鋁釬焊用鋅基合金釬料的制備及釬焊接頭的組織和抗剪強(qiáng)度

馬志鵬，閆久春，張旭昀，郭光偉

（1.東北石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系，大慶163318；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱150001）

0 引 言

釬焊作為鋁合金連接的重要方法，具有釬焊件變形小、尺寸精度高等優(yōu)點，近年來在我國得到了廣泛應(yīng)用，但由于鋁合金及其復(fù)合材料的表面氧化膜致密、穩(wěn)定，導(dǎo)致釬焊性能較差［1］。目前，用于鋁合金及其復(fù)合材料的釬料主要有錫基、鋅基和鋁基釬料［2］。其中，錫基釬料的主要優(yōu)點是釬焊工藝性好，但強(qiáng)度較低，耐蝕性較差，力學(xué)性能不佳；并且錫與鋁的互溶度較小，潤濕性差，釬焊過程中常需輔以釬劑或外加能量場用以去除鋁合金表面的氧化膜。有些釬料為了控制熔點，會添加有毒性元素鎘，造成環(huán)境污染，并危害操作人員健康。鋁基釬料的優(yōu)點是釬焊性、母材色澤一致性、鍍覆性和耐腐蝕性都極佳，但熔點較高，在釬焊過程中如控制不當(dāng)會使鋁合金基體軟化，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重變形。鋅基釬料是一種常用的中溫釬料，一般使用溫度為410～450℃［3］。目前已公開的鋅鋁系和鋅鋁銅系釬料的優(yōu)點是強(qiáng)度較高，耐蝕性能相對較好，對母材的影響較小。在釬料制備方面，由于鋅較脆，很難用拉絲的方法制成常用的絲狀釬料，必須采用鑄造的方法鑄成棒狀釬料，因而制備成本較高；此外，由于釬料中部分合金元素（如硅等）的熔點較高，而諸如銅、鎳、錳等合金元素在鋅合金熔體中的溶解度較低，因而它們較難溶入鋁合金熔體中［4］。

在釬焊過程中使用鋅基釬料時，由于鋅與鋁的互溶度較大，釬料在釬縫中流動的同時，會以相當(dāng)快的速度向母材中擴(kuò)散；鋅能與鋁發(fā)生共晶反應(yīng)，并且兩者之間不會形成任何金屬間化合物。因此，所得釬焊接頭通常具有較高的強(qiáng)度。但是當(dāng)釬料中的鋅元素含量過高時，一方面，鋅的當(dāng)量系數(shù)就會增大，釬料中的其它合金元素也會形成一些脆性金屬間化合物；另一方面，易導(dǎo)致釬焊過程中在界面處發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，從而降低接頭的整體力學(xué)性能［5-8］。

合適的鋅基釬料可以避免鑄鋁、硬鋁、超硬鋁的鋁合金基體在釬焊中發(fā)生熔化或過時效。為了制備合適的鋅基釬料，就需要在純鋅中加入多種元素，如鋁、鎂、銅、鎳、硅、鈦、錳和稀土等，以改善組織，提高性能［9-12］。針對鋁合金用鋅基釬料在力學(xué)性能、抗氧化性能、抗腐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性等方面存在不足的問題，作者在鋅鋁合金的基礎(chǔ)上依次添加了微量元素鎂、銀、銅、鎳、鋯和稀土元素，制備了一種鋁合金用新型鋅基合金釬料，研究了它的顯微組織、性能及物理特性，并將其用于潤濕試驗和釬焊試驗，研究了釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)，并分析其作為釬料的可釬焊性，旨在為鋁合金及其復(fù)合材料的釬焊提供一種新釬料。

1 試樣制備與試驗方法

以工業(yè)純鋁、純鋅、純銀以及鋁鎂、鋁銅、鋁鎳、鋁硅、鋁稀土中間合金為原料制備鋅基釬料。釬料配方依據(jù)鋅-鋁-銅系三元合金相圖進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計成分見表1。首先去除原料表面的污垢和氧化膜，然后將一定比例的鋅和鋁放入高頻感應(yīng)加熱爐中的石墨坩堝內(nèi)，并通入流量為0.5L·min-1的氬氣進(jìn)行保護(hù)，溫度為500℃左右；待鋅和鋁完全熔化后，再依次加入純銀、鋁銅、鋁硅、鋁鎳和鋁稀土中間合金，并升高爐溫至750℃；待合金完全熔化后加入鋁鎂中間合金，再快速攪拌合金熔體3～5min，保溫10～15min后澆鑄成塊狀。此外，在冶煉過程中加入細(xì)化劑氟鋯酸鉀（K2ZrF6）粉。

使用STA449C/6/G型熱分析儀測合金釬料的熔點。稱取合金釬料約20mg，將其從室溫加熱至至700℃，加熱過程采用2種升溫速率，從室溫升至100℃的升溫速率為10℃·min-1，從100℃升至700℃的升溫速率為2℃·min-1，試驗全程采用氮氣保護(hù)。

潤濕試驗選取30mm×30mm×3mm的純鋁作為母材，將質(zhì)量約為0.1g的鋅基合金釬料置于母材上表面的中間；然后將母材及釬料加熱至試驗溫度（420℃），待釬料熔化后，用刮刀在釬料上刮涂30～50s，以破壞母材表面的氧化膜，最后空冷至室溫完成試驗。

釬焊試驗分別選取2A12鋁合金和55%SiCp/Al復(fù)合材料作為母材，它們的尺寸均為50mm×10mm×3mm，然后將質(zhì)量約為1g的釬料分別放置在兩種材料的待焊表面上，升溫至420℃使釬料熔化，接著用刮刀在母材表面刮涂30～50s；最后將母材搭接在一起放在焊接平臺上，搭接長度為15mm，繼續(xù)在420℃下保溫10min完成釬焊。

釬料與釬焊接頭的顯微組織采用OLYMPUSPMG3型萬能光學(xué)顯微鏡（OM）和S-4700型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察，采用掃描電鏡附帶的能譜分析儀（EDS）分析釬縫中各相的成分；釬焊后采用特定卡具在Instron model 1186型材料試驗機(jī)上對釬料和釬焊接頭進(jìn)行拉剪試驗，拉伸速度為0.5mm·min-1，試樣尺寸為10mm×10mm×6mm，取樣示意如圖1所示。拉剪強(qiáng)度取3個試樣的平均值。

圖1 拉剪試樣的取樣示意Fig.1 Schematic drawing of shear test specimen

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 釬料的顯微組織

從圖2（a）中可以看出，制備的鋅基合金釬料由大塊狀組織、小球狀組織以及兩者之間的細(xì)小顆粒組成。從圖2（b）中可以看出，鋅基合金釬料中的存在灰色相、白色相和黑色斑點狀組織。從表1中可以看出，灰色相中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為21.61%，為富鋁相；白色相中鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為88.46%，為富鋅相；在上述兩種組織之間分布著的細(xì)小顆粒狀組織為共晶相。根據(jù)鋅-鋁-銅三元相圖和EDS分析結(jié)果可以確定圖2（b）中的組織1主要為α-Al固溶體，組織2為η-Zn固溶體，組織3主要為鋅-鋁-銅三元共晶相。此外，在圖2中沒有觀察到明顯的成分偏析和縮孔等缺陷，釬料各組織分布較均勻。

2.2 釬料的差熱曲線

從圖3中可見，鋅基合金釬料的差熱曲線共有兩個吸熱峰，分別為鋅-鋁共析反應(yīng)和共晶反應(yīng)。在291℃處出現(xiàn)的吸熱峰是共析組織向液相轉(zhuǎn)變所致，在361℃出現(xiàn)的吸熱峰是共晶組織向液相轉(zhuǎn)變所致。在350～500℃范圍內(nèi)，合金釬料的差熱曲線上只出現(xiàn)了一個吸熱峰，未出現(xiàn)副峰或重疊峰，這與共晶物的轉(zhuǎn)變特征相一致，所以可以確定鋅基合金釬料在398℃已完全熔化。

圖2 鋅基合金釬料的OM形貌和SEM形貌Fig.2 OM morphology（a）and SEM morphology（b）of Zn-based alloy filler

表1 鋅基合金釬料的設(shè)計成分與圖2中不同位置處的EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Composition design of Zn-based alloy filler and EDS analysis results of different locations in Fig.2（mass） %

圖3 鋅基合金釬料的差熱曲線Fig.3 DTA curve of Zn-based alloy filler

2.3 釬料潤濕后的顯微組織

影響液態(tài)釬料潤濕性能的因素有很多，若液態(tài)釬料中的合金元素與母材間的相互作用有利于減小其表面張力，則可提高潤濕性能。鋅基合金釬料可與純鋁母材發(fā)生溶解現(xiàn)象，促進(jìn)鋅基釬料在純鋁母材上鋪展。從圖4可以看出，塊狀組織為α-Al固溶體，分布于塊狀組織之間的黑色相為η-Zn固溶體；釬料中存在一些因刮涂過程中混入氣體所致的孔洞缺陷；在釬料/純鋁界面上的氧化膜完全消失，表明母材與釬料之間形成了良好的冶金結(jié)合。此外，釬料/純鋁的界面并不平直，表明鋅基合金釬料溶解了部分純鋁基體，使鋁進(jìn)入到釬料中，并在釬料中形成塊狀α-Al相，所以釬縫中以大塊狀α-Al相為主，幾乎沒有共晶相。

圖4 鋅基合金釬料/純鋁界面的顯微組織Fig.4 Microstructure of Zn-based alloy filler/pure Al interface：（a）microstructure and（b）partial magnification

2.4 釬焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在2A12鋁合金的釬焊焊縫中，毗鄰母材的一側(cè)，存在一層淡灰色的鋅元素擴(kuò)散層，其厚度在10～20μm之間。由鋅-鋁相圖可知，鋅元素在鋁中的溶解量很大，因此會有此擴(kuò)散層存在。此外，釬縫中主要以α-Al樹枝晶為主，僅在樹枝晶之間分布著共晶相與η-Zn相，并且大量共晶相集中在釬縫中心部位。說明在釬焊過程中鋁元素從母材向釬縫中進(jìn)行了擴(kuò)散溶解，而界面處的α-Al枝晶也是由于鋁元素的擴(kuò)散從2A12鋁合金表面向釬縫中心生長所形成的，α-Al樹枝晶形成后必然會將尚未凝固的液相推向釬縫中心，從而在釬縫中心結(jié)晶形成細(xì)小的共晶組織和少量呈獨立塊狀的α-Al相。

從圖6中可以看出，與鋁合金釬焊接頭相比，在55%SiCp/Al復(fù)合材料釬焊釬縫中的共晶組織發(fā)生了一些變化，這是因為在釬焊過程中，母材中的鋁元素大量溶解并進(jìn)入釬縫中，從而使釬縫中的鋁元素含量超過了鋁在鋅中的極限固溶度17%，從而使得釬縫中的大部分組織在釬焊溫度下出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，釬焊結(jié)束后α-Al與η-Zn發(fā)生離異反應(yīng)形成條紋狀共晶組織；此外，釬縫兩側(cè)的α-Al相變成了鋁的共析組織。釬縫由鋁的共析組織、η-Zn相、條紋狀共晶組織及細(xì)小顆粒狀共晶組織組成。

圖5 2A12鋁合金釬焊接頭的顯微組織Fig.5 Microstructure of 2A12aluminum alloy brazed joint：（a）at low magnification and（b）at high magnification

圖6 55%SiCp/Al復(fù)合材料釬焊接頭的顯微組織Fig.6 Microstructure of 55%SiCp/Al composite brazed joint：（a）at low magnification and（b）at high magnification

拉剪試驗結(jié)果表明，鋅基合金釬料、2A12鋁合金釬焊接頭、55%SiCp/Al復(fù)合材料釬焊接頭的平均抗剪強(qiáng)度分別達(dá)到了237MPa，127MPa和109MPa。可以看出，與鋁基釬料、錫基釬料相比，自制的鋅基釬料具有更好的力學(xué)性能，也可以有效去除鋁合金與鋁基復(fù)合材料表面的氧化膜，并且界面結(jié)合與連接強(qiáng)度也較為理想，能達(dá)到可靠連接的目的。

3 結(jié) 論

（1）自制鋅基合金釬料的顯微組織由α-Al固溶體、η-Zn固溶體和三元共晶相組成，其熔化溫度區(qū)間為361～398℃。

（2）使用鋅基合金釬料釬焊2A12鋁合金，其釬縫組織為η-Zn相、細(xì)小的共晶組織、樹枝狀及塊狀的α-Al相；釬焊55%SiCp/Al復(fù)合材料的釬縫組織由鋁的共析組織、η-Zn相、條紋狀共晶組織及細(xì)小的共晶組織組成。

（3）自制鋅基合金釬料的平均抗剪強(qiáng)度為237MPa，可以與純鋁有效進(jìn)行潤濕；采用該釬料分別對2A12鋁合金和55%SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行釬焊，釬焊接頭的平均抗剪強(qiáng)度分別為127MPa和109MPa。

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