Si相形貌對(duì)4012鋁合金釬料釬焊性能的影響

魯 月，叢福官，劉玉龍，張 旭，呂 丹，鄭 天

(東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

高硅鋁合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、機(jī)械等行業(yè)中。根據(jù)硅含量不同，鋁硅合金可分為：亞共晶鋁硅合金、共晶鋁硅合金和過(guò)共晶鋁硅合金[1]。高硅鋁合金的使用性能直接取決于初晶硅的形態(tài)、尺寸、分布及其與基體的結(jié)合方式，Si相本身的斷裂特性等。常見(jiàn)的初晶硅形貌包括：六邊形板狀、八面體等軸晶體、含有平行孿晶的等軸晶體、含有2～ 5個(gè)輻射狀孿晶的星狀晶體和球狀晶體[2]。鑄造合金的遺傳現(xiàn)象是指熔鑄生產(chǎn)過(guò)程中配制合金用的原輔材料、廢料、變質(zhì)劑等原始固態(tài)組織中某些相的形貌特征殘存在目標(biāo)合金材料中的現(xiàn)象[ 3-4]。鋁合金的制備通常采用中間合金來(lái)配制。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比不同初晶硅形貌的Al-20Si中間合金制備4012鋁合金釬料的釬焊性能，以提升434復(fù)合材料的釬焊質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

將不同Al-20Si中間合金及其所制備的4012鋁合金釬料分別進(jìn)行光譜成分分析、金相觀察、SEM測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行熔鑄試驗(yàn)及釬焊潤(rùn)濕性試驗(yàn)。表1為兩種中間合金及其所制備的4012鋁合金釬料的化學(xué)成分。

表1 不同Al-20Si中間合金及其所制備的4012鋁合金釬料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of Al-20Si master alloys and 4012 aluminum alloy solders(wt/%)

釬焊試驗(yàn)選用VTB335型真空釬焊爐，爐溫精度控制為±5 ℃，4012鋁合金釬料尺寸為8 mm×8 mm×8 mm，母材選用尺寸為1.4 mm×10 mm×10 mm的3003H-24鋁合金板材，釬焊溫度分別為595 ℃、605 ℃、615 ℃，保溫60 min。釬焊前將釬料及母材接觸面進(jìn)行砂紙打磨，并分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaOH溶液及30%的稀HNO3中浸泡約2 min，以除去表面氧化膜，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗并吹干。微觀組織觀察采用Leica MPS30金相顯微鏡以及ZEISS-EVO18型掃描電子顯微鏡。重熔試驗(yàn)選用RJ2-22-8井式加熱爐，額定溫度800 ℃，溫差±5 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織觀察結(jié)果

圖1為不同Al-20Si中間合金的微觀組織形貌。從圖1可以清晰地觀察到兩種中間合金的Si相形貌及尺寸都存在著明顯的差別。1#試樣的Si相尺寸較大，且多呈五星瓣?duì)?，?#試樣的Si相呈棱角尖銳的塊片狀。

圖1 不同Al-20Si中間合金的微觀組織Fig.1 Microstructures of different Al-20Si master alloys

圖2為兩種中間合金鑄造的4012鋁合金釬料的微觀組織形貌。由圖2可以看出，兩種合金擁有不同形態(tài)的溶質(zhì)富集區(qū)，其中2#-1試樣中存在明顯的塊狀Si相(如圖中方框所示)。

圖2 不同Al-20Si中間合金制備的4012鋁合金釬料的金相組織Fig.2 Microstructures of 4012 aluminum alloy soldars with different Al-20Si master alloys

2.2 釬焊潤(rùn)濕性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證兩種中間合金制備的鑄態(tài)4012鋁合金釬料釬焊性能的差異，將酸堿清洗后的4012鋁合金釬料與3003鋁合金母材同時(shí)放入真空釬焊爐進(jìn)行不同制度的釬焊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同釬焊制度的4012鋁合金釬料釬焊試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Macroscopic morphologies of 4012 aluminum alloy soldars brazed with different brazing parameters

由圖3可知，當(dāng)兩種4012鋁合金釬料在595 ℃保溫60 min后， 1#-1釬料釬焊后優(yōu)先發(fā)生熔化，并出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，潤(rùn)濕性較好；而2#-1釬料釬焊后雖然出現(xiàn)坍塌，但沒(méi)有潤(rùn)濕，說(shuō)明2#-1釬料的破除氧化膜能力較差。繼續(xù)提高釬焊溫度到605 ℃，保溫60 min時(shí)，兩種釬料均發(fā)生了熔化，并潤(rùn)濕母材，但2#-1釬料的潤(rùn)濕面積明顯小于1#-1釬料的，由此可以推斷2#-1釬料的流淌性略差。經(jīng)過(guò)615 ℃保溫60 min后，兩種4012鋁合金釬料熔體潤(rùn)濕面積均小于605 ℃保溫60 min的，母材背面可以清晰地看到熔蝕區(qū)域(圖3d)，這是由于釬焊溫度過(guò)高，導(dǎo)致母材發(fā)生熔蝕，釬料大量滲入，但2#-1釬料的滲透量較多。

釬焊后試樣的金相組織如圖4、圖5所示。由圖可以看出，在不同的釬焊制度下，4012鋁合金釬料組織的擴(kuò)散厚度有所不同：當(dāng)釬焊制度為605 ℃保溫60 min時(shí)，1#-1釬料的擴(kuò)散率(擴(kuò)散厚度÷母材厚度)為35%，而2#-1釬料的擴(kuò)散率為47%；當(dāng)釬焊溫度升為615 ℃，保溫60 min時(shí)，兩者的擴(kuò)散率分別為72%及71%，基本相同。另外，1#-1釬料釬焊后的組織中Si相多呈針條狀，在2#-1釬料釬焊后的組織中依然可以觀察到塊狀的Si相(如橢圓所示位置)。

圖5 不同鑄態(tài)4012鋁合金釬料在615 ℃保溫60 min釬焊后的微觀組織形貌Fig.5 Microstructures of different cast 4012 aluminum alloy solders being brazed and holding for 60 min at 615 ℃

2.3 鑄態(tài)4012鋁合金釬料的重熔試驗(yàn)

對(duì)兩種4012鋁合金釬料進(jìn)行重熔試驗(yàn)，熔化溫度為720 ℃，并分別采用快冷模具、普通模具、坩堝以及隨爐冷卻四種方式進(jìn)行冷卻，以觀察不同的冷卻速度對(duì)Si相形貌的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，1#-1釬料重熔后在不同冷卻速度澆鑄的情況下，均無(wú)明顯的塊狀Si相；而2#-1釬料重熔后僅在金屬鑄模冷卻條件下未發(fā)現(xiàn)塊狀Si相(圖6f)，其余情況下均出現(xiàn)熔化前的組織形貌特征，說(shuō)明塊片狀初晶硅相具有一定的遺傳效應(yīng)。

3 分析討論

在室溫下，Al-Si合金分為Si溶于鋁的固溶體α相和Al溶于Si的固溶體β相。577 ℃為Al-Si合金的共晶溫度，在此溫度下Si在α相中的溶解度最高，w(Si)=1.65%。Al在β相中溶解度極低，一般將β相看做純Si。w(Si)<12.2%時(shí)，合金結(jié)晶過(guò)程先析出α相，降至共晶溫度時(shí)，再析出α+β共晶體，通常把共晶體中的β相稱為共晶硅；w(Si)>12.2%時(shí)，合金結(jié)晶過(guò)程先析出β相，通常把這種β相稱為初晶硅。影響初晶硅形貌的主要影響因素包括：冷卻速度、過(guò)熱溫度以及合金元素。從表1中可以看出兩種中間合金的合金元素含量并無(wú)明顯差別，因此導(dǎo)致兩種中間合金具有不同Si相形貌的主要原因是鑄造工藝不同。

重熔試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了明顯的遺傳現(xiàn)象。根據(jù)前蘇聯(lián) П.С.Попепъ的文獻(xiàn)中所提到的相關(guān)理論[6]，金屬熔體在接近液相溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)保持原料組織形態(tài)的亞穩(wěn)定膠狀物質(zhì)層，這種物質(zhì)通常會(huì)成為冶金組織遺傳性的載體。要想破壞金屬的組織遺傳性，需要合金化溫度高于臨界溫度值。也就是說(shuō)，兩種中間合金在生產(chǎn)過(guò)程中由于工藝制度不同導(dǎo)致了不同的Si相形貌。而本次重熔試驗(yàn)中選用的熔化溫度未到達(dá)破壞原料組織遺傳性的臨界溫度，因而中間合金Si相組織具有明顯的遺傳性。

同時(shí)，從重熔試驗(yàn)結(jié)果可以看出，冷卻速度居中的金屬鑄模得到的片狀初晶硅的尺寸最小。這是由于初晶硅熔點(diǎn)較高，可能在澆注前的液相中就已經(jīng)形核，當(dāng)選用慢冷方式澆鑄時(shí)，初晶硅晶核的長(zhǎng)大速度大于形核速度，所以冷卻速度偏低時(shí)，初晶硅的尺寸較大(見(jiàn)圖6b)。隨冷卻速度度升高(鑄模澆鑄)，由于金屬鑄模的吸熱作用，導(dǎo)致熔體溫度很快降到液相線以下，澆注前的熔體中初晶硅來(lái)不及長(zhǎng)大，最終獲得尺寸較小的初晶硅(見(jiàn)圖6d)。隨冷卻速度進(jìn)一步提高(快冷模具)，空氣快速吸收了大量的熱量而降低了初晶硅形核所需的熱激活能，從而初晶硅相的長(zhǎng)大再次起主導(dǎo)作用，因此所獲初晶硅尺寸較大(見(jiàn)圖6h)。因此，在高硅合金澆注過(guò)程中存在一個(gè)最佳冷卻速度，對(duì)于本試驗(yàn)的結(jié)果而言，最佳冷卻方式為普通金屬鑄模澆鑄。

此外，從釬焊潤(rùn)濕性試驗(yàn)結(jié)果可以看到，1#中間合金制備的4012鋁合金釬料具有優(yōu)先熔化現(xiàn)象。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因有以下兩方面：一方面，長(zhǎng)期以來(lái)多重孿晶凹角生長(zhǎng)機(jī)制(TPRE，twin plane re-rent rant edge)被認(rèn)為是硅晶體的主要生長(zhǎng)方式[7]，但Hellawell等人認(rèn)為，片狀Si相的生長(zhǎng)方式主要以片層堆垛生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行[8]；不同形貌的初晶硅相在熔化過(guò)程中產(chǎn)生了不同的生長(zhǎng)機(jī)制，而擁有片狀Si相生長(zhǎng)所需能量大于五星瓣?duì)頢i相所需的，因此受熱過(guò)程中會(huì)較慢熔化。另一方面，可能是由于2#中間合金制備的試樣在595 ℃時(shí)出現(xiàn)氧化膜包覆現(xiàn)象而未發(fā)生釬料流淌。這說(shuō)明兩種中間合金在相同鎂含量的條件下，破除氧化膜的能力存在差異，推測(cè)是由于不同形貌的初晶硅與Mg元素形成了不同的化合物，在高溫釬焊過(guò)程中部分化合物未揮發(fā)出足夠的活性Mg，未起到吸附氧氣的作用，形成了較厚的氧化膜導(dǎo)致釬料無(wú)法流淌。具體原因還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比不同微觀組織的Al-20Si中間合金制備的4012鋁合金釬料的釬焊潤(rùn)濕性試驗(yàn)和重熔試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)用的不同Al-20Si中間合金具有不同的Si相形貌， 1#試樣中Si相呈五星瓣?duì)钋页叽巛^大，而2#試樣中Si相呈片塊狀、尺寸較小，主要是由于中間合金制備過(guò)程中的工藝參數(shù)不同所導(dǎo)致的。

2)用1#中間合金制備的4012鋁合金釬料熔化溫度較低且潤(rùn)濕性較好。

3)對(duì)兩種釬料以不同冷卻速度重熔鑄造試驗(yàn)后，兩種試樣的微觀組織中依然保留著熔化前的微觀組織特征，說(shuō)明Si相具有一定的組織遺傳性。