[发明专利]一种用于铝铜软钎焊的Sn-Zn基无铅钎料合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于铝铜软钎焊的Sn-Zn基无铅钎料合金及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

铜具有良好的导电性、导热性、塑性加工性能、钎焊性及耐蚀性；因此，在电的传输、热量交换和生活用品等领域中获得了广泛的应用，特别是制冷行业空调与冰箱都是采用铜管作为制冷管路系统的材料。然而，随着铜的资源短缺，铜的价格近年来一直居高不下，而且还在持续的攀升。这促使人们开始寻找铜的替代品来降低成本。因为铝价格相对较低且具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性和易加工性能，在很多原来使用铜的场合完全能够满足使用性能上的要求，而且会使其产品成本大大降低。制冷行业是用铜量比较大的行业，铜价上涨与铜资源的枯竭影响到整个行业的竞争力，用铝替代铜不仅可以大大降低制冷产品的成本，而且不降低冰箱的性能，因此近年来国内外冰箱管路系统中的蒸发器等部件采用铝管制造已成为趋势。

但是，就目前来看，要获得低成本、高性能，同时制造方便的铝铜接头在技术上还是有一定的难度。这是由于：1. 熔点相差大：纯铝的熔点为660℃，纯铜的熔点为1085℃。由于铝和铜的熔点相差很大（425℃），难以同时熔融。2. 易氧化：在空气中铝表面易形成一层致密的Al₂O₃氧化膜，焊接时阻碍铝和铜的结合，给焊接带来了困难。3. 易产生裂纹：在焊接时生成共晶体Al-Al₂Cu，使焊缝变脆，同时铝的膨胀系数比铜的膨胀系数大约0.5倍，容易导致焊缝产生裂纹。4. 易腐蚀：铝和铜之间的电极电位差为1.997V，易导致电化学腐蚀（铝的标准电极电位为?1.66V，铜的标准电极电位为0.337V）。5. 易形成气孔：高温时液态的铝和铜能够溶解和吸收大量的气体（如氢），冷却时合金溶液中气体的溶解度迅速下降而来不及溢出，并在焊缝中形成气孔。所以要实现铝代替铜，首先要解决的就是铝铜连接的问题。

铜铝之间的现行焊接方式主要有熔化焊、压力焊和钎焊三种方法：铝和铜的熔点相差很大，往往铝熔化了而铜还处于固态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大。铝在焊接过程中强烈氧化，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易产生气孔。铝的热膨胀系数大，而弹性系数小，焊接后变形较大。压力焊是目前铝铜连接主要采用的方法。但其受零件结构形式的限制，在很多场合都不能应用，而且其工艺复杂，生产成本高。钎焊方法成本低、适应性好、可在线生产，是具有较好发展前景的铝铜连接技术；钎焊按钎料熔点的高低又分为硬钎焊和软钎焊。美国焊接学会（AWS）规定钎料液相线温度高于450℃称为硬钎焊，低于450℃称为软钎焊。铝管与铜管连接现行的硬钎焊主要选择铝硅系钎料，例如：Al-12.6wt%Si共晶（共晶温度577℃）或添加第三组元的钎料。通常采用真空加热或自动火焰加热。硬钎焊火焰焊也存在着自身的不足：(1) Al的熔点为660℃，温度控制不好，铝管会部分融化导致管壁变薄，另外高温会加剧接头处的烧蚀，影响接头的性能。尤其对经光亮处理的铜管表面光亮层破坏后很难恢复，严重地影响后续的钎焊质量；对铝管来讲，表面烧蚀更严重，接头的拉伸实验表明，该区域是薄弱的环节，断裂发生在靠近接头的铝管热影响区。(2) 钎焊温度一般在500℃左右，Al、Cu原子扩散比较快，容易形成易熔的脆性Al-CuAl₂共晶化合物，导致接头强度降低。(3) 一般使用腐蚀性强的钎剂去除铝的氧化膜，钎剂的残渣具有强烈的腐蚀性，腐蚀管壁且难于清理。(4) 在生产调试机器的过程中钎焊后的接头不能方便的拆卸，对于对接头的返修和二次焊接过程中火焰焊的技术要求较高，很难达到高质量的钎焊要求。软钎焊的方法适应性强、灵活性好，可以根据具体情况选用不同的钎料，得到不同强度及不同工作温度的钎焊接头，适用于各种场合，满足新形势下环境保护对铝铜钎焊用无铅钎料的要求。因此开发出适用于铝铜异种金属软钎焊，可以形成良好接头的无铅钎料是实现铝代替铜的关键。