采用復合鋅基釬料釬焊銅鋁焊接接頭的微觀組織及力學性能

王洪禮,田戰(zhàn)玲,李明娥

新疆維吾爾族自治區(qū)產品質量監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830004

采用復合鋅基釬料釬焊銅鋁焊接接頭的微觀組織及力學性能

王洪禮,田戰(zhàn)玲,李明娥

新疆維吾爾族自治區(qū)產品質量監(jiān)督檢驗研究院,新疆烏魯木齊830004

在Zn-27A l釬料表面電鍍Ni制備復合鋅基釬料,在氮氣保護的電阻爐中用復合鋅基釬料和Zn-27A l釬料對Cu與A l進行釬焊試驗,運用金相顯微鏡、電子探針、X射線衍射儀分析了接頭的微觀組織,通過拉伸試驗評定了接頭的力學性能.結果表明:與未電鍍鎳層的Zn-27Al釬料釬縫相比,復合鋅基釬料釬縫中沒有組織偏聚,組織分布更均勻、且有CuZn5+Ni3Al復合相生成;Ni層能夠有效地阻止A l和Cu的快速擴散,從而減少低熔點脆性化合物Al2Cu的生成.在釬焊條件相同的條件下,復合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強度為31.73 M Pa高于Zn-27Al釬料釬焊接頭的最大剪切強度.

銅;鋁;復合鋅基釬料;微觀組織;力學性能

銅/鋁復合結構在工業(yè)生產中應用廣泛,銅與鋁的連接通常采用釬焊[1-2].若銅鋁直接釬焊,由于鋁、銅原子擴散較快,容易在釬焊接頭中形成易熔的脆性A l-CuA l2共晶相,導致接頭強度降低[3-4].鋅基釬料由于熔點低,工藝性好,且具有良好的潤濕性、流動性、抗腐蝕性和填充間隙能力,因此常常用于銅/鋁異種金屬的釬焊[5].在鋅基釬料的表面電鍍Ni制得復合基釬料,可在釬焊過程中阻止脆性 A l-CuA l2共晶相的生成.本研究采用這種復合鋅基釬料對銅-鋁進行釬接,并分析測試了接頭的微觀組織及力學性能.

1 試 驗

1.1 試驗材料

釬焊母材分別為25 mm×80 mm×3 mm的純鋁L2和無氧銅TU 2.所用釬料為厚度0.8 mm的帶狀鋅基釬料 Zn-27A l,其成分為 w(Zn)=73.00%,w(A l)=27.00%,在此釬料的表面上電鍍一層厚度為5μm的Ni,制成復合鋅基釬料;釬劑為鋁釬劑QJ201.

按尺寸機加工銅母材和鋁母材.銅母材依次分別用400、800和1200號砂紙打磨后用超聲波清洗;鋁母材和釬料先分別用丙酮去除表面油污,再用50～60℃,15%的NaOH溶液浸泡15 s,然后用清水沖洗;用1∶3的稀硝酸溶液浸泡10 s后用清水沖洗,再用乙醇清洗,晾干備用.

1.2 試驗方法

將用少量蒸餾水調成糊狀的QJ201釬劑均勻地涂敷在復合鋅基釬料的表面上,厚度大約為0.05 mm.將氮氣氣氛保護電阻爐升溫至550℃,放入裝配好的試樣,為進行同爐釬焊對比試驗,將用未電鍍鎳層的Zn-27A l釬料裝配的試樣一同放入爐內釬焊.保溫8 min后取出空冷.

試樣冷卻到室溫時,先用60～80℃的熱水清洗10 min,用毛刷清理殘渣并用冷水清洗.在15%的稀硝酸中浸泡30 min后再用冷水清洗,除去殘留在焊件表面的釬劑.

1.3 測試方法及儀器

在觀察銅鋁釬焊接頭的微觀形貌前,將L2純鋁側用5%的氫氟酸腐蝕,TU 2無氧銅側用3 g FeCl3粉末+2 mL 36%的鹽酸+96 m L無水乙醇配制的腐蝕液腐蝕.兩側的腐蝕時間均為5 s.采用MeF3型金相顯微鏡觀察接頭的微觀組織,用D8ADVANCEX型X射線衍射儀測定接頭的物相組成,用 EM PA 1600電子探針測定接頭的元素分布;制作拉伸試件,在萬能拉伸試驗機上測試焊件的力學性能.

2 試驗結果與討論

2.1 接頭的微觀組織

Zn-27A l釬料和復合鋅基釬料在550℃下釬焊8 min后釬焊接頭的金相組織如圖1所示.由圖1可見,Cu-A l釬焊接頭由Cu側釬料界面、中央釬縫區(qū)、A l側釬料界面三部分組成.對比相同釬焊工藝參數下采用兩種釬料釬焊接頭的微觀組織可知,銅母材未溶解,鋁部分溶解.用復合鋅基釬料的釬焊接頭組織比較均勻,晶粒細小.

從圖1還可以看出,兩種釬料的釬焊接頭釬縫區(qū)都是由大塊灰色區(qū)域、黑色區(qū)域、枝晶狀區(qū)域和小塊灰色區(qū)域組成,而復合鋅基釬料釬焊接頭的釬縫區(qū)還特有亮色區(qū).電子探針對兩種釬料的釬焊接頭釬縫區(qū)不同區(qū)域的特征點的掃描結果列于表1和表2.

圖1 釬焊接頭的金相組織Fig.1 M icrostructure of brazed joints

根據圖2的XRD分析結果以及表1和表2的特征點電子探針的測試結果,并結合A l-Zn-Cu三元相圖,可知圖1釬縫中的大塊灰色區(qū)域為A l和Cu構成的金屬間化合物A l2Cu3;黑色區(qū)域為釬料中的Zn元素部分溶解于A l形成的α-A l固溶體;枝晶狀區(qū)域為金屬間化合物 A l2Cu;小塊灰色區(qū)域為CuZn5+A l2Cu共晶相;圖1(b)釬縫中的亮色區(qū)域為CuZn5+Ni3A l復合相,多分布于晶界處.總體來看,與Zn-27A l普通釬料相比,采用復合鋅基釬料釬焊接頭釬縫區(qū)組織偏聚的區(qū)域性特征消失,組織分布較均勻,并有少量的CuZn5+Ni3A l復合相生成.

釬料中各元素在釬縫中的分布情況如圖3所示.由圖3可見,Zn和Ni主要分布在晶界處,A l主要分布在晶內區(qū)域.

表1 Zn-27Al釬料釬焊接頭不同區(qū)域的電子探針分析結果Table 1 Electron microp robe analysis results of ordinary solder welded in different regions

表2 復合釬料釬焊接頭不同區(qū)域的電子探針分析結果Table 2 Electron microprobe analysis results of composite solder welded in different regions

圖2為Cu-A l釬焊接頭斷口的XRD圖譜.由圖2可見,兩種釬料的釬縫區(qū)都有A l2Cu,A l2Cu3金屬間化合物,α-A l固溶體和CuZn5+A l2Cu共晶相,而在復合鋅基釬料的釬縫區(qū)還有CuZn5+Ni3A l復合相.

2.2 Ni的阻隔作用

采用復合鋅基釬料釬焊接頭釬縫中的A l2Cu3偏聚在Cu側、α-A l固溶體偏聚在 A l側的現象消失,組織分布更加均勻.這是由于Ni層有效地阻止了母材中的Cu原子和A l原子向釬縫中的快速擴散,從而有效地減少了釬縫中低熔點脆性化合物A l2Cu的生成.

圖2 釬焊接頭斷口XRD圖譜(a)Zn-27Al釬料釬焊接頭;(b)復合鋅基釬料釬焊接頭Fig.2 XRD patterns of the fracture of the brazed joints(a)Zn-27A l filler metal joint;(b)composite zinc-based filler metal joint

2.3 接頭的力學性能

搭接接頭的剪切強度是衡量接頭力學性能的重要參數.在萬能拉伸試驗機上對接頭進行拉伸試驗,拉伸試件規(guī)格如圖4所示,試件的力學性能測試結果列于表3.

由表3可見,復合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強度為31.73 M Pa,Zn-27A l釬料釬焊接頭的最大剪切強度為23.79 M Pa.由于復合鋅基釬料表面鍍有一層Ni有效地阻擋了A l和Cu的快速擴散,減少了脆性A l-CuA l2共晶相的生成,從而提高了接頭的力學性能.

圖3 釬焊接頭各元素的分布Fig.3 Distribution of elementsof brazed joints

圖4 拉伸試件示意圖Fig.4 Diagram of tensile specimen

表3 不同試件的力學性能Table 3 Mechanical properties of various samples

3 結 論

(1)在 Zn-27A l釬料上鍍 Ni后,釬縫中除有A l2Cu,A l2Cu3,α-A l固溶體和A l2Cu+CuZn5共晶相生成外,還有CuZn5+Ni3A l復合相生成.A l2Cu脆性化合物數量減少,同時A l2Cu3在Cu側的偏聚和α-A l固溶體在A l側的偏聚現象消失,組織分布更加均勻.

(2)Ni層能夠有效地阻止A l和Cu之間的快速擴散,從而減少了低熔點脆性化合物 A l2Cu的生成.

(3)復合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強度為31.73 M Pa,高于 Zn-27A l釬料釬焊接頭的最大剪切強度.

[1]洪麗玲,辛選榮,張柯柯,等.銅/鋁合金冷壓擴散復合焊接接頭的顯微組織[J].機械工程材料,2008,32(8):23-25.

[2]孟膠東,曲文卿,莊鴻壽.A l-Cu雙金屬復合結構的擴散連接試驗研究[J].材料工程,2003(1):34-37.

[3]李亞江,吳會強,陳茂愛,等.Cu/A l真空擴散焊接頭顯微組織分析[J].中國有色金屬學報,2001.11(3):426-427.

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[5]張啟運,莊鴻壽.釬焊手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992:490-495.

M icrostructure and mechan ical properties of copper and alum inum join t brazed by com posite zinc-based filler metal

WANG Hongli,TIAN Zhanling,L IM ing e
Product Quality Supervision and Inspection Institute of Xinjiang U ygur Autonomous Region,W ulum uqi 830004,China

Prepare composite zinc-based filler metal by electrop lating nickel on the surface of Zn-27A l filler metal.Conduct brazing test on aluminum and copper w ith composite zinc-based filler metal and Zn-27A l filler metal respectively in the furnace p rotected by nitrogen.Analyzemicrostructure of the joint by metallurgical m icroscope,EPMA and XRD,and its mechanical p roperties by Instron testing machine.The results show ed that compared to Zn-27A l w ithout Ni-electrop lated layer,no segregation occurred in the brazing seam of the composite zinc-based fillermetal and itsmicrostructure wasmore uniform,and meanw hile CuZn5+Ni3A l compounds were formed.Nickel layer could effectively p revent the rapid diffusion of copper and aluminum,and thus reduced the formation of low-melting,brittle A l2Cu compounds.The maximum shear strength of the joint brazed by the composite zinc-based fillermetalwas31.73 M Pa,higher than that brazed by Zn-27A l filler metal joint under the same brazing condition.

copper;aluminum;composite zinc-based filler metal;microstructure;mechanical p roperties

TG425.1

A

1673-9981(2011)02-0092-05

2011-01-19

王洪禮(1982-),男,安徽太和人,助理工程師,碩士.