專利名稱：含Sr、Si、Ti、Ni、P的高氣密性的中溫Zn-Al釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種一種含Sr、Si、Ti、Ni、P的高氣密性的中溫&1-A1釬料，配合市售CsF-AlF3釬劑或KF-AlF3釬劑，用于鋁-鋁結(jié)構(gòu)件的釬焊，屬于金屬材料類的焊接材料。背景技術(shù)：
目前，在家電行業(yè)、制冷行業(yè)、五金行業(yè)，由于銅的使用量巨大，電解銅價(jià)格的上揚(yáng)，使得家電行業(yè)電冰箱、空調(diào)器行業(yè)零部件、整機(jī)制造廠商“以鋁代銅”的需求隨著家電行業(yè)“產(chǎn)能過?！钡募觿『汀爱a(chǎn)品價(jià)格戰(zhàn)”的不斷升級(jí)，越來越迫切。此外，在許多行業(yè)，采用3系(如 3003鋁合金)、6系(如6061鋁合金)高強(qiáng)鋁合金，制造全鋁結(jié)構(gòu)零部件，以替代銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，也是全世界制造業(yè)的發(fā)展方向。但是，高強(qiáng)鋁合金的焊接難題越來越多，迫切需要研發(fā)新的焊接材料去解決。由于鋁的熱交換效果與銅非常接近，高強(qiáng)鋁合金的加工性能、加工能力都有了很大的改進(jìn)，所以鋁替代銅應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。近年來，在國(guó)內(nèi)外家用空調(diào)、冷柜、汽車空調(diào)、汽車散熱器的發(fā)展過程中，許多成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)，對(duì)高強(qiáng)度鋁合金焊接的困難和需求，已經(jīng)引起了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員與企業(yè)家的重視。汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行條件遠(yuǎn)比家用空調(diào)惡劣，在汽車空調(diào)中，高效緊湊的換熱器(平行流式，層疊式)的采用；汽車空調(diào)系統(tǒng)中從壓縮機(jī)、換熱器、閥體到管路基本上全部采用鋁材，這就要求鋁合金強(qiáng)度足夠高，重量亦輕，耐腐蝕性能好，因此，為滿足上述要求而研發(fā)、采用的新型鋁合金的焊接問題，同時(shí)也成了制約新型鋁合金材料、新型鋁合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用的“關(guān)鍵技術(shù)”之一。此外，在大量使用鋁合金的熱交換器的“管-管連接”時(shí)，由于工作時(shí)，管路內(nèi)部的制冷劑是在“有壓力”的情況下發(fā)生“汽-液轉(zhuǎn)換”的，因此，對(duì)鋁合金管路特別是鋁合金釬縫的“氣密性”提出更高的要求。由于現(xiàn)有的Al-Si系釬料(如4047、4043等)，雖然其氣密性滿足要求，但是其自身的熔點(diǎn)較高(固相線溫度577°C，液相線溫度在600°C以上)，與3系、6系高強(qiáng)鋁合金的熔點(diǎn)非常接近，釬焊非常困難。Si-Al釬料雖然其熔點(diǎn)可低至400°C左右(如98&1-2A1的固相線溫度為381°C，液相線溫度約為410°C)，但是Si-Al釬料釬縫的氣密性較差，實(shí)驗(yàn)室的“泄漏率” 就高達(dá)16%，根本無法滿足熱交換器生產(chǎn)廠每天幾十萬(wàn)個(gè)釬焊接頭的大規(guī)模生產(chǎn)要求。本項(xiàng)發(fā)明具有高氣密性的中溫鋁釬料，即是在這種技術(shù)背景下完成的。
發(fā)明內(nèi)容
本項(xiàng)發(fā)明的目的是提供一種熔點(diǎn)在480°C飛20°C左右、在高強(qiáng)度鋁合金表面以及在銅-鋁合金上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能良好、釬縫氣密性好，可以適用于多種牌號(hào)鋁合金鋁-鋁管路結(jié)構(gòu)件的焊接的新型中溫鋁釬料。為此，本項(xiàng)發(fā)明的一種含Sr、Si、Ti、Ni、P的Si-Al釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 01% 0· 1% 的 Sr, 1. 5% 6. 5% 的 Si，0. 001% 0· 01% 的 Ti，0. 001% 0· 01% 的 Ni, 0. 00019Γ0. 001%的P，36. 09Γ65. 0%的Si，余量為Al的具有高氣密性的中溫鋁釬料，即滿足了上述要求。本發(fā)明的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，使用市售的鋅錠、鋁錠、金屬Ti、工業(yè)硅、 鋁鍶合金、鎳磷合金，采用常規(guī)冶煉方式按設(shè)計(jì)成分配比，冶煉時(shí)加入經(jīng)優(yōu)化篩選確定的“覆蓋劑”或采用“惰性氣體”保護(hù)冶煉、澆鑄，再通過擠壓、拉拔，即得到所需要的釬料絲材； 或通過多道軋制工序，制備成所需厚度、寬度的薄帶。加入釬劑，可制成“藥芯焊絲”。本發(fā)明產(chǎn)品可配合市售CsF-AlF3釬劑或KF-AlF3釬劑，可用于多種牌號(hào)鋁合金鋁-鋁結(jié)構(gòu)件的釬焊。為了達(dá)到改進(jìn)現(xiàn)有Si-Al合金釬料雖然熔點(diǎn)較低熔化溫度區(qū)間一般為380°C 420°C)，但氣密性差；Al-Si系釬料(如4047、4043等)，雖然其氣密性好，但是熔點(diǎn)較高(固相線溫度577°C，液相線溫度在600°C以上)的難題，經(jīng)過大量“篩選試驗(yàn)”，最后確定了以 Si-Al釬料為基體，加入微(適)量的Sr、Si、Ti、Ni、P元素，從而將新發(fā)明的釬料熔化溫度區(qū)間控制在480°C 520°C范圍，低于Al-Si系釬料的熔化溫度80°C左右，利用多元微量元素的“微合金化”作用，提高新發(fā)明釬料的氣密性。經(jīng)過“成分優(yōu)化”和試驗(yàn)分析，確定了“具有高氣密性的中溫鋁釬料”的最佳質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003 鋁合金管-管結(jié)構(gòu)(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。四

圖1釬縫水壓試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)。五、具體實(shí)施方案
本項(xiàng)發(fā)明主要解決了以下關(guān)鍵性問題
1)已有研究表明雖然&1-A1合金的熔點(diǎn)低(一般在380°C 420°C，個(gè)別的熔點(diǎn)可以達(dá)到450°C 460°C )，但是其“氣密性”差，“鋁管-鋁管”釬焊連接時(shí)，釬縫泄漏率較高，無法在熱交換器行業(yè)應(yīng)用。因此，利用Sr、Si、Ti、Ni、P多元微量元素的“微合金化”作用，提高了新發(fā)明釬料的氣密性。2)經(jīng)過15組約150個(gè)合金配方試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加入微(適)量的Sr、Si、Ti、Ni、P 元素在提高Si-Al合金的氣密性的同時(shí)，還具有改善Si-Al合金的在高強(qiáng)度鋁合金表面的潤(rùn)濕性、滲透性的作用。同時(shí)，通過優(yōu)化Sr、Si、Ti、Ni、P元素的含量范圍，將新發(fā)明的釬料的熔化溫度區(qū)間控制在480°C 520°C范圍，低于Al-Si系釬料的熔化溫度80°C左右(如 4047,4043等固相線溫度577°C，液相線溫度在600°C以上)，從而得到了 “具有高氣密性的中溫鋁釬料”(此中溫相對(duì)于4047的熔點(diǎn)577°C 600°C而言)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)“鋁管-鋁管”的釬焊連接而沒有鋁合金構(gòu)件“過燒”、“塌陷”的危險(xiǎn)。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003鋁合金管-管結(jié)構(gòu)(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。與以往研究相比，本發(fā)明的創(chuàng)造性在于 一、發(fā)現(xiàn)了 P元素的“提高氣密性”作用。眾所周知，在銅合金中，P具有脫氧作用，如“磷脫氧銅” TPl (參見 http://baike.baidu. com/view/3059316. htm)。在《錫鉛焊料》舊版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，加入 0. 0019Γ0. 004%的P和0. 0019Γ0. 004%的Ga，被稱之為“抗氧化錫鉛焊料”(參見GB 3131-88 《錫鉛焊料》表6)。在經(jīng)過10多年，P在錫鉛焊料、無鉛釬料中具有“抗氧化作用”為大家熟知后，在新版(現(xiàn)行有效版本)GB/T 3131-2001《錫鉛釬料》表3、表4中，雖然也列入了含P0. 0019Π). 004%的兩種釬料，但是已經(jīng)不再注明是“抗氧化錫鉛焊料”了。而且人們發(fā)現(xiàn)， 單純只加P即可，不必同時(shí)添加等量的( 元素了。但是，在本發(fā)明中，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證了 P的加入，并不是脫氧、抗氧化的效果，而是具有“提高氣密性”的作用。二、試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)選了 Sr、Si、Ti、Ni、P元素的添加范圍。以往的研究，在新型金屬材料的研發(fā)中，Sr、Si、Ti、Ni、P的添加范圍一般都很寬泛。本研究發(fā)現(xiàn)，具有良好“氣密性”、良好釬焊性能(如釬料潤(rùn)濕性、滲透性、釬縫力學(xué)性能) 的Si-Al基合金，Sr的加入量不能超過0. 019Γ0. 1%范圍；Si的加入量不能超過1. 59Γ6. 5% 范圍；Ti的加入量不能超過0. 0001%范圍；Ni的加入量不能超過0. 0001%范圍；P的加入量不能超過0.00019Γ0.001%范圍。特別需要指出的是Ρ加入釬料中(如無鉛釬料、錫鉛釬料)，主要是起著“抗氧化”的作用，其加入量為0. 0019Γ0. 004% (參見GB/T 3131-2001《錫鉛釬料》表3)，但是在本發(fā)明中，P的加入量必須控制在0. ΟΟΟΡ/ΓΟ. 001%范圍。大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在Si-Al基合金中，當(dāng)加入Sr、Si、Ti、Ni等元素后，再加入微量的P，即加入0. 00019Γ0. 001%的P，對(duì)提高Si-Al-Sr-Si-Ti-Ni-P釬料的釬縫氣密性作用很大。本實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加入P元素后，釬縫的泄漏率由不加P的十萬(wàn)分之六下降到了加P的十萬(wàn)分之二，平均釬焊1000組100個(gè)通道的熱交換器，只有二個(gè)焊點(diǎn)需要補(bǔ)焊，泄漏率降低了 66. 7% (參見表1)。三、研究發(fā)現(xiàn)了變質(zhì)元素Sr與Si、Ti、Ni、P的“協(xié)同效應(yīng)”。已有研究表明，在Al-Si合金中，加入Sr等元素，特別是Sr與B、Sr與Ti的交互作用，已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。不過，Si含量高達(dá)36.09Γ65.0%的本發(fā)明釬料，顯然與Al-Si 合金的性質(zhì)有顯著差別，采用已有文獻(xiàn)報(bào)道的方法和元素“變質(zhì)處理”效果很差。因此，本發(fā)明在試驗(yàn)、研究過程中，發(fā)現(xiàn)了在添加Sr與Si、Ti的基礎(chǔ)上，再添加Ni、P元素，即在有Ni、 P元素與Sr與Si、Ti共存時(shí)，具有顯著的提高氣密性的效果，而且對(duì)釬料潤(rùn)濕性、滲透性、 釬縫力學(xué)性能沒有“負(fù)面”影響。通過采用“序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”方法對(duì)Sr、Si、Ti、Ni、P進(jìn)行進(jìn)一步的“優(yōu)選”，得到了本權(quán)利要求1的成分范圍。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003 鋁合金管-管結(jié)構(gòu)(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。根據(jù)本發(fā)明的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”的質(zhì)量配方比，結(jié)合表1，敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如下。實(shí)施例一
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 01%的Sr, 6. 5%的 Si，0. 001% 的 Ti，0. 01% 的 Ni，0. 0001% 的 P,65. 0% 的 Zn，余量為 Al。上述成分配比得到的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，配合市售CsF-AlF3釬劑或 KF-AlF^f劑，在3系、6系高強(qiáng)度鋁合金表面上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能優(yōu)良， 氣密性優(yōu)良。釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實(shí)施例二
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 1%的Sr，1. 5%的Si，0. 01% 的 Ti，0. 001% 的 Ni，0. 001% 的 P, 36. 0% 的 Zn，余量為 Al。上述成分配比得到的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，配合市售CsF-AlF3釬劑或 KF-AlF^f劑，在3系、6系高強(qiáng)度鋁合金表面上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能優(yōu)良， 氣密性優(yōu)良。釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實(shí)施例三
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 05%的Sr，4. 5%的 Si，0. 005% 的 Ti，0. 005% 的 Ni，0. 0005% 的 P,46. 0% 的 Zn，余量為 Al。上述成分配比得到的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，配合市售CsF-AlF3釬劑或 KF-AlF^f劑，在3系、6系高強(qiáng)度鋁合金表面上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能優(yōu)良， 氣密性優(yōu)良。釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實(shí)施例四
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 09%的Sr, 6. 1%的 Si，0. 001% 的 Ti，0. 002% 的 Ni，0. 0002% 的 P,60. 0% 的 Zn，余量為 Al。上述成分配比得到的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，配合市售CsF-AlF3釬劑或 KF-AlF^f劑，在3系、6系高強(qiáng)度鋁合金表面上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能優(yōu)良， 氣密性優(yōu)良。釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實(shí)施例五
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 03%的Sr, 6. 1%的 Si，0. 01% 的 Ti，0. 002% 的 Ni，0. 0008% 的 P, 56. 0% 的 Zn，余量為 Al。上述成分配比得到的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”，配合市售CsF-AlF3釬劑或 KF-AlF^f劑，在3系、6系高強(qiáng)度鋁合金表面上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能優(yōu)良， 氣密性優(yōu)良。釬焊接頭經(jīng)水壓試驗(yàn)(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗(yàn)中最大承受壓力可達(dá)到21 MPa (在鋁管部位開裂)。
權(quán)利要求
1. 一種含Sr、Si、Ti、Ni、P的高氣密性的中溫Si-Al釬料，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0. 01% 0· 1% 的 Sr, 1. 5% 6. 5% 的 Si，0. 001% 0· 01% 的 Ti，0. 001% 0· 01% 的 Ni, 0. 0001% 0· 001% 的 P, 36. 0% 65. 0% 的 Zn,余量為 Al。
全文摘要
含Sr、Si、Ti、Ni、P的高氣密性的中溫Zn-Al釬料，屬于金屬材料類的焊接材料。其化學(xué)成分按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是0.01%~0.1%的Sr，1.5%~6.5%的Si，0.001%~0.01%的Ti，0.001%~0.01%的Ni，0.0001%~0.001%的P，36.0%~65.0%的Zn，余量為Al。本發(fā)明的釬料熔點(diǎn)在480℃~520℃左右、在高強(qiáng)度鋁合金表面以及在銅-鋁合金上潤(rùn)濕性、滲透性優(yōu)良、釬縫的力學(xué)性能良好、釬縫氣密性好，可以適用于多種牌號(hào)鋁合金鋁-鋁管路結(jié)構(gòu)件的焊接的新型中溫鋁釬料。
文檔編號(hào)B23K35/28GK102513722SQ20121000464
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者薛松柏, 薛鵬 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)