一種銅/鋁合金釬焊用釬料及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及到異種釬焊材料-中高溫釬料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種銅/鋁合金釬焊用釬料及其制備方法。

背景技術(shù)：

銅和鋁在電傳輸、熱量交換及日用品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，然而，隨著銅資源短缺和成本相對較高，促使科技工作者開始采用“以鋁代銅” 技術(shù)來降低生產(chǎn)成本。這是因為鋁的成本和密度僅為銅的l/3，鋁制構(gòu)件材料成本是銅制構(gòu)件的1/9，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和加工性能，在不考慮力學(xué)、電熱性能條件下，很多原來使用銅的場合鋁也能滿足使用性能需要，因此很多行業(yè)試行“以鋁代銅”的技術(shù)來降低生產(chǎn)成本，緩解銅資源緊張狀況。

然而由于鋁的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性畢竟還劣于銅，在許多結(jié)構(gòu)中鋁質(zhì)構(gòu)件仍不能全面替代銅質(zhì)構(gòu)件，因而“以鋁代銅”技術(shù)也帶來鋁/銅連接的問題。

對鋁/銅連接而言，釬焊方法成本低、適合連接熔點差異大的異種材料、可在線生產(chǎn)，且在嚴(yán)格控制釬料成分和釬焊工藝的前提下，可能獲得性能優(yōu)良的接頭，是較有發(fā)展前景的鋁/銅連接技術(shù)。然而鋁/銅釬焊技術(shù)仍不成熟，特別是兩者釬焊釬料的開發(fā)仍是鋁/銅連接技術(shù)的關(guān)鍵。

以往鋁/銅釬焊用的Zn-Al釬料，多用于高溫焊接工藝、高溫工作下的元器件焊接等，其熔點偏高，特別是和鋁合金母材熔點相差不大，加工性差，應(yīng)力松弛能力較差，且容易氧化而導(dǎo)致潤濕性不佳。因此鋁合金/銅釬焊用Zn-Al系釬料，仍有待從多方面進(jìn)一步改善。開發(fā)研制熔點更偏低、潤濕性良好、釬料自身強(qiáng)度塑韌性能更好的Zn-Al基釬料已迫在眉睫，這對釬焊鋁合金/銅金屬結(jié)構(gòu)，加快“以鋁代銅”技術(shù)的發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有鋁/銅釬焊用的Zn-Al釬料存在的熔點高、潤濕性、塑韌性差的問題，本發(fā)明提供了一種銅/鋁合金釬焊用釬料及其制備方法，該釬焊用釬料具有更好的潤濕性和力學(xué)性能，而且熔點也有所降低，可以很好的解決銅與鋁合金之間釬焊性差的問題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種銅/鋁合金釬焊用釬料，由基料和添加成分制成，按照重量百分?jǐn)?shù)，所述基料由80.5-82%的Zn、10-12%的Al、4-6%的Cu和2-4%的Sn組成，所述添加成分為0.5-1.5%的Sb元素。

優(yōu)選的，按照重量百分?jǐn)?shù)，所述釬料由80.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu、3%的Sn和1.5%的Sb組成。

上述銅/鋁合金釬焊用釬料的制備方法，包括以下步驟：

1）按照所述的比例分別稱取各物料，然后將Zn和Al混合后在其表面覆蓋一層助劑，該助劑為NaCl、KCl和碎玻璃渣按照重量比為1：1：2-3的比例混合而成；

2）將覆蓋有助劑的Zn和Al混合物加熱至450℃，待Zn和Al完全熔化后，繼續(xù)升溫至700℃向其中加入稱量好的其余物料并攪拌均勻，而后繼續(xù)升溫至800℃，待物料完全融化后，繼續(xù)保溫15min，自然冷卻后即得到產(chǎn)品。

本發(fā)明是通過以下方法來探究并確定本發(fā)明最優(yōu)的技術(shù)方案：

本發(fā)明先確定制備Zn-10Al-zCu基料，從中選出性能優(yōu)良的Zn-10Al-5Cu基料，再配制并制備一種Zn-10Al-5Cu-xSn釬料，在保證其潤濕性、塑韌性基礎(chǔ)上兼顧降低熔點，選出性能良好的Zn-10Al-5Cu-3Sn，確定了Sn的添加量為3%，為改善強(qiáng)度，進(jìn)一步添加Sb元素制備Zn-10Al-5Cu -3Sn-ySb釬料，以進(jìn)一步提高釬料的力學(xué)性能。

具體工藝操作如下：

首先，在第一輪制備的Zn-10Al-zCu釬料中篩選出Zn-10Al-5Cu釬料作為基體釬料，進(jìn)一步制備Zn-10Al-5Cu-xSn釬料，然后選擇潤濕性和熔點適當(dāng)?shù)腟n元素含量大約在3%的Zn-10Al-5Cu -3Sn，將此釬料含量成分作為第二輪改善釬料基體；

其次，再以變量法確定最適宜的Sb元素的添加量，制備一系列Zn-10Al-5Cu-ySn釬料，選出性能良好的Zn-10Al-5Cu-1.5Sb釬料，此次確定了Sb的添加量為1.5%，最后制備Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料。各元素配比是按重量百分比秤取各元素相應(yīng)重量制備Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料，具體工藝如下：

1、Zn-10Al- zCu基體的制備：

原料為：鋅Zn: 余量%，純鋁Al: 10.0%，銅Cu: 3-7.0%；其合金熔點在400～430℃之間，將上述原料鋅粒、剪成小片狀的鋁片、銅粉按成分比例配好，備用；各元素配方及添加量見附圖1。為了防止釬料在熔煉過程中氧化，需同時各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔煉時置于原材料上面在熔煉時起到除氣和保護(hù)作用。

預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度850℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加NaCl或KCl重量2-3倍的碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu粉倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。等真空加熱爐溫度升高到850℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu基體釬料合金。

選出銅添加量為5%的Zn-10Al-5Cu作為本次釬料改善的基體釬料。

其次的Zn-10Al-3Cu-xSn Ⅱ₁釬料的改善工藝如下

2、配制原料：原料為：鋅Zn: 余量%，純鋁Al: 10.0%，銅Cu: 5.0%；錫Sn:1.0-4.0%; 其合金熔點在395～385℃左右，將上述原料鋅粒、剪成小片狀的鋁片、銅粉、錫粉粒按成分比例配好，備用；各元素配方及添加量見附圖2。為了防止釬料在熔煉過程中氧化，需同時各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔煉時置于原材料上面在熔煉時起到除氣和保護(hù)作用。

Zn-10Al-5Cu-xSn釬料制備工藝：預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu粉、Sn粉粒倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-xSn釬料合金。

選出錫添加量為3%的Zn-10Al-5Cu-3Sn作為本次釬料改善的Ⅱ₁基體釬料。

之后的Zn-10Al-3Cu-ySb Ⅱ₂釬料的改善工藝如下

3、配制原料：原料為：鋅Zn: 余量%，純鋁Al: 10.0%，銅Cu: 5.0%；銻

Sb:0.5-1.5%; 其合金熔點在420～440℃左右，將上述原料鋅粒、剪成小片狀的鋁片、銅粉、銻粉粒按成分比例配好，備用；各元素配方及添加量見附圖3。為了防止釬料在熔煉過程中氧化，需同時各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔煉時置于原材料上面在熔煉時起到除氣和保護(hù)作用。

Zn-10Al-5Cu-ySb釬料制備工藝：預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度850℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu粉、Sb粉粒倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。等真空加熱爐溫度升高到850℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-ySb釬料合金。

選出銻添加量為1.5%的Zn-10Al-5Cu-1.5Sb作為本次釬料改善的Ⅱ₂基體釬料。

最后的Zn-10Al-5Cu-3Sn-ySb釬料的制備工藝如下

4、配制原料：原料為：鋅Zn: 余量%，純鋁Al: 10.0%，銅Cu: 5.0%；錫

Sn:3.0%，銻Sb：0.5-1.5%；其合金熔點在430～410℃之間，將上述原料鋅粒、剪成小片狀的鋁片、銅粉、銻粉粒、錫粉粒，按成分比例配好，備用；各元素配方及添加量見附圖3。為了防止釬料在熔煉過程中氧化，需同時各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔煉時置于原材料上面在熔煉時起到除氣和保護(hù)作用。

Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料制備工藝：預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu粉、Sn粉粒及Sb粉粒倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-3Sn-ySb釬料合金。

選出Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料合金作為本次改善后的釬料合金。

本發(fā)明制備的Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb棒狀釬料，直徑大約10mm左右。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有的鋅鋁合金釬料相比，具有以下優(yōu)點：

（1）通過向Zn-10Al-5Cu釬料中添加Sn和Sb元素，改善了潤濕性，縮短了對銅的潤濕時間，使鋁合金與銅之間的釬焊成為可能；

（2）先配制由Zn、Al和Cu組成的基料，之后再向基料中加入Sn選出基料Ⅱ₁的添加成分，然后再向基料中加入Sb選出基料Ⅱ₂的添加成分，最后研制Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料，不僅使整個制備工藝過程簡單化，而且還可先篩選工藝性能、力學(xué)性能良好的Zn-10Al-5Cu-xSn基料Ⅱ₁和Zn-10Al-5Cu-ySb基料Ⅱ₂，在此基礎(chǔ)上再制備Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料，這樣可提高效率，降低成本；

（3）實驗結(jié)果表明，本發(fā)明所得產(chǎn)物，其潤濕性和力學(xué)性能均較現(xiàn)有的普通釬料優(yōu)良，釬料熔點有所降低，經(jīng)過釬焊試驗獲得良好的銅/鋁合金釬焊接頭，可以解決鋁合金與銅之間釬焊性差的問題。

本發(fā)明所開發(fā)的釬料達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：

1. 添加Sb、Sn元素后，Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb釬料合金的鋪展面積與Zn-10Al-5Cu-xSb相比有了明顯增加且熔點有所降低，釬料的潤濕性能有了一定的改善，最大鋪展面積可達(dá)167.6mm²；較Zn-10Al-5Cu基體提高了15% (如附圖4和附圖5所示)；

2. 添加Sb元素后，Zn-10Al-5Cu-xSb釬料自身抗拉強(qiáng)度呈先略降低后增加的趨勢，并在Sb元素添加量為1.5%時強(qiáng)度可達(dá)225.5MPa (如附圖6所示)，滿足銅/鋁合金釬焊要求；

3. Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb釬料合金的密度隨Sb添加量的增加趨勢穩(wěn)定基本不變化(如附圖7所示)，表明在釬料用量上，基本沒什么變化。

附圖說明

圖1為Zn-10Al- zCu基體釬料合金中各元素的添加量表；

圖2為Ⅱ₁基體釬料合金中各元素的添加量表；

圖3為Ⅱ₂基體釬料合金中各元素的添加量表；

圖4為Zn-10Al-5Cu-xSb和Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb釬料的鋪展面積對比圖；

圖5為Zn-10Al-5Cu-xSb和Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb釬料的熔點對比圖；

圖6為Sb元素添加量與釬料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系圖；

圖7為Sb元素添加量與釬料密度的關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述。以下實施例中，基料中所用的Zn、Al、Cu、Sb和Sn均采用單質(zhì)形態(tài)，所涉及的比例均為重量百分比。

實施例1

按照81.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例選取單質(zhì)Zn、Al、Cu、和Sn以組成基料，然后按照0.5%的比例稱取Sb，同時需各稱量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加10g碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。

等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到本產(chǎn)品。

實施例2

按照80.5-82%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例選取單質(zhì)Zn、Al、Cu、和Sn以組成基料，然后按照1.0%的比例稱取Sb，同時需各稱量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加15g碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。

等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到本產(chǎn)品。

實施例3

按照80.5-82%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例選取單質(zhì)Zn、Al、Cu、和Sn以組成基料，然后按照1.5%的比例稱取Sb，同時需各稱量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。

等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到本產(chǎn)品。

實施例4

按照80.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu和4%的Sn的比例選取單質(zhì)Zn、Al、Cu、和Sn以組成基料，然后按照0.5%的比例稱取Sb，同時需各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)；預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃，便于吸渣。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。

等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到本產(chǎn)品。

實施例5

按照80.5%的Zn、10%的Al、6%的Cu和3%的Sn的比例選取單質(zhì)Zn、Al、Cu、和Sn以組成基料，然后按照0.5%的比例稱取Sb，同時需各稱量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)；預(yù)熱真空加熱爐不抽真空，設(shè)置溫度800℃，使其慢慢升溫；將上述按成分比例配好的原料鋅粒、鋁片放入坩堝中，上面覆蓋NaCl和KCl，同時在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃，便于吸渣。

在爐溫升至450℃左右時把裝有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩堝放入真空爐內(nèi)加熱，使其熔化，加熱至700℃時打開爐門，用坩堝鉗將坩堝夾至爐膛門口，迅速將稱量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入裝有Zn、Al的坩堝并不斷攪拌均勻后，放入加熱爐中再次熔煉，以保證所研制合金釬料成分的均勻。

等真空加熱爐溫度升高到800℃，保溫15分鐘，把盛有熔化釬料的坩堝從真空爐中取出，將釬料溶液倒入從另一電阻爐中取出的預(yù)熱好的模具中，即可得到本產(chǎn)品。