ZK60鎂合金的爐中釬焊工藝

徐學利，王 純，侯軍才，張 超

（1.西安石油大學材料科學與工程學院，西安710065；2.陜西理工學院材料科學與工程學院，漢中723003；3.中國石油寶雞鋼管有限責任公司研究院，寶雞721008）

0 引 言

鎂合金是目前國內(nèi)外正在積極開發(fā)的一種輕型材料，由于它具有較高的比強度、較低的密度、良好的可回收性能［1］以及優(yōu)良的阻尼和電磁屏蔽性能，被譽為21世紀“綠色工程材料”［2-3］。其中ZK系鎂合金的綜合力學性能優(yōu)異［4］，主要用于汽車、通訊、航天工業(yè)等領(lǐng)域。但由于其熔點低、線膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)高，在熔化焊焊接過程中容易出現(xiàn)氧化燃燒、熱影響區(qū)過寬等問題，加之ZK60鎂合金中鋅含量較高，熔化焊焊接時熱裂紋傾向非常大，因而很難采用傳統(tǒng)的電弧焊等熔化焊方法進行焊接［5］。目前，有關(guān)鎂合金焊接方法的研究主要集中在電子束、激光、TIG電弧熔焊以及攪拌摩擦焊等方面［6］，但鎂合金釬焊技術(shù)研究尚處于起步階段。理論上鋅能與鎂合金發(fā)生冶金作用［7］，為此，作者采用純鋅釬料對ZK60鎂合金進行爐中釬焊試驗，研究了釬焊溫度與保溫時間對接頭組織與性能的影響，以期為鎂合金的釬焊技術(shù)研究積累經(jīng)驗和提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗采用高強形變鎂合金ZK60（軋制態(tài)），其化學成分（質(zhì)量分數(shù)／%）為：0.05Al，0.10Mn，6.0Zn，0.7Zr，余Mg。采用線切割方法將鎂合金加工成尺寸20mm×10mm×2mm的試樣。釬料為0.1mm厚的純鋅箔（純度不小于99.95%）。焊接設(shè)備為真空（真空度為10-1～10-2Pa）／氬氣（氬氣純度99.99%）保護兩用釬焊爐。焊前，去除母材表面的油污及氧化層，具體步驟：丙酮清洗→400＃、600＃砂紙打磨→20%NaOH溶液浸泡→清水沖洗并烘干；對釬料也進行去油污及氧化層處理，具體步驟：煤油、丙酮清洗→800＃、1200＃的砂紙打磨→密封備用。

釬焊試樣連接形式為搭接，如圖1所示，搭接長度10mm，間隙0.4mm，在試樣表面連接熱電偶進行溫度控制。焊接試驗在GY-40AB型真空／氬氣保護兩用釬焊爐中進行。試驗前向爐中充入氬氣以排除多余的空氣，在整個釬焊過程中，爐內(nèi)連續(xù)充氬氣以防止接頭發(fā)生氧化，氬氣流量13L·min-1，試驗溫度為435～455℃。焊后焊件持續(xù)在氬氣保護下冷卻至室溫。釬焊試驗工藝參數(shù)見表1。

圖1 釬焊試樣的連接方式示意Fig.1 Schematic of connection of welding sample

表1 釬焊試驗工藝參數(shù)及界面狀態(tài)Tab.1 Parameters for welding test and interface state

分別在各個ZK60鎂合金釬焊接頭上取樣，經(jīng)打磨拋光后，用腐蝕液（苦味酸2.5g＋醋酸2.5mL＋乙醇150mL＋水10mL）進行腐蝕，然后采用DMI-5000M型掃描電鏡觀察接頭顯微組織；采用Durascan-700型全自動硬度儀測接頭顯微硬度，載荷10N，保載時間10s；采用D8Focus型X射線衍射儀（XRD）對接頭中的物相進行分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 釬焊接頭顯微組織

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，1＃釬焊接頭釬縫區(qū)中氣孔粗大，未完全連接，有明顯缺陷；2＃釬焊接頭釬縫區(qū)中部分區(qū)域與兩側(cè)母材結(jié)合良好，但仍有部分粗大氣孔；3＃釬焊接頭釬縫區(qū)較窄、邊界清晰整齊，整個釬縫區(qū)組織較致密，沒有明顯氣孔；4＃釬焊接頭釬縫區(qū)很窄，由于保溫時間短，釬料熔化較少，導致合金尚未完全接合。而5＃釬焊接頭由于保溫時間過短、釬料熔化的液相量太少，釬縫區(qū)未接合，圖略。2＃，3＃釬焊接頭的釬焊質(zhì)量較好，故以下討論均是針對2＃，3＃釬焊接頭進行的。

在釬焊過程中，母材表面與釬料發(fā)生反應，一部分鎂原子參與了釬縫區(qū)組織的形成，并與釬料生成共晶相（α-Mg＋Mg51Zn20）?？拷覆膮^(qū)的接頭擴散區(qū)的晶粒較細小，主要是由于母材中鎂原子擴散所致，此區(qū)域?qū)嶋H發(fā)生了部分擴散，并未完全參與共晶反應；釬縫熔合區(qū)出現(xiàn)了樹枝狀組織。由鎂鋅二元相圖［8］可知，釬縫熔合區(qū)的樹枝狀組織鎂含量很高，推測其可能為α-Mg固溶體相。因為在接近母材處，隨著釬焊溫度提高，在焊接過程中鎂原子發(fā)生進一步擴散，從而使接頭中鎂含量提高，達到一定濃度后，部分鎂會在凝固過程中以固溶體形式析出。在固溶體周圍的組織可能為鎂鋅共晶組織中的一相，由鎂鋅二元相圖推測其為Mg51Zn20相。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，3＃釬焊接頭的擴散區(qū)和母材之間界限不明顯，擴散區(qū)中組織呈樹枝狀生長，接頭擴散區(qū)由固溶體（灰色區(qū)域）、鎂鋅化合物相（深灰條狀）以及殘留的不連續(xù)鋅（中間灰白相間區(qū)域）三部分組成。在爐中溫度為445℃左右保溫時，鋅箔與ZK60鎂合金之間的擴散較充分，鎂、鋅間發(fā)生共晶反應，即造成中間層鋅箔的液化和基體鎂合金的溶解，形成固液界面。由于界面兩側(cè)鎂、鋅分布極不均勻，存在很大濃度梯度，故基體中的鎂不斷向釬縫一側(cè)溶解。根據(jù)鎂鋅二元合金相圖［8］分析，當鋅固溶體中的鎂含量達到飽和固溶度時（質(zhì)量分數(shù)15.4%），便形成Mg2Zn11相；隨著擴散時間的不斷延長，當鋅中的鎂含量達到33.3%（質(zhì)量分數(shù)，下同）時，便形成MgZn2、Mg2Zn3、MgZn、Mg51Zn20相；當鋅固溶體中的鎂含量超過71.8%時，便會形成液相。與此同時，鋅向鎂中擴散，開始在鎂基體表面形成鎂基固溶體，由于鋅在鎂中溶解度極小，便很快形成與之平衡的液相。

圖2 不同釬焊工藝參數(shù)下釬焊接頭的顯微組織Fig.2 Microstructure of brazed joints using different brazing parameters

圖3 3＃釬焊接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of brazed joint 3＃at low （a）and high（b）magnifications

圖4 2＃釬焊接頭顯微組織Fig.4 Microstructure of brazed joint 2＃

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，2＃釬焊接頭的母材與釬縫界面清晰整齊，在母材側(cè)可看到明顯的釬料組元擴散反應區(qū)，但釬縫區(qū)組織粗大、疏松且有縮孔。其中組織粗大是由于釬焊溫度偏高、在釬焊溫度停留時間過長導致。組織疏松是由于鎂合金在高溫下易氧化且真空度不高，盡管釬焊前已去除表面氧化物，但也難免在釬焊過程中再次形成致密氧化膜。而縮孔的形成主要有兩個原因。一方面，由于釬料融化后生成較多的液相在冷卻過程中收縮導致；另一方面，當釬焊溫度高于臨界溫度時，接頭元素擴散速度很快，此時，釬縫溫度過高，壓力過大，導致釬縫中氣體排出困難，最終在釬縫中心區(qū)域產(chǎn)生了縮孔。

2.2 釬焊接頭的顯微硬度

從圖5可見，由于在加熱擴散過程中，鎂和鋅之間發(fā)生共晶反應，中間層鋅箔液化和基體鎂溶解，形成固液界面，固液界面以鎂鋅金屬間化合物存在，因此過渡區(qū)域硬度高于基體和釬縫的；3＃接頭的釬縫硬度高于2＃接頭的，是因為保溫溫度在445℃時，釬縫組織存在多種硬脆金屬間化合物，因此其顯微硬度比較高，溫度升高10℃后，釬縫可能出現(xiàn)了氧化、溶蝕現(xiàn)象，導致硬度降低。

圖5 釬焊接頭的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of different brazed joints

2.3 釬縫的物相組成

測試結(jié)果表明，不同釬焊接頭的物相組成相同，因此以3＃接頭為例進行分析。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，釬縫由α-Mg、γ-MgZn兩種相組成。鎂鋅發(fā)生反應后，對應于鎂鋅二元相圖，當釬縫中的主要元素鋅的質(zhì)量分數(shù)在26%左右時，鎂鋅合金為具有亞共晶成分的二元合金。隨著溫度的降低，鎂鋅二元合金先發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變生成初晶α-Mg相；當溫度降至341℃時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成α-Mg和β-Mg51Zn20相；溫度繼續(xù)降至325℃時，粗大的β-Mg51Zn20相開始發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成α-Mg和γ-MgZn相組成的共析組織。共析轉(zhuǎn)變是固相分解，其原子擴散比較困難，容易產(chǎn)生較大過冷度，所以共析組織遠比共晶組織細密；冷至室溫后，釬縫合金組織由先共晶α-Mg相和（α-Mg，γ-MgZn）共析組織所組成，組成相為α-Mg、γ-MgZn。

圖6 3＃釬焊接頭釬縫XRD譜Fig.6 XRD patterns of brazing seam in brazed joint 3＃

3 結(jié) 論

（1）采用純鋅箔釬料在氬氣保護條件下對ZK60鎂合金進行爐中釬焊，可實現(xiàn)釬焊界面的冶金結(jié)合。

（2）釬焊溫度和保溫時間對接頭組織和性能影響較大，在溫度445℃、保溫時間45s時，可以得到外觀質(zhì)量較好、釬縫區(qū)邊界清晰整齊、組織致密、無氣孔、無裂縫的接頭，釬焊接頭的平均、顯微硬度在167HV左右；釬焊接頭釬縫的組織由先共晶α-Mg相和（α-Mg，γ-MgZn）共析組織組成。

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