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
技術領域：
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-鋁結構件的釬焊，屬于金屬材料類的焊接材料。背景技術：
目前，在家電行業、制冷行業、五金行業，由于銅的使用量巨大，電解銅價格的上揚，使得家電行業電冰箱、空調器行業零部件、整機制造廠商“以鋁代銅”的需求隨著家電行業“產能過剩”的加劇和“產品價格戰”的不斷升級，越來越迫切。此外，在許多行業，采用3系(如 3003鋁合金)、6系(如6061鋁合金)高強鋁合金，制造全鋁結構零部件，以替代銅質結構，也是全世界制造業的發展方向。但是，高強鋁合金的焊接難題越來越多，迫切需要研發新的焊接材料去解決。由于鋁的熱交換效果與銅非常接近，高強鋁合金的加工性能、加工能力都有了很大的改進，所以鋁替代銅應用的領域越來越廣泛。近年來，在國內外家用空調、冷柜、汽車空調、汽車散熱器的發展過程中，許多成功的經驗、失敗的教訓，對高強度鋁合金焊接的困難和需求，已經引起了相關領域技術人員與企業家的重視。汽車空調系統運行條件遠比家用空調惡劣，在汽車空調中，高效緊湊的換熱器(平行流式，層疊式)的采用；汽車空調系統中從壓縮機、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、采用的新型鋁合金的焊接問題，同時也成了制約新型鋁合金材料、新型鋁合金結構應用的“關鍵技術”之一。此外，在大量使用鋁合金的熱交換器的“管-管連接”時，由于工作時，管路內部的制冷劑是在“有壓力”的情況下發生“汽-液轉換”的，因此，對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系高強鋁合金的熔點非常接近，釬焊非常困難。Si-Al釬料雖然其熔點可低至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，實驗室的“泄漏率” 就高達16%，根本無法滿足熱交換器生產廠每天幾十萬個釬焊接頭的大規模生產要求。本項發明具有高氣密性的中溫鋁釬料，即是在這種技術背景下完成的。
發明內容
本項發明的目的是提供一種熔點在480°C飛20°C左右、在高強度鋁合金表面以及在銅-鋁合金上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能良好、釬縫氣密性好，可以適用于多種牌號鋁合金鋁-鋁管路結構件的焊接的新型中溫鋁釬料。為此，本項發明的一種含Sr、Si、Ti、Ni、P的Si-Al釬料，其化學成分按質量百分數是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、工業硅、 鋁鍶合金、鎳磷合金，采用常規冶煉方式按設計成分配比，冶煉時加入經優化篩選確定的“覆蓋劑”或采用“惰性氣體”保護冶煉、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”。本發明產品可配合市售CsF-AlF3釬劑或KF-AlF3釬劑，可用于多種牌號鋁合金鋁-鋁結構件的釬焊。為了達到改進現有Si-Al合金釬料雖然熔點較低熔化溫度區間一般為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，但是熔點較高(固相線溫度577°C，液相線溫度在600°C以上)的難題，經過大量“篩選試驗”，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，從而將新發明的釬料熔化溫度區間控制在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，提高新發明釬料的氣密性。經過“成分優化”和試驗分析，確定了“具有高氣密性的中溫鋁釬料”的最佳質量百分數配比。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003 鋁合金管-管結構(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。四

圖1釬縫水壓試驗對比數據。五、具體實施方案
本項發明主要解決了以下關鍵性問題
1)已有研究表明雖然&1-A1合金的熔點低(一般在380°C 420°C，個別的熔點可以達到450°C 460°C )，但是其“氣密性”差，“鋁管-鋁管”釬焊連接時，釬縫泄漏率較高，無法在熱交換器行業應用。因此，利用Sr、Si、Ti、Ni、P多元微量元素的“微合金化”作用，提高了新發明釬料的氣密性。2)經過15組約150個合金配方試驗研究發現，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，還具有改善Si-Al合金的在高強度鋁合金表面的潤濕性、滲透性的作用。同時，通過優化Sr、Si、Ti、Ni、P元素的含量范圍，將新發明的釬料的熔化溫度區間控制在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”(此中溫相對于4047的熔點577°C 600°C而言)，可以很容易地實現“鋁管-鋁管”的釬焊連接而沒有鋁合金構件“過燒”、“塌陷”的危險。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003鋁合金管-管結構(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。與以往研究相比，本發明的創造性在于 一、發現了 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》舊版國家標準中，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，但是已經不再注明是“抗氧化錫鉛焊料”了。而且人們發現， 單純只加P即可，不必同時添加等量的( 元素了。但是，在本發明中，經過試驗發現、驗證了 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、試驗驗證并優選了 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中，Sr、Si、Ti、Ni、P的添加范圍一般都很寬泛。本研究發現，具有良好“氣密性”、良好釬焊性能(如釬料潤濕性、滲透性、釬縫力學性能) 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)，但是在本發明中，P的加入量必須控制在0. ΟΟΟΡ/ΓΟ. 001%范圍。大量的試驗發現，在Si-Al基合金中，當加入Sr、Si、Ti、Ni等元素后，再加入微量的P，即加入0. 00019Γ0. 001%的P，對提高Si-Al-Sr-Si-Ti-Ni-P釬料的釬縫氣密性作用很大。本實驗室的試驗數據表明，加入P元素后，釬縫的泄漏率由不加P的十萬分之六下降到了加P的十萬分之二，平均釬焊1000組100個通道的熱交換器，只有二個焊點需要補焊，泄漏率降低了 66. 7% (參見表1)。三、研究發現了變質元素Sr與Si、Ti、Ni、P的“協同效應”。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，已有大量的文獻報道。不過，Si含量高達36.09Γ65.0%的本發明釬料，顯然與Al-Si 合金的性質有顯著差別，采用已有文獻報道的方法和元素“變質處理”效果很差。因此，本發明在試驗、研究過程中，發現了在添加Sr與Si、Ti的基礎上，再添加Ni、P元素，即在有Ni、 P元素與Sr與Si、Ti共存時，具有顯著的提高氣密性的效果，而且對釬料潤濕性、滲透性、 釬縫力學性能沒有“負面”影響。通過采用“序貫實驗設計”方法對Sr、Si、Ti、Ni、P進行進一步的“優選”，得到了本權利要求1的成分范圍。采用氧-丙烷火焰釬焊方式釬焊3003 鋁合金管-管結構(套接)，使用“藥芯焊絲”或絲狀釬料配合CsF-AlF3釬劑，釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏。釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。根據本發明的“具有高氣密性的中溫鋁釬料”的質量配方比，結合表1，敘述本發明的具體實施方式
如下。實施例一
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學成分按質量百分數是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系高強度鋁合金表面上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能優良， 氣密性優良。釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實施例二
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學成分按質量百分數是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系高強度鋁合金表面上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能優良， 氣密性優良。釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實施例三
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學成分按質量百分數是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系高強度鋁合金表面上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能優良， 氣密性優良。釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實施例四
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學成分按質量百分數是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系高強度鋁合金表面上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能優良， 氣密性優良。釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。實施例五
一種具有高氣密性的中溫鋁釬料，其化學成分按質量百分數是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系高強度鋁合金表面上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能優良， 氣密性優良。釬焊接頭經水壓試驗(水壓為18MPa、保壓30分鐘)，釬縫無泄漏，釬焊接頭在水壓試驗中最大承受壓力可達到21 MPa (在鋁管部位開裂)。
權利要求
1. 一種含Sr、Si、Ti、Ni、P的高氣密性的中溫Si-Al釬料，其化學成分按質量百分數是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。其化學成分按質量百分數是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。本發明的釬料熔點在480℃~520℃左右、在高強度鋁合金表面以及在銅-鋁合金上潤濕性、滲透性優良、釬縫的力學性能良好、釬縫氣密性好，可以適用于多種牌號鋁合金鋁-鋁管路結構件的焊接的新型中溫鋁釬料。
文檔編號B23K35/28GK102513722SQ20121000464
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者薛松柏, 薛鵬 申請人:南京航空航天大學