中温铝钎料的研究现状及发展趋势
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
尽管 Al-Si-Cu 系钎料的熔化温度显著降低，但 Al-Si-Cu 系钎料中的 Al 元素与 Cu 元素容易形成脆 性化合物 CuAl2[5]，钎料脆性增大，加工困难，难以扎 制成带材或拉拔成丝材，限制了这类钎料的使用。 另 外，钎焊接头晶界处形成 CuAl2 化合物，导致晶界周 围形成贫 Cu 区，与晶粒内部处于钝态的 α-Al 相电位 差较大，容易形成局部腐蚀电池，产生晶间腐蚀[6]。 1.2 Al-Si-Zn 系钎料合金
5 Pb-Bi 系铝钎料
Pb-Bi 系合金的共晶成分为 Pb-55.5Bi， 共晶温 度为 124 ℃。 在钎焊温度下(低于 300 ℃)液态钎料与 Al 几乎没有互溶度，亦没有金属间化合物生成。 钎 缝与铝母材的结合力极弱，钎焊接头强度很低[2]。 此 外，无铅钎料是目前的发展趋势，除非特殊情况，此 系钎料不是钎焊工艺的首选。
136
Hot Working Technology 2011 , Vol.40 , No. 19
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
常发生丝状断裂，加工成型较为困难。 采用快冷方 法 可 使 Al-Si-Zn 系 钎 料 合 金 的 组 织 和 加 工 性 能 有 所 改 善[8]，但 生 产 工 艺 较 为 复 杂 ，且 成 本 较 高 。 1.3 Al-Si-Ge 系钎料合金
20 世纪 50 年代， 人们就曾采用氯化物钎剂配 合 Zn-Al 系 钎 料 钎 焊 铝 及 铝 合 金[15]，但 由 于 氯 化 物 钎剂在钎焊后留下的腐蚀性残渣不易清洗或难以完 全清除， 钎焊接头腐蚀问题难以解决， 因此，Zn-Al 钎料的应用一直受到限制。 20 世纪 80 年代，随着氟 化物钎剂的出现和不断改进，NOCOLOK 钎焊 技术 在工业上开始得到广泛应用。 21 世纪初， 随着 NOCOLOK 钎剂的“衍生物”钎剂— ——CsF-AlF3 钎剂的出 现，采用 CsF-AlF3 钎剂配合 Zn-Al 钎料钎焊铝及铝合 金，氟化物钎剂能够有效去除铝合金表面氧化膜[16-17]， 且钎焊接头腐蚀性问题得到了极大改善。 特别是近 年来，美国、韩国、德国等国外公司相继推出了铝合 金 钎 焊 用 的 Zn-Al“药 芯 钎 料 ”产 品 ，显 示 Zn-Al 钎 料在铝及铝合金钎焊领域将具有美好的应用前景。
ZHANG Man1,2,3, LU Jianqiang1, XU Hongbin1, JIANG Hailin1
(1.Department of Mechanical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China; 2.College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 3.Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventional Medical Devices, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China)
7 结束语
新型中温铝钎料的研究将会给铝及铝合金钎焊 带来革命性的影响，Al-Si 系钎料通过合金化方法降 低其熔点的效果并不显著，且容易导致钎料变脆，加 工性能恶化。 Sn-Pb、Cd-Zn 系钎料由于存在剧毒物
《热加工工艺》 2011 年第 40 卷第 19 期
137
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
1 Al-Si 系钎料的合金化
通过合金化的方法， 向 Al-Si 钎料中添加 Cu、 Zn、Ge、Ni 等元素，可以降低其熔化温度。 1.1 Al-Si-Cu 系钎料合金
在 Al-Si 合 金 中 加 入 Cu 元 素 形 成 的 Al-Si-Cu
收 稿 日 期 :2011-04-17 基金项目:科技部科技人员服务企 业 行 动 项 目(2009GJC20040)；江 苏
摘 要： 介绍了目前国内外中 温 铝 钎 焊 研 究 较 多 的 几 类 钎 料 合 金 ， 包 括 Al-Si 系 、Sn-Zn 系 、Sn-Pb 系 、Cd-Zn 系 、
Pb-Bi 系、Zn-Al 系等的研究现状，并进行了综合对比分析，认为 Zn-Al 系合金作为中温铝钎料将具有美好的应用前景。
Abstract：The brazing filler metals for brazing Al-alloy at middle temperature are summarized, including Al-Si alloy, Sn-Zn alloy, Sn-Pb alloy, Cd-Zn alloy, Pb-Bi alloy and Zn-Al alloy. Through the comprehensive analysis and comparison of every brazing alloy, it can be found that Zn-Al alloy can be perfectly used as the brazing filler metals for brazing Al-alloy at middle temperature.
Al-Si-Zn 系 钎 料 的 熔 点 较 低 ，Al-4.2Si-40Zn 钎 料的熔点为 535 ℃[7]，Al-2.2Si-61.4Zn 钎料熔点可降 至 490 ℃， 与氟化物钎剂 配合钎焊温 度较为理想 。 Al-Si-Zn 系钎料 润 湿 性 佳 、流 动 性 好 ，加 入 少 量 Cu 可减少与母材的色差， 加入少量 Mg 可提高抗腐蚀 性[2]。 但此类钎料熔炼过程中易产生 Si 的偏析，组织 上的不均匀导致钎料塑性降低， 在焊丝拉拔过程中
6 Zn-Al 系铝钎料
Zn-Al 二元合金的共晶成分为 Zn-5Al， 共晶温 度为 382 ℃。通过调整 Al 元素的含量，Zn-Al 钎料熔 点可控制在 382～500 ℃左右， 显著低于铝材熔点， 与现有大量使用的 Al-Si 钎料相比， 钎焊过程易于 控制， 母材不易过烧， 且 Zn-Al 钎料具有优良的塑 性，容易加工成型。
关键词：铝合金； 中温钎焊； 钎料
中 图 分 类 号 ：TG425
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2011wenku.baidu.com19-0136-03
Research Status and Developing Trend of Filler Metals for Brazing Al-alloy at Middle Temperature
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2011 年 10 月
中温铝钎料的研究现状及发展趋势
张 满 ， 1,2,3 吕建强 1， 徐鸿宾 1， 姜海林 1 (1.淮阴工学院 机械工程学院， 江苏 淮安 223003； 2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016; 3. 淮阴工学院 江苏省介入医疗器械研究重点实验室， 江苏 淮安 223003)
Key words：Al-alloy; braze at the middle temperature; brazing filler metals
由于铝及铝合金力学性能良好， 成型性能优异 且耐腐蚀性能较好而广泛应用在航空航天、机械、电 力、制冷[1]等行 业。 铝及铝合 金钎焊通常 采用 Al-Si 钎 料 ， 如 4047 (Al-12Si)， 此 类 钎 料 润 湿 性 好 、 强 度 高，缺点是熔点高，钎焊温度接近铝材熔点，钎焊时 必须严格而精确地控制加热温度， 否则将导致母材 过烧甚至熔化。 因此， 诸多行业中铝及铝合金钎焊 产品合格率低、生产效率不高，已成为铝及铝合金应用 和推广的 “瓶颈”， 迫切需要性能优良的中温(400~ 500℃)铝钎料[2]来解决此类问题。 本文重点对目前国 内外研究较多的几类中温铝钎料进行介绍及讨论。
4 Sn-Pb 系铝钎料
Sn-Pb 系钎料熔点较低，近共晶成分 60Sn-40Pb 的熔点为 183 ℃，钎焊过程对母材性能的影响较小。 在 LD31 铝 合 金 表 面 电 刷 镀 镍 过 渡 层 及 铜 改 性 层 后，可采用 Sn-Pb 钎料实现连接，但接头强度较 低，
只有 20 MPa[14]。 Sn-Pb 钎料由于钎料与母材成分差 别大，且 Sn 和 Pb 对 Al 的互溶度都极低，亦没有化 合物生成，与 Al 的结合很弱。同时，铝与钎料中的铅 与锡电极电位差很大，易形成电化学腐蚀，因此难以 实现可靠连接。 另外，铅及含铅化合物属有毒物质，容 易对环境及人体健康产生危害，应尽量减少其使用。
2 Cd-Zn 系铝钎料
Cd-Zn 系 钎 料 属 于 镉 基 钎 料 ， 共 晶 成 分 为 Cd-17.5Zn，共晶温度为 265 ℃。 该系共晶钎料钎焊 温度不超过 300 ℃，可以配合有机钎剂使用，与使用 无机反应型钎剂相比，腐蚀性得到显著改善，且钎焊 工艺及接头强度均属上乘[2]。 但镉属于有毒元素，欧 盟颁布的 WEEE 和 RoHS 指令，明令禁止含镉的材 料用于家电等领域， 并于 2006 年 7 月 1 日起实施。 另外，由于镉的色泽较深，钎焊后母材与钎缝之间色 差较大，影响产品美观。
在 Al-Si 合 金 中 加 入 Ge 元 素 可 以 降 低 钎 料 熔 点，但当 Ge 元素含量较低时，对钎料熔化温度的降 低作用不大[9]。Al-Ge-Si 系钎料的液相线温度可以控 制在 425～500 ℃，熔化温度较为理想。 Kayamoto 等 人[10]研 发 的 Al-Ge-Si-Mg 钎 料 熔 化 温 度 较 低 ，但 锗 的含量较高，钎料成本显著增加。 另外，Al-Ge-Si 系 钎料脆性极大，落地便碎，钎焊时需采取特殊措施保 证钎焊质量。
3 Sn-Zn 系铝钎料
Sn-Zn 系 共 晶 钎 料 为 Sn 基 钎 料 ， 共 晶 成 分 为 Sn-9Zn， 共晶温度为 198 ℃。 钎焊过程中钎料中的 Zn 不但与 Al 固溶结合，还从 Al 侧长出无数刺状固 溶体晶须插入钎缝形成牢固结合， 钎焊接头强度较 高，拉伸试验试样断于母材处[11]。 虽然 Sn-Zn 系钎料 钎焊接头强度很高，但 Sn-Zn 系钎料接头耐蚀性差， 接头在自来水中浸泡，室温下 3～4 个星期便腐蚀断 开[2]，添加 Ag 元素可以使钎焊接头的抗腐蚀性略有 提高，但作用不明显[12]。 钱乙余等人[13]认为含 Ag 元 素钎料钎焊时与铝基板界面形成 Ag-Al 化合物是钎 焊接头抗腐蚀性提高的主要原因。
省 淮 阴 工 学 院 青 年 科 研 基 金 项 目 (HGC1017) 作者简介:张满(1980- )，男，吉林蛟河人，讲师，博士研究生；
电话：15996169552： Email：zhangmansky@163.com
系钎料合金，熔点有所降低，其三元共晶成分为 Al5.5Si-28Cu，共晶温度为 525℃。 正交试验表明，合金元 素对铝硅钎料熔点影响的主次顺序为 Cu、Si、Ni，随着 Cu 元素、Si 元素含量的增加， 钎料熔点大大降低，Ni 含量对钎料熔点影响较小[3]。 Humpston 等人[4]研制的 Al-5Si-20Cu-2Ni 钎 料 熔 化 温 度 在 518～538 ℃范 围 内，钎焊 3001 铝合金接头强度可达到 75MPa 以上。
2011 年 10 月
质 Pb、 Cd 元素而被限制使用，且 Sn-Pb 系钎料钎焊 接头容易产 生电化学腐 蚀，Cd-Zn 系钎料 与母材 色 差较大，影响产品美观。 Sn-Zn 系钎料虽然接头强度 较高，但钎焊接头的抗腐蚀性能差，难以实现可靠连 接。 Pb-Bi 系钎料钎焊接头强度极低，一般不考虑应 用。 Zn-Al 系钎料熔点适中，且钎焊性能良好，作为 中温铝钎料钎焊铝及铝合金具有美好的应用前景。
5 Pb-Bi 系铝钎料
Pb-Bi 系合金的共晶成分为 Pb-55.5Bi， 共晶温 度为 124 ℃。 在钎焊温度下(低于 300 ℃)液态钎料与 Al 几乎没有互溶度，亦没有金属间化合物生成。 钎 缝与铝母材的结合力极弱，钎焊接头强度很低[2]。 此 外，无铅钎料是目前的发展趋势，除非特殊情况，此 系钎料不是钎焊工艺的首选。
136
Hot Working Technology 2011 , Vol.40 , No. 19
上半月出版
Casting·Forging·Welding 金属铸锻焊技术
常发生丝状断裂，加工成型较为困难。 采用快冷方 法 可 使 Al-Si-Zn 系 钎 料 合 金 的 组 织 和 加 工 性 能 有 所 改 善[8]，但 生 产 工 艺 较 为 复 杂 ，且 成 本 较 高 。 1.3 Al-Si-Ge 系钎料合金
20 世纪 50 年代， 人们就曾采用氯化物钎剂配 合 Zn-Al 系 钎 料 钎 焊 铝 及 铝 合 金[15]，但 由 于 氯 化 物 钎剂在钎焊后留下的腐蚀性残渣不易清洗或难以完 全清除， 钎焊接头腐蚀问题难以解决， 因此，Zn-Al 钎料的应用一直受到限制。 20 世纪 80 年代，随着氟 化物钎剂的出现和不断改进，NOCOLOK 钎焊 技术 在工业上开始得到广泛应用。 21 世纪初， 随着 NOCOLOK 钎剂的“衍生物”钎剂— ——CsF-AlF3 钎剂的出 现，采用 CsF-AlF3 钎剂配合 Zn-Al 钎料钎焊铝及铝合 金，氟化物钎剂能够有效去除铝合金表面氧化膜[16-17]， 且钎焊接头腐蚀性问题得到了极大改善。 特别是近 年来，美国、韩国、德国等国外公司相继推出了铝合 金 钎 焊 用 的 Zn-Al“药 芯 钎 料 ”产 品 ，显 示 Zn-Al 钎 料在铝及铝合金钎焊领域将具有美好的应用前景。
ZHANG Man1,2,3, LU Jianqiang1, XU Hongbin1, JIANG Hailin1
(1.Department of Mechanical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China; 2.College of Materials Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 3.Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventional Medical Devices, Huaiyin Institute of Technology, Huaian 223003, China)
7 结束语
新型中温铝钎料的研究将会给铝及铝合金钎焊 带来革命性的影响，Al-Si 系钎料通过合金化方法降 低其熔点的效果并不显著，且容易导致钎料变脆，加 工性能恶化。 Sn-Pb、Cd-Zn 系钎料由于存在剧毒物
《热加工工艺》 2011 年第 40 卷第 19 期
137
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
1 Al-Si 系钎料的合金化
通过合金化的方法， 向 Al-Si 钎料中添加 Cu、 Zn、Ge、Ni 等元素，可以降低其熔化温度。 1.1 Al-Si-Cu 系钎料合金
在 Al-Si 合 金 中 加 入 Cu 元 素 形 成 的 Al-Si-Cu
收 稿 日 期 :2011-04-17 基金项目:科技部科技人员服务企 业 行 动 项 目(2009GJC20040)；江 苏
摘 要： 介绍了目前国内外中 温 铝 钎 焊 研 究 较 多 的 几 类 钎 料 合 金 ， 包 括 Al-Si 系 、Sn-Zn 系 、Sn-Pb 系 、Cd-Zn 系 、
Pb-Bi 系、Zn-Al 系等的研究现状，并进行了综合对比分析，认为 Zn-Al 系合金作为中温铝钎料将具有美好的应用前景。
Abstract：The brazing filler metals for brazing Al-alloy at middle temperature are summarized, including Al-Si alloy, Sn-Zn alloy, Sn-Pb alloy, Cd-Zn alloy, Pb-Bi alloy and Zn-Al alloy. Through the comprehensive analysis and comparison of every brazing alloy, it can be found that Zn-Al alloy can be perfectly used as the brazing filler metals for brazing Al-alloy at middle temperature.
Al-Si-Zn 系 钎 料 的 熔 点 较 低 ，Al-4.2Si-40Zn 钎 料的熔点为 535 ℃[7]，Al-2.2Si-61.4Zn 钎料熔点可降 至 490 ℃， 与氟化物钎剂 配合钎焊温 度较为理想 。 Al-Si-Zn 系钎料 润 湿 性 佳 、流 动 性 好 ，加 入 少 量 Cu 可减少与母材的色差， 加入少量 Mg 可提高抗腐蚀 性[2]。 但此类钎料熔炼过程中易产生 Si 的偏析，组织 上的不均匀导致钎料塑性降低， 在焊丝拉拔过程中
6 Zn-Al 系铝钎料
Zn-Al 二元合金的共晶成分为 Zn-5Al， 共晶温 度为 382 ℃。通过调整 Al 元素的含量，Zn-Al 钎料熔 点可控制在 382～500 ℃左右， 显著低于铝材熔点， 与现有大量使用的 Al-Si 钎料相比， 钎焊过程易于 控制， 母材不易过烧， 且 Zn-Al 钎料具有优良的塑 性，容易加工成型。
关键词：铝合金； 中温钎焊； 钎料
中 图 分 类 号 ：TG425
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2011wenku.baidu.com19-0136-03
Research Status and Developing Trend of Filler Metals for Brazing Al-alloy at Middle Temperature
金属铸锻焊技术 Casting·Forging·Welding
2011 年 10 月
中温铝钎料的研究现状及发展趋势
张 满 ， 1,2,3 吕建强 1， 徐鸿宾 1， 姜海林 1 (1.淮阴工学院 机械工程学院， 江苏 淮安 223003； 2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016; 3. 淮阴工学院 江苏省介入医疗器械研究重点实验室， 江苏 淮安 223003)
Key words：Al-alloy; braze at the middle temperature; brazing filler metals
由于铝及铝合金力学性能良好， 成型性能优异 且耐腐蚀性能较好而广泛应用在航空航天、机械、电 力、制冷[1]等行 业。 铝及铝合 金钎焊通常 采用 Al-Si 钎 料 ， 如 4047 (Al-12Si)， 此 类 钎 料 润 湿 性 好 、 强 度 高，缺点是熔点高，钎焊温度接近铝材熔点，钎焊时 必须严格而精确地控制加热温度， 否则将导致母材 过烧甚至熔化。 因此， 诸多行业中铝及铝合金钎焊 产品合格率低、生产效率不高，已成为铝及铝合金应用 和推广的 “瓶颈”， 迫切需要性能优良的中温(400~ 500℃)铝钎料[2]来解决此类问题。 本文重点对目前国 内外研究较多的几类中温铝钎料进行介绍及讨论。
4 Sn-Pb 系铝钎料
Sn-Pb 系钎料熔点较低，近共晶成分 60Sn-40Pb 的熔点为 183 ℃，钎焊过程对母材性能的影响较小。 在 LD31 铝 合 金 表 面 电 刷 镀 镍 过 渡 层 及 铜 改 性 层 后，可采用 Sn-Pb 钎料实现连接，但接头强度较 低，
只有 20 MPa[14]。 Sn-Pb 钎料由于钎料与母材成分差 别大，且 Sn 和 Pb 对 Al 的互溶度都极低，亦没有化 合物生成，与 Al 的结合很弱。同时，铝与钎料中的铅 与锡电极电位差很大，易形成电化学腐蚀，因此难以 实现可靠连接。 另外，铅及含铅化合物属有毒物质，容 易对环境及人体健康产生危害，应尽量减少其使用。
2 Cd-Zn 系铝钎料
Cd-Zn 系 钎 料 属 于 镉 基 钎 料 ， 共 晶 成 分 为 Cd-17.5Zn，共晶温度为 265 ℃。 该系共晶钎料钎焊 温度不超过 300 ℃，可以配合有机钎剂使用，与使用 无机反应型钎剂相比，腐蚀性得到显著改善，且钎焊 工艺及接头强度均属上乘[2]。 但镉属于有毒元素，欧 盟颁布的 WEEE 和 RoHS 指令，明令禁止含镉的材 料用于家电等领域， 并于 2006 年 7 月 1 日起实施。 另外，由于镉的色泽较深，钎焊后母材与钎缝之间色 差较大，影响产品美观。
在 Al-Si 合 金 中 加 入 Ge 元 素 可 以 降 低 钎 料 熔 点，但当 Ge 元素含量较低时，对钎料熔化温度的降 低作用不大[9]。Al-Ge-Si 系钎料的液相线温度可以控 制在 425～500 ℃，熔化温度较为理想。 Kayamoto 等 人[10]研 发 的 Al-Ge-Si-Mg 钎 料 熔 化 温 度 较 低 ，但 锗 的含量较高，钎料成本显著增加。 另外，Al-Ge-Si 系 钎料脆性极大，落地便碎，钎焊时需采取特殊措施保 证钎焊质量。
3 Sn-Zn 系铝钎料
Sn-Zn 系 共 晶 钎 料 为 Sn 基 钎 料 ， 共 晶 成 分 为 Sn-9Zn， 共晶温度为 198 ℃。 钎焊过程中钎料中的 Zn 不但与 Al 固溶结合，还从 Al 侧长出无数刺状固 溶体晶须插入钎缝形成牢固结合， 钎焊接头强度较 高，拉伸试验试样断于母材处[11]。 虽然 Sn-Zn 系钎料 钎焊接头强度很高，但 Sn-Zn 系钎料接头耐蚀性差， 接头在自来水中浸泡，室温下 3～4 个星期便腐蚀断 开[2]，添加 Ag 元素可以使钎焊接头的抗腐蚀性略有 提高，但作用不明显[12]。 钱乙余等人[13]认为含 Ag 元 素钎料钎焊时与铝基板界面形成 Ag-Al 化合物是钎 焊接头抗腐蚀性提高的主要原因。
省 淮 阴 工 学 院 青 年 科 研 基 金 项 目 (HGC1017) 作者简介:张满(1980- )，男，吉林蛟河人，讲师，博士研究生；
电话：15996169552： Email：zhangmansky@163.com
系钎料合金，熔点有所降低，其三元共晶成分为 Al5.5Si-28Cu，共晶温度为 525℃。 正交试验表明，合金元 素对铝硅钎料熔点影响的主次顺序为 Cu、Si、Ni，随着 Cu 元素、Si 元素含量的增加， 钎料熔点大大降低，Ni 含量对钎料熔点影响较小[3]。 Humpston 等人[4]研制的 Al-5Si-20Cu-2Ni 钎 料 熔 化 温 度 在 518～538 ℃范 围 内，钎焊 3001 铝合金接头强度可达到 75MPa 以上。
2011 年 10 月
质 Pb、 Cd 元素而被限制使用，且 Sn-Pb 系钎料钎焊 接头容易产 生电化学腐 蚀，Cd-Zn 系钎料 与母材 色 差较大，影响产品美观。 Sn-Zn 系钎料虽然接头强度 较高，但钎焊接头的抗腐蚀性能差，难以实现可靠连 接。 Pb-Bi 系钎料钎焊接头强度极低，一般不考虑应 用。 Zn-Al 系钎料熔点适中，且钎焊性能良好，作为 中温铝钎料钎焊铝及铝合金具有美好的应用前景。