一种铜/铝合金钎焊用钎料及其制备方法与流程

本发明涉及到异种钎焊材料-中高温钎料技术领域，具体的说是一种铜/铝合金钎焊用钎料及其制备方法。

背景技术：

铜和铝在电传输、热量交换及日用品等领域广泛应用，然而，随着铜资源短缺和成本相对较高，促使科技工作者开始采用“以铝代铜” 技术来降低生产成本。这是因为铝的成本和密度仅为铜的l/3，铝制构件材料成本是铜制构件的1/9，且具有优良的导电、导热、耐蚀和加工性能，在不考虑力学、电热性能条件下，很多原来使用铜的场合铝也能满足使用性能需要，因此很多行业试行“以铝代铜”的技术来降低生产成本，缓解铜资源紧张状况。

然而由于铝的导电、导热性毕竟还劣于铜，在许多结构中铝质构件仍不能全面替代铜质构件，因而“以铝代铜”技术也带来铝/铜连接的问题。

对铝/铜连接而言，钎焊方法成本低、适合连接熔点差异大的异种材料、可在线生产，且在严格控制钎料成分和钎焊工艺的前提下，可能获得性能优良的接头，是较有发展前景的铝/铜连接技术。然而铝/铜钎焊技术仍不成熟，特别是两者钎焊钎料的开发仍是铝/铜连接技术的关键。

以往铝/铜钎焊用的Zn-Al钎料，多用于高温焊接工艺、高温工作下的元器件焊接等，其熔点偏高，特别是和铝合金母材熔点相差不大，加工性差，应力松弛能力较差，且容易氧化而导致润湿性不佳。因此铝合金/铜钎焊用Zn-Al系钎料，仍有待从多方面进一步改善。开发研制熔点更偏低、润湿性良好、钎料自身强度塑韧性能更好的Zn-Al基钎料已迫在眉睫，这对钎焊铝合金/铜金属结构，加快“以铝代铜”技术的发展，具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

为解决现有铝/铜钎焊用的Zn-Al钎料存在的熔点高、润湿性、塑韧性差的问题，本发明提供了一种铜/铝合金钎焊用钎料及其制备方法，该钎焊用钎料具有更好的润湿性和力学性能，而且熔点也有所降低，可以很好的解决铜与铝合金之间钎焊性差的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铜/铝合金钎焊用钎料，由基料和添加成分制成，按照重量百分数，所述基料由80.5-82%的Zn、10-12%的Al、4-6%的Cu和2-4%的Sn组成，所述添加成分为0.5-1.5%的Sb元素。

优选的，按照重量百分数，所述钎料由80.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu、3%的Sn和1.5%的Sb组成。

上述铜/铝合金钎焊用钎料的制备方法，包括以下步骤：

1）按照所述的比例分别称取各物料，然后将Zn和Al混合后在其表面覆盖一层助剂，该助剂为NaCl、KCl和碎玻璃渣按照重量比为1：1：2-3的比例混合而成；

2）将覆盖有助剂的Zn和Al混合物加热至450℃，待Zn和Al完全熔化后，继续升温至700℃向其中加入称量好的其余物料并搅拌均匀，而后继续升温至800℃，待物料完全融化后，继续保温15min，自然冷却后即得到产品。

本发明是通过以下方法来探究并确定本发明最优的技术方案：

本发明先确定制备Zn-10Al-zCu基料，从中选出性能优良的Zn-10Al-5Cu基料，再配制并制备一种Zn-10Al-5Cu-xSn钎料，在保证其润湿性、塑韧性基础上兼顾降低熔点，选出性能良好的Zn-10Al-5Cu-3Sn，确定了Sn的添加量为3%，为改善强度，进一步添加Sb元素制备Zn-10Al-5Cu -3Sn-ySb钎料，以进一步提高钎料的力学性能。

具体工艺操作如下：

首先，在第一轮制备的Zn-10Al-zCu钎料中筛选出Zn-10Al-5Cu钎料作为基体钎料，进一步制备Zn-10Al-5Cu-xSn钎料，然后选择润湿性和熔点适当的Sn元素含量大约在3%的Zn-10Al-5Cu -3Sn，将此钎料含量成分作为第二轮改善钎料基体；

其次，再以变量法确定最适宜的Sb元素的添加量，制备一系列Zn-10Al-5Cu-ySn钎料，选出性能良好的Zn-10Al-5Cu-1.5Sb钎料，此次确定了Sb的添加量为1.5%，最后制备Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料。各元素配比是按重量百分比秤取各元素相应重量制备Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料，具体工艺如下：

1、Zn-10Al- zCu基体的制备：

原料为：锌Zn: 余量%，纯铝Al: 10.0%，铜Cu: 3-7.0%；其合金熔点在400～430℃之间，将上述原料锌粒、剪成小片状的铝片、铜粉按成分比例配好，备用；各元素配方及添加量见附图1。为了防止钎料在熔炼过程中氧化，需同时各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔炼时置于原材料上面在熔炼时起到除气和保护作用。

预热真空加热炉不抽真空，设置温度850℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加NaCl或KCl重量2-3倍的碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu粉倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。等真空加热炉温度升高到850℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu基体钎料合金。

选出铜添加量为5%的Zn-10Al-5Cu作为本次钎料改善的基体钎料。

其次的Zn-10Al-3Cu-xSn Ⅱ₁钎料的改善工艺如下

2、配制原料：原料为：锌Zn: 余量%，纯铝Al: 10.0%，铜Cu: 5.0%；锡Sn:1.0-4.0%; 其合金熔点在395～385℃左右，将上述原料锌粒、剪成小片状的铝片、铜粉、锡粉粒按成分比例配好，备用；各元素配方及添加量见附图2。为了防止钎料在熔炼过程中氧化，需同时各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔炼时置于原材料上面在熔炼时起到除气和保护作用。

Zn-10Al-5Cu-xSn钎料制备工艺：预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu粉、Sn粉粒倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-xSn钎料合金。

选出锡添加量为3%的Zn-10Al-5Cu-3Sn作为本次钎料改善的Ⅱ₁基体钎料。

之后的Zn-10Al-3Cu-ySb Ⅱ₂钎料的改善工艺如下

3、配制原料：原料为：锌Zn: 余量%，纯铝Al: 10.0%，铜Cu: 5.0%；锑

Sb:0.5-1.5%; 其合金熔点在420～440℃左右，将上述原料锌粒、剪成小片状的铝片、铜粉、锑粉粒按成分比例配好，备用；各元素配方及添加量见附图3。为了防止钎料在熔炼过程中氧化，需同时各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔炼时置于原材料上面在熔炼时起到除气和保护作用。

Zn-10Al-5Cu-ySb钎料制备工艺：预热真空加热炉不抽真空，设置温度850℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu粉、Sb粉粒倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。等真空加热炉温度升高到850℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-ySb钎料合金。

选出锑添加量为1.5%的Zn-10Al-5Cu-1.5Sb作为本次钎料改善的Ⅱ₂基体钎料。

最后的Zn-10Al-5Cu-3Sn-ySb钎料的制备工艺如下

4、配制原料：原料为：锌Zn: 余量%，纯铝Al: 10.0%，铜Cu: 5.0%；锡

Sn:3.0%，锑Sb：0.5-1.5%；其合金熔点在430～410℃之间，将上述原料锌粒、剪成小片状的铝片、铜粉、锑粉粒、锡粉粒，按成分比例配好，备用；各元素配方及添加量见附图3。为了防止钎料在熔炼过程中氧化，需同时各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)，熔炼时置于原材料上面在熔炼时起到除气和保护作用。

Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料制备工艺：预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu粉、Sn粉粒及Sb粉粒倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到Zn-10Al-5Cu-3Sn-ySb钎料合金。

选出Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料合金作为本次改善后的钎料合金。

本发明制备的Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb棒状钎料，直径大约10mm左右。

有益效果：本发明与现有的锌铝合金钎料相比，具有以下优点：

（1）通过向Zn-10Al-5Cu钎料中添加Sn和Sb元素，改善了润湿性，缩短了对铜的润湿时间，使铝合金与铜之间的钎焊成为可能；

（2）先配制由Zn、Al和Cu组成的基料，之后再向基料中加入Sn选出基料Ⅱ₁的添加成分，然后再向基料中加入Sb选出基料Ⅱ₂的添加成分，最后研制Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料，不仅使整个制备工艺过程简单化，而且还可先筛选工艺性能、力学性能良好的Zn-10Al-5Cu-xSn基料Ⅱ₁和Zn-10Al-5Cu-ySb基料Ⅱ₂，在此基础上再制备Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料，这样可提高效率，降低成本；

（3）实验结果表明，本发明所得产物，其润湿性和力学性能均较现有的普通钎料优良，钎料熔点有所降低，经过钎焊试验获得良好的铜/铝合金钎焊接头，可以解决铝合金与铜之间钎焊性差的问题。

本发明所开发的钎料达到的技术指标：

1. 添加Sb、Sn元素后，Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb钎料合金的铺展面积与Zn-10Al-5Cu-xSb相比有了明显增加且熔点有所降低，钎料的润湿性能有了一定的改善，最大铺展面积可达167.6mm²；较Zn-10Al-5Cu基体提高了15% (如附图4和附图5所示)；

2. 添加Sb元素后，Zn-10Al-5Cu-xSb钎料自身抗拉强度呈先略降低后增加的趋势，并在Sb元素添加量为1.5%时强度可达225.5MPa (如附图6所示)，满足铜/铝合金钎焊要求；

3. Zn-10Al-5Cu-3Sn-1.5Sb钎料合金的密度随Sb添加量的增加趋势稳定基本不变化(如附图7所示)，表明在钎料用量上，基本没什么变化。

附图说明

图1为Zn-10Al- zCu基体钎料合金中各元素的添加量表；

图2为Ⅱ₁基体钎料合金中各元素的添加量表；

图3为Ⅱ₂基体钎料合金中各元素的添加量表；

图4为Zn-10Al-5Cu-xSb和Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb钎料的铺展面积对比图；

图5为Zn-10Al-5Cu-xSb和Zn-10Al-5Cu-3Sn-xSb钎料的熔点对比图；

图6为Sb元素添加量与钎料抗拉强度的关系图；

图7为Sb元素添加量与钎料密度的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述。以下实施例中，基料中所用的Zn、Al、Cu、Sb和Sn均采用单质形态，所涉及的比例均为重量百分比。

实施例1

按照81.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例选取单质Zn、Al、Cu、和Sn以组成基料，然后按照0.5%的比例称取Sb，同时需各称量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加10g碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。

等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到本产品。

实施例2

按照80.5-82%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例选取单质Zn、Al、Cu、和Sn以组成基料，然后按照1.0%的比例称取Sb，同时需各称量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加15g碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。

等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到本产品。

实施例3

按照80.5-82%的Zn、10%的Al、5%的Cu和3%的Sn的比例选取单质Zn、Al、Cu、和Sn以组成基料，然后按照1.5%的比例称取Sb，同时需各称量5g的NaCl和KCl (比例1:1)；预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。

等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到本产品。

实施例4

按照80.5%的Zn、10%的Al、5%的Cu和4%的Sn的比例选取单质Zn、Al、Cu、和Sn以组成基料，然后按照0.5%的比例称取Sb，同时需各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)；预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃，便于吸渣。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。

等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到本产品。

实施例5

按照80.5%的Zn、10%的Al、6%的Cu和3%的Sn的比例选取单质Zn、Al、Cu、和Sn以组成基料，然后按照0.5%的比例称取Sb，同时需各称量5g左右的NaCl和KCl (比例1:1)；预热真空加热炉不抽真空，设置温度800℃，使其慢慢升温；将上述按成分比例配好的原料锌粒、铝片放入坩埚中，上面覆盖NaCl和KCl，同时在NaCl和KCl上面添加12.5g碎玻璃，便于吸渣。

在炉温升至450℃左右时把装有Zn、Al及NaCl、KCl和碎玻璃的坩埚放入真空炉内加热，使其熔化，加热至700℃时打开炉门，用坩埚钳将坩埚夹至炉膛门口，迅速将称量好的微量元素Cu、Sb及Sn倒入装有Zn、Al的坩埚并不断搅拌均匀后，放入加热炉中再次熔炼，以保证所研制合金钎料成分的均匀。

等真空加热炉温度升高到800℃，保温15分钟，把盛有熔化钎料的坩埚从真空炉中取出，将钎料溶液倒入从另一电阻炉中取出的预热好的模具中，即可得到本产品。