空氣爐中鋁-預(yù)鍍層球墨鑄鐵釬焊工藝的實(shí)驗(yàn)研究

趙 霞，耿浩天，吳 一

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.中建電力建設(shè)有限公司, 廣東 惠州 516353； 3.湘潭電機(jī)股份有限公司, 湖南 湘潭 411100)

0 引 言

鋁和球墨鑄鐵的連結(jié)結(jié)構(gòu)兼顧了鋁的耐蝕性強(qiáng)、質(zhì)輕和球墨鑄鐵的高強(qiáng)度、耐磨和減震等性能特點(diǎn)，已應(yīng)用在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域[1-2]。但球墨鑄鐵的焊接很不容易，鋁和球墨鑄鐵的焊接就更不容易。不適宜采用熔化焊方法，一般選擇釬焊。

氣體保護(hù)爐中釬焊和真空爐中釬焊接頭質(zhì)量較好，但對(duì)設(shè)備的依賴(lài)性大，工藝復(fù)雜，效率低，成本高。因此，簡(jiǎn)便可靠的釬焊工藝是研究的一個(gè)方向[3]?？諝鉅t中釬焊可以彌補(bǔ)氣體保護(hù)爐中釬焊和真空爐中釬焊的不足。這種方法的原理簡(jiǎn)單，即把裝配好的加有釬料和釬劑的焊件置入普通工業(yè)電爐中加熱至釬焊溫度，依靠釬劑去除焊件表面的氧化膜，釬料熔化后流入釬縫間隙，冷凝后形成接頭。這種釬焊方法加熱均勻，焊件變形小，需用的設(shè)備簡(jiǎn)單通用，成本較低。雖然加熱速度較慢，但因一爐可同時(shí)釬焊多件，生產(chǎn)率仍然很高。筆者采用普通箱式電阻爐，在空氣氣氛中進(jìn)行鋁與球墨鑄鐵的釬焊實(shí)驗(yàn)，考察其可行性以及掌握相關(guān)的工藝要素[4-5]。

因球墨鑄鐵直接與鋁進(jìn)行釬焊時(shí)，球墨鑄鐵表面上的石墨不利于釬料的潤(rùn)濕，易導(dǎo)致接頭冶金結(jié)合不良，而且鋁和球墨鑄鐵的熱膨脹系數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生焊后應(yīng)力及界面開(kāi)裂[2]。因此采用球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的預(yù)鍍覆工藝，將鋁與球墨鑄鐵的釬焊變?yōu)殇X與鋁的釬焊，改善釬焊接頭質(zhì)量。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)基材選QT400-15球墨鑄鐵和1A50工業(yè)純鋁，分別加工成尺寸為φ30 mm×4 mm、50 mm×30 mm×2 mm。所用釬料為粉末狀A(yù)S-3釬料(成分見(jiàn)表1)，與粉末狀FA-4釬劑配合，主要化學(xué)成分為氟鋁酸鉀。

爐中釬焊工藝流程：球墨鑄鐵預(yù)鍍覆→焊前準(zhǔn)備→釬焊→焊后處理。預(yù)鍍覆工藝采用熱浸鍍鋁，浸鍍溫度為760 ℃，浸鍍時(shí)間5 min，預(yù)鍍覆后鍍層表面完整，致密，無(wú)漏鍍，如圖1a所示。爐中釬焊在SX-4-10箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，釬焊溫度535、540、545 ℃，保溫時(shí)間12、15、18 min。釬焊后試件釬縫釬角釬料均勻，無(wú)漏焊，如圖1b所示。

用XJB-1型金相顯微鏡和MX-2600FE型掃描電鏡進(jìn)行組織觀察。用CMT5305微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)床進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)。

表1 AS-3釬料化學(xué)成分

圖1 試件宏觀觀察Fig. 1 Macro observation photo of specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 釬縫組織分析

鋁-預(yù)鍍層球墨鑄鐵釬焊接頭顯微組織如圖2所示。

圖2 釬縫顯微組織形貌Fig. 2 Brazing seam microstructure

由圖2可見(jiàn)，釬焊接頭由4部分構(gòu)成，從左至右依次為球墨鑄鐵、鐵鋁金屬間化合物IMC層、釬縫中心區(qū)、工業(yè)純鋁。鐵鋁金屬間化合物IMC層在球墨鑄鐵預(yù)鍍覆時(shí)即已形成，熱浸鍍時(shí)鋁液與球墨鑄鐵接觸，鐵鋁原子發(fā)生相互擴(kuò)散，相界面發(fā)生反應(yīng)，一定時(shí)間后便生成一定厚度的金屬間化合物IMC層。釬焊時(shí)IMC層呈鋸齒狀繼續(xù)向球墨鑄鐵生長(zhǎng)。釬縫中心區(qū)與工業(yè)純鋁無(wú)明顯交界面，為交互結(jié)晶。釬縫中心區(qū)為α(Al)-CuAl2-Si的三元共晶組織，其內(nèi)部零星分布著從球墨鑄鐵擴(kuò)散來(lái)的球狀石墨，釬縫內(nèi)部還可見(jiàn)大量的針狀和塊狀物質(zhì)，對(duì)其點(diǎn)能譜分析，如圖3及表2所示，可見(jiàn)其均為Fe-Al的化合物[6-7]。

圖3 釬縫中心區(qū)點(diǎn)位置Fig. 3 Location of central area of brazing seam

表2 釬縫截面微區(qū)成分分析

2.2 工藝參數(shù)對(duì)釬縫組織的影響

2.2.1 釬焊溫度

圖4為保溫時(shí)間15 min時(shí)不同釬焊溫度的釬縫組織觀察，由圖4可見(jiàn)，隨釬焊溫度升高，釬縫中心區(qū)變寬，共晶組織長(zhǎng)大，鐵鋁金屬間化合物IMC層增厚。分析原因：釬焊過(guò)程是釬料向母材擴(kuò)散和母材向釬料溶解，即釬料和母材相互擴(kuò)散的過(guò)程，影響擴(kuò)散最主要的因素是溫度，溫度升高，母材向釬料的溶解速度增大，釬料向母材的擴(kuò)散速度增加，釬縫中心區(qū)內(nèi)母材和釬料的原子擴(kuò)散充分，原子反應(yīng)加劇，導(dǎo)致釬縫中心區(qū)域變寬，共晶組織長(zhǎng)大；在釬縫中心區(qū)和球墨鑄鐵界面處，IMC層也增厚。

圖4 保溫時(shí)間15 min不同釬焊溫度的焊縫組織結(jié)構(gòu)Fig. 4 Weld structure at different braing temperature in 15 min

2.2.2 保溫時(shí)間

圖5為釬焊溫度540 ℃時(shí)不同保溫時(shí)間的釬縫內(nèi)共晶組織觀察，由圖5可見(jiàn)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)，釬縫中心區(qū)內(nèi)共晶組織網(wǎng)連接越致密，越粗大。由圖5c可見(jiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間18 min時(shí)，共晶組織已經(jīng)連成片且有粗針Fe-Al化合物分布其間。分析原因：保溫時(shí)間是決定釬焊擴(kuò)散連接界面元素?cái)U(kuò)散的均勻性以及界面元素反應(yīng)進(jìn)行程度的主要因素。作用影響規(guī)律與溫度相同，時(shí)間延長(zhǎng)，母材向釬料的溶解量增多，釬料向母材的擴(kuò)散距離增大，釬縫中心區(qū)內(nèi)母材和釬料的原子擴(kuò)散充分，共晶組織長(zhǎng)大越明顯。

圖5 釬焊溫度540 ℃時(shí)不同保溫時(shí)間的釬縫共晶組織結(jié)構(gòu)Fig. 5 Eutectic structure of brazed seam at 540 ℃ for different holding time

2.3 剪切性能分析

實(shí)驗(yàn)參數(shù)下釬焊接頭的剪切強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，釬焊溫度535 ℃時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)接頭剪切強(qiáng)度增大；釬焊溫度540 ℃和545 ℃時(shí)，隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)接頭剪切強(qiáng)度先增大后降低。同時(shí)也可觀察到，在12 min和15 min保溫時(shí)，隨釬焊溫度升高，剪切強(qiáng)度升高，而在18 min保溫時(shí)，隨釬焊溫度升高，剪切強(qiáng)度先升高后降低。

分析原因：一定的釬焊溫度、保溫時(shí)間是釬料同母材相互擴(kuò)散、形成強(qiáng)固的結(jié)合所必需的。溫度升高或者是時(shí)間延長(zhǎng)都會(huì)使釬料與母材能充分相互作用，有利于提高接頭強(qiáng)度。但過(guò)高的溫度或者過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間則會(huì)使組織粗大，反而使性能下降。對(duì)釬焊溫度和保溫時(shí)間不應(yīng)孤立的來(lái)確定，它們之間存在一定的互補(bǔ)關(guān)系，可以相關(guān)地在一定范圍內(nèi)變化，最根本的是看對(duì)組織的影響，組織決定性能。結(jié)合釬縫組織看，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，釬焊溫度升高或者保溫時(shí)間延長(zhǎng)，釬縫組織先致密再粗化，當(dāng)組織粗化時(shí)則強(qiáng)度下降。

圖6 不同工藝參數(shù)剪切強(qiáng)度曲線Fig. 6 Shear curves of different process parameters

3 結(jié) 論

(1) 鋁-預(yù)鍍層球墨鑄鐵釬焊接頭由鋁、釬縫中心區(qū)、鐵鋁金屬間化合物IMC層、球墨鑄鐵構(gòu)成。

(2) 在實(shí)驗(yàn)條件下，隨釬焊溫度升高或保溫時(shí)間延長(zhǎng)，均會(huì)使釬料同母材相互擴(kuò)散加劇，組織先致密再粗化。

(3) 在實(shí)驗(yàn)條件下，釬焊溫度540 ℃，保溫時(shí)間15 min時(shí)，釬焊接頭剪切強(qiáng)度最高。