突然崩潰，從而釀成設備事故。
授權公告號CN 102000924B，發明名稱：一種低熔點、高強度鋁基釺料及其製備方法，所述釺料按質量百分比計它由下述組分組成：Si：6～13％、Cu：6～13％、Ni：1～3％、Sr：0.01～0.1％、Ti：0.01～0.2％、Y：0.01～0.2％、Al餘量。製備方法為先稱取各組分，之後將各組分按一定順序加入石墨坩鍋熔煉爐，熔化後進行兩次精煉，精煉過程中均以氬氣和六氯乙烷為精煉劑，所述六氯乙烷通過氬氣由熔液底部通入，所述氬氣的通入壓力為5～7KPa；將完成第二次精煉後的熔液在氮氣保護下根據需要連鑄或氣體霧化成不同形態的鋁基釺料。按上述方法製得的鋁基釺料同時具有低熔點、高強度、高韌性、良好的潤溼性和鋪展性等優良特性。但是釺料的強度依然不是很高，而且製備工藝複雜，成分較高。
技術實現要素：
本發明提供了一種高強度鋁基釺料及其製備方法，解決了現有釺料強度不高，製備工藝複雜等問題。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4-4.5，Cu0.1-0.5，Mg0.03-0.08，Zn0.05-0.1，In0.1-0.2，納米TiO20.3-.0.5，碳納米管0.01-0.02，餘量為Al和不和避免雜質。
優選地：所述的Cu的含量為0.2-0.3％。
優選地：所述的In的含量為0.15％。
優選地：所述的納米TiO2的含量為0.3-.0.4％。
優選地：所述的納米TiO2：碳納米管的重量比為20:1。
本發明也提供了一種高強度鋁基釺料的製備方法，包括以下步驟：
(1)稱取各種原料粉末，用球磨機混合均勻；
(2)將混合後的粉末裝入磨具，在100-120MPa的壓力下保持5-10min，壓製成型；
(3)將成型後的產品500-600度，時間3-5h燒結，既得高強度鋁基釺料。
優選地：所述的球磨為：球料比10-15:1，轉速150-200r/min，時間40-60min。
本發明的有益效果：
本發明的釺料中添加Cu，可顯著降低釺料熔點，但Cu加入量多會使材料變脆及釺焊時出現對母材的溶蝕，很難得到性能優良的釺焊接頭，因此Cu的添加量為Cu0.1-0.5％，優選0.2-0.3％。Zn與Mg相配合，可提高焊接接頭的強度。In的熔點低，加入In可以降低焊料的熔化溫度，粘度降低，流動性增強，提高焊料的潤溼性。但是In的價格比較貴，加入過多，成本過高。並且本發明含有石墨烯增強骨料，過多的加入In，會造成其強度的下降。因此In的含量為0.1-0.2％。
納米TiO2和碳納米管為強化材料，納米TiO2顆粒具有硬度高、熔點高、熱膨脹係數小、穩定性好等特點；納米碳管具有熱膨脹係數小，導電率優異，強度、硬度非常高的特點。這兩種材料均比較適合於用作強化材料。通過優化它們的配比，使其釺料具有良好的焊接性能。
具體實施方式
下面將結合本發明具體實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4，Cu0.1，Mg0.03，Zn0.05，In0.1，納米TiO20.3，碳納米管0.01，餘量為Al和不和避免雜質。
其製備方法，包括以下步驟：
(1)稱取各種原料粉末，用球磨機混合均勻，球料比13:1，轉速150r/min，時間40min。；
(2)將混合後的粉末裝入磨具，在110MPa的壓力下保持8min，壓製成型；
(3)將成型後的產品500度，時間5h燒結，既得高強度鋁基釺料。
實施例2
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4.5，Cu0.2，Mg0.06，Zn0.1，In0.15，納米TiO20.4，碳納米管0.02，餘量為Al和不和避免雜質。
其製備方法，包括以下步驟：
(1)稱取各種原料粉末，用球磨機混合均勻，球料比10:1，轉速200r/min，時間50min。；
(2)將混合後的粉末裝入磨具，在120MPa的壓力下保持5min，壓製成型；
(3)將成型後的產品600度，時間3h燒結，既得高強度鋁基釺料。
實施例3
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4.3，Cu0.5，Mg0.08，Zn0.1，In0.2，納米TiO20.5，碳納米管0.02，餘量為Al和不和避免雜質。
其製備方法，包括以下步驟：
(1)稱取各種原料粉末，用球磨機混合均勻，球料比15:1，轉速180r/min，時間60min；
(2)將混合後的粉末裝入磨具，在100MPa的壓力下保持10min，壓製成型；
(3)將成型後的產品550度，時間4h度燒結，既得高強度鋁基釺料。
實施例4
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4.5，Cu0.3，Mg0.05，Zn0.08，In0.1，納米TiO20.3，碳納米管0.015，餘量為Al和不和避免雜質。與實施例1的製備方法一樣。
實施例5
一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4，Cu0.25，Mg0.07，Zn0.1，In0.15，納米TiO20.35，碳納米管0.018，餘量為Al和不和避免雜質。與實施例1的製備方法一樣。
對比例1
與實施例5基本相同，不同之處在於：一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4，Cu0.25，Mg0.07，Zn0.1，In0.15，納米TiO20.368，餘量為Al和不和避免雜質。
對比例2
與實施例5基本相同，不同之處在於：一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4，Cu0.25，Mg0.07，Zn0.1，In0.15，碳納米管0.368，餘量為Al和不和避免雜質。
對比例3
與實施例5基本相同，不同之處在於：一種高強度鋁基釺料，按照重量百分比計，包括Si4，Cu0.25，Mg0.07，Zn0.1，納米TiO20.35，碳納米管0.018，餘量為Al和不和避免雜質。
使用SAT-5100可焊性測試儀測試焊料的潤溼性，浸入深度2mm，浸漬速度5mm/s，浸漬時間10s。鋪展性測試：根據日本工業標準JIS-Z3197測試焊料的鋪展，按照GB/T 11363-2008測定其剪切強度，具體結果見下表。
測定各個實施例和對比例的潤溼角，剪切強度，具體見下表。
由上表可知，本發明的焊料具有較高的剪切強度和良好的潤溼性，改變In、納米TiO2或碳納米管對強度具有很大的影響。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。