低溫耐蝕鋁合金釬料的研究現狀★

韓 磊，孫玉萍

（1.合肥職業(yè)技術學院，安徽 合肥 230012；2.中機第一設計研究院有限公司，安徽 合肥 230601）

鋁合金因具有較輕的質量、較高的強度、較好的耐腐蝕性等優(yōu)勢廣泛應用于建筑裝飾、汽車工業(yè)、飛機制造等領域，并逐漸替代其他金屬的位置，但鋁合金較差的焊接性制約了其更廣泛的運用。釬焊與熔化焊相比，因其具有工藝簡單且適應性強等優(yōu)點，近年來越來越受重視，釬料作為釬焊工藝中必備的材料，直接決定著焊接接頭的綜合性能。本文綜述了國內外低溫耐蝕鋁合金釬料的研究進展，為相關的鋁合金釬料制備和開發(fā)研究工作提供一些參考。

1 Al-Si系列釬料

Al-Si系釬料因其潤濕性能好且接頭具有一定的耐腐蝕性，為鋁合金釬焊中使用最多的一種釬料，一般釬料都是以這類成分為基礎，根據需要添加一些微量元素構成其他不同釬料，從而保證不同的連接要求[1]。

Al-Si共晶點處w（Si）=12.6%，溫度高達577℃，接近大部分鋁合金的母材固相線，組織中的Si相在鑄態(tài)下呈片狀，機械性能較差，但在經過Sr、La等微量元素變質處理后，Si相可轉變?yōu)橹?，其橫切面由線狀變?yōu)槿錉睿俳涍^適當的保溫處理可轉變成球粒狀。這些變質后的釬料組織在釬焊以后仍能保持形態(tài)，因此釬縫強度也得以增強。

沈陽大學和清華大學的研究者[2]使用A1-Si釬料加入稀土元素，分別釬焊LD30和LD2（新牌號分別為6061和6A02），測得釬焊接頭的抗拉強度分別為288 MPa和280 MPa，均可達到母材強度90%，明顯高于使用普通釬料的接頭強度。

K.Suzuki[3]等人制得了熔點低至535℃的Al-4.2 Si-40Zn釬料，但是由于其中Zn含量高達40%，在真空釬焊過程中容易造成真空爐的污染，因此，真空釬焊不宜采用。

2 Al-Si-Cu系列釬料

常見的Al-Si-Cu系釬料中Cu含量較低，約3.3%至4.7%，用于5 000系和7 000系等鋁合金的釬焊。S.Y.Chang[4]對Cu含量更高的情況進行了研究，發(fā)現當Al-Si共晶釬料中Cu元素含量達到10%時，釬料的凝固溫度區(qū)間由586～592℃降低到522～570℃，接頭的剪切強度由23 MPa提高到76 MPa；當進一步提高w（Cu）至20%時，測量其凝固溫度，發(fā)現固相線溫度幾乎無變化，但液相線溫度下降至535℃，且接頭的剪切強度降至40 MPa。對Al-Si-Cu釬料的微觀組織進行分析，發(fā)現該合金中的相組成主要為α（Al）相、初晶Si相以及脆性的Al2Cu金屬間化合物相。余靜喜[5]等對Al-Si-Mg-Cu合金釬料中Cu的質量分數進行研究，發(fā)現當釬料中Cu含量（質量分數）少于12%時，釬料的液相線溫度隨Cu含量的增加而降低，超過12%后液相線溫度趨于穩(wěn)定，固相線受Cu含量的影響較小。此外，釬焊接頭的抗拉強度隨著Cu含量的增加先增大后減小，當Cu含量（質量分數）為12%時，焊接接頭的抗拉強度達到最大值94 MPa。

為了解決Cu增加含量而力學性能降低的問題，研究者們分別向Al-Si-Cu釬料中添加Sn、Ni以及稀土等元素進行試驗。有試驗在Al-9.6Si-20Cu釬料中添加約2%（質量分數）的Sn元素，使釬料的固液相線溫度分別降低20℃和17℃，同時所得焊縫外觀質量良好，接頭的抗拉強度也高達121 MPa[6]。Ni元素在一定程度上能夠改善Cu元素對釬料韌性的影響，有研究對其進行試驗，發(fā)現當Ni含量（質量分數）為2%左右時，可取得最佳的熔化溫度及焊接性能[7]。Yaowu Shi[8]等人研究了稀土元素Er對釬料的影響，結果表明，加入稀土元素幾乎不改變合金相以及熔化溫度區(qū)間，但可以明顯細化基體相晶粒，同時改善釬料的潤濕性。白明輝[9]等人研究了Y元素對Al-Si-Cu釬料焊接接頭的影響，發(fā)現稀土元素導致第二相的形態(tài)發(fā)生了改變，使脆性的共晶相Al2Cu等的作用減弱，從而改善了釬縫的力學性能。

北京航空航天大學的研究[10]發(fā)現，A1-Si-Cu-Ni系釬料中，合金元素含量在一定范圍內時，Si元素和Cu元素對釬料熔點的影響最大，兩者含量的增加將明顯降低釬料的熔點，其次是Al元素和Ni元素。在接頭強度的影響因素方面，Si的影響為最大，而Ni、Cu等元素次之。

使用Al-Si-Cu-Ni四元釬料釬焊6063鋁合金時，在焊縫組織中將會出現θ（Al2Cu）相和Mg2Si的復雜共晶以及Al2Cu相[11]。Si相一般呈片狀分布，使接頭的力學性能比較差，但如果添加了Ce、La等稀土元素作變質劑，可使Si相呈枝狀分布，甚至是球狀分布[12]。有人[13]制得了熔點的溫度區(qū)間為518～538℃的Al-5Si-20Cu-2Ni釬料，Cu元素的加入可以顯著降低釬料熔點，但是Cu含量較高時，易形成Al2Cu相，使釬料的加工性能變差。

左衡[14]等人研究了Ni和Er元素對Al-Si-Cu-Ge系釬料的影響，發(fā)現添加Ni和Er會少量提高釬料的熔點，另外添加Ni元素會提高釬料的耐腐蝕性能，添加Er元素在一定程度上降低釬料的耐腐蝕性能。為解決Ge元素降低材料韌性造成加工困難的情況，張福禮[15]等人研究了快冷制備釬料的方式，最終成功制取厚度為90～150 μm的Al-Si-Cu-Ge系釬料，由于快冷引起相的變化，其固相線溫度降低30℃左右，液相線溫度降低5℃左右。

鄒家生[16]等人制得的Al-10Si-20Cu-5Zn合金釬料的固相線為499.5℃，液相線為523℃，但是Zn、Sn元素的加入均使得釬料的耐蝕性下降。

3 Al-Ge系列釬料

Al-Ge在w（Ge）為55%處存在一個共晶點，共晶溫度423℃，Al-Ge系共晶釬料的流動性很好，鋪展性也極佳，但此系釬料其色澤較深，是其缺點之一。此外，該系釬料極脆，加工困難，加入Ge元素也會增加釬料加工的成本，使得該系釬料價格較貴。

茅本隆司[17]等人通過添加Si、Mg等元素，制得了Al-Ge-Si-Mg系釬料。試驗用Al-35Ge-12Si-0.7Mg-0.7Cu釬料試焊6061鋁合金，接頭強度不小于290MPa，達到母材的90%以上，用A1-35Ge-12Si-1Mg釬料試焊7003鋁合金，接頭強度不小于340 MPa，達到母材的85%以上。

張曉麗[18-19]等人探究了Ge元素含量的不同對Al-Si釬料熔點、鋪展性和接頭剪切強度的影響。試驗結果表明，隨著w（Ge）在0～30%的范圍內增加，釬料的熔點先下降后上升，在w（Ge）為20%時，液相線溫度達到最低點482℃，釬料的鋪展面積也達到了231 mm2；當w（Ge）為10%時，接頭的強度最高達到母材強度的40%。

4 Al-Si-Zn系列釬料

Al-Si-Zn三元共晶點w（Al）=5.10%，w（Zn）=94.86%，其余為Si元素。相關試驗[20]表明，Al-Si共晶釬料中加入Zn元素可以提高釬料的潤濕性和接頭抗腐蝕性，由于不存在脆性化合物，釬料的加工性能也比Al-Si-Cu系強很多，可以輕松加工成箔帶。其他一些研究[21-22]試驗了不同含量的Zn和Sr元素對釬料的影響，結果顯示在Al-6.5Si釬料中添加42%的Zn元素，釬料的液相線溫度低至520℃，Sr元素的加入對釬料的熔點影響很弱，但是卻可以明顯改變釬焊接頭微觀組織，細化晶粒，提高接頭的強度。

5 Zn-Al系釬料

Zn-Al系共晶點w（Zn）為95%，溫度382℃。共晶點的機械性能與純Zn差別不大，雖然可以加工成片狀或絲狀釬料，但長期存放比純Zn更容易發(fā)生晶粒長大，隨著Al元素含量的增加，合金的加工性能有了明顯的改善。

Zn-Al共晶釬料和富Al的亞共晶釬料的潤濕性比Al-Si釬料差很多，這是因為Zn與Al的互溶度比較大，釬料在焊縫中流動的同時，會以很快的速度向母材晶間滲透，影響了液態(tài)釬料在釬焊中前進的速度。張滿[23-24]等人采用Zn-Al系釬料分別對2A01鋁合金及6063鋁合金進行釬焊試驗，發(fā)現在一定范圍內增加Al元素的含量可以改善釬料的潤濕性能，并提高接頭的力學性能，而超過一定范圍后繼續(xù)增加Al元素反而會惡化接頭的力學性能。這主要是因為釬縫中鋁基固溶體強化相的數量可以隨著Al含量的增加而增加，但過高的Al含量會導致釬縫中的枝狀共析組織粗大，繼而造成接頭力學性能下降。

Zn-Al系釬料的耐腐蝕性能遠不及Al-Si釬料，有報告[25]全面考察了微量元素對Zn-Al共晶合金耐蝕性的影響，得出釬料在加入0.1%（質量分數）左右的堿土族和稀土族金屬后會普遍提高耐腐蝕性的結論。其中最顯著的添加元素是Be，其次是Sr和Mg，而周期系中IB、IIIA、IV、VA及貴金屬將使耐蝕性迅速下降。因此，配制釬料時Zn的純度顯得尤為重要。

戴維[26]等人采用使用改進的CsF-AlF3釬劑，研究了w（Al）在2%～22%范圍內變化時，對Zn-Al釬料火焰釬焊性能的影響，發(fā)現隨著釬料中Al含量的增加，合金的潤濕性快速提高，但Al含量的增加導致釬焊接頭的抗拉性能惡化，當w（Al）為2%～8%時，接頭強度接近160 MPa，通過對接頭的顯微分析，其相組成為Al基固溶體和Zn基固溶體。

薛松柏[27]等人研究了稀土元素Ce對Zn-22Al釬料性能的影響，發(fā)現Ce對釬料熔點的影響甚微，但在添加了0.03%的Ce元素后，釬料在Cu母材表面的鋪展能力可提高29.7%，另外0.03%～0.05%的Ce可起到細化釬料組織的作用，但是如果繼續(xù)增加，在組織中就會很容易出現（Zn，Al）-Ce顆粒相。

6 Sn-Zn系釬料

此系釬料是以Sn為基的釬料，共晶點w（Zn）為8.8%，熔點198℃，Sn-Zn系釬料的最大優(yōu)點在于，不僅釬焊工藝好，而且色澤與母材幾乎一致。陳偉[28]等人的研究對比了純Sn釬料和Sn-Zn釬料釬焊鋁合金時的強度，發(fā)現前者的接頭強度只有40 MPa，而后者可達到170 MPa以上。雖然添加Zn元素使此系列釬料的接頭力學性能明顯提高，但耐蝕性能卻未改善，因而相關的研究還在繼續(xù)。

劉亮岐[29]等人通過研究不同含量的Ag元素對Sn-1.5Zn釬料性能的影響，發(fā)現隨著Ag含量在一定范圍內增加，釬料的潤濕性也在增加，當w（Ag）為2.0%時潤濕性最好，而隨著Ag元素的加入，鋁合金釬焊接頭的抗腐蝕性也略微提高。

張志[30]等人使用不同合金比例的Sn-Zn系釬料對m（Al）/m（Mg）異種金屬進行釬焊試驗，發(fā)現當w（Zn）為30%時，接頭外觀和力學性能將達到最佳值。隨著Zn含量的增加，接頭的斷裂位置從Mg合金/焊縫界面，經焊縫區(qū)向Al合金/焊縫界面轉移，當斷裂位置為焊縫區(qū)時，接頭的剪切強度最高（可達70.73 MPa）。

7 Ag-Al-Cu-Zn系鋁合金

Ag-Al-Cu三元共晶點w（Ag）為40.7%、w（Al）為40%、w（Cu）為19.3%，共晶溫度約為500℃，釬料的流動性非常好，但是脆性較大，采用該合金釬焊時，色澤與鋁合金較一致。在Ag-Al-Cu共晶合金中加入Zn元素可得到Ag-Al-Cu-Zn系釬料，合金的液相溫度隨著Zn含量的增加直線下降。

Al-Cu-Mg系鋁合金的氧化膜成分復雜且難以去除，且容易出現過燒現象，為了實現該類鋁合金的釬焊，董健[31]等人研發(fā)出熔點介于450～480℃之間的Ag-Al-Cu-Zn系列釬料，在KF-CsF-AlF3釬劑的作用下實現LY12（新牌號2A12）熱處理鋁合金的中溫釬焊，采用搭接接頭爐中釬焊，剪切強度達到母材的80%，采用對接接頭火焰釬焊，抗拉強度達到母材的70%，推翻了不能對熱處理鋁合金母材進行釬焊的論斷。

8 結語

隨著鋁及鋁合金越來越廣泛的應用，與鋁合金釬料相關的研究工作也已經成為相關材料科學研究的重點之一，伴隨著新技術、新材料的不斷涌現，以及相關理論的不斷完善，預計未來將會有更多的成果為人們所知。

（編輯：苗運平）