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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，近年來在我國(guó)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(diǎn)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(rùn)濕性差，釬焊過程中常需輔以釬劑或外加能量場(chǎng)用以去除鋁合金表面的氧化膜。有些釬料為了控制熔點(diǎn)，會(huì)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(diǎn)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(diǎn)較高，在釬焊過程中如控制不當(dāng)會(huì)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(diǎn)是強(qiáng)度較高，耐蝕性能相對(duì)較好，對(duì)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(diǎn)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(shí)，由于鋅與鋁的互溶度較大，釬料在釬縫中流動(dòng)的同時(shí)，會(huì)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(huì)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(shí)，一方面，鋅的當(dāng)量系數(shù)就會(huì)增大，釬料中的其它合金元素也會(huì)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(shí)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(duì)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(rùn)濕試驗(yàn)和釬焊試驗(yàn)，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(yàn)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(jì)，設(shè)計(jì)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(cè)合金釬料的熔點(diǎn)。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(yàn)全程采用氮?dú)獗Ｗo(hù)。

潤(rùn)濕試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)。

釬焊試驗(yàn)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(tái)上，搭接長(zhǎng)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(yàn)機(jī)上對(duì)釬料和釬焊接頭進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，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(gè)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(yàn)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(jì)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(rùn)濕后的顯微組織

影響液態(tài)釬料潤(rùn)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(rùn)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?cái)U(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(huì)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(zhǎng)所形成的，α-Al樹枝晶形成后必然會(huì)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(dú)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?yàn)樵阝F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(yàn)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?？梢钥闯觯c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(rùn)濕；采用該釬料分別對(duì)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。

［1］李亞江，王娟，劉鵬.異種難焊材料的焊接及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：1-3.

［2］JI F，XUE S B，LOU J Y，et al.Microstructure and properties of Cu/Al joints brazed with Zn-Al filler metals［J］.Trans Nonferrous Met Soc China，2012，22：28l-287.

［3］徐維普，吳毅雄，劉秀忠，等.鋅鋁合金的釬焊研究［J］.機(jī)械工程材料，2004，28（7）：32-34.

［4］馮建情，曾建民.高鋁鋅基合金的力學(xué)性能與顯微組織研究［J］.機(jī)械工程材料，2004，28（11）：41-43.

［5］趙啟淞，起華榮，王璐，等.鈦加入量對(duì)鋅鋁銅鎂稀土合金組織和拉伸性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2013，37（12）：67-70.

［6］劉秀忠，鄒增大，楊德新，等.鋅基合金釬焊界面區(qū)的微觀組織形態(tài)及相組成［J］.材料科學(xué)與工藝，2005（3）：323-325.

［7］段佳琦，尹志民，趙凱，等.均勻化處理對(duì)鋁鋅鎂鈧合金組織和性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2012，36（6）：34-37.

［8］崔志峰，果春煥，程宗輝.化學(xué)成分對(duì)鋅鋁合金動(dòng)態(tài)斷裂性能的影響［J］.機(jī)械工程材料，2010，34（8）：53-55.

［9］劉洪軍，李亞敏，郝遠(yuǎn).Al、Cu含量對(duì)Zn-Al-Cu-Mg合金性能的影響［J］.鑄造技術(shù)，2007，28（6）：823-826.

［10］閆承俊，王吉岱.鋅鋁合金的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（4）：4-7.

［11］陸偉，嚴(yán)彪.鑄造鋅鋁合金的研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.上海有色金屬，2004，25（1）：13-17.

［12］關(guān)德林，魏海軍，于志偉，等.Zr對(duì)Zn-Al合金阻尼性能影響的研究［J］.機(jī)械工程材料，2002，26（4）：32-34.