石 磊,閆久春,韓焱飛,彭 勃

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室,哈爾濱150001)

一種具有球晶組織的半固態(tài)Zn-Al合金釬料

石 磊,閆久春,韓焱飛,彭 勃

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室,哈爾濱150001)

通過熔煉、澆注以及等溫?zé)崽幚淼姆椒ㄖ苽淞司哂星蚓ЫM織的Zn-Al合金,并采用重熔實驗、等溫壓縮實驗和振動輔助半固態(tài)釬焊實驗研究了半固態(tài)Zn-Al合金的固相率與溫度的關(guān)系、壓縮變形行為以及作為釬料的可釬焊性。結(jié)果表明:半固態(tài)Zn-Al合金在壓縮變形時,具有較強(qiáng)的抗變形能力;作為釬料,在釬焊過程中其固相率能控制在(64±5)%范圍內(nèi),所得釬焊接頭中僅在釬縫邊緣處界面上有少許氧化膜殘留,而其他區(qū)域界面上的氧化膜都被徹底去除。

Zn-Al合金;半固態(tài);釬料;釬焊;壓縮變形

振動輔助半固態(tài)釬焊技術(shù)是利用釬料處于半固態(tài)時所具有的良好的流動能力和較強(qiáng)的抗變形能力,通過外加機(jī)械振動的方法實現(xiàn)在非真空、無釬劑條件下,物理地去除鋁合金及其復(fù)合材料表面的氧化膜,以形成牢固接頭的一種特殊釬焊技術(shù)[1-4]。這種技術(shù)對半固態(tài)的釬料合金具有一些特殊要求:首先要求釬料在半固態(tài)下具有球晶組織,這樣才能避免由于枝晶的相互搭接、纏繞,而使半固態(tài)金屬變得如同固態(tài),以致喪失流動性[5]。其次在釬焊時對釬料固相率(fs)有嚴(yán)格限制,通過大量的釬焊試驗研究表明,在釬焊時當(dāng)固相率保持在60%～70%之間時,釬料不僅能平穩(wěn)地充填釬縫,還能很好地去除氧化膜。一般認(rèn)為,當(dāng)固相率小于40%時,半固態(tài)金屬的流動性像水一樣,而無抵抗變形的能力;當(dāng)固相率高于80%時,半固態(tài)金屬又幾乎沒有流動性;只有當(dāng)固相率為40%～80%時,半固態(tài)金屬的流動性才能變得像軟冰激凌一樣[6,7];其中尤其當(dāng)固相率達(dá)到60%～70%時,由于固相微粒間已經(jīng)形成了“骨架”[5],此時的半固態(tài)金屬不僅具有合適的流動能力,還具有較強(qiáng)的抗變形能力,滿足振動輔助半固態(tài)釬焊的要求。

目前,振動輔助半固態(tài)釬焊所使用的釬料為普通的Zn-Al合金釬料[1-4],這種釬料由于固-液溫度區(qū)間很窄,導(dǎo)致固相率隨溫度波動變化很大,這就給釬焊過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)——釬料固相率的控制帶來了困難,嚴(yán)重影響了氧化膜的去除效果,降低了焊接過程的穩(wěn)定性。為此,有必要研制一種特別針對于該釬焊工藝所使用的固-液溫度區(qū)間較大的具有球晶組織的半固態(tài)釬焊材料。

由于Zn-Al二元合金體系具有共晶溫度較低,約為381℃;在共晶點富Al側(cè)存在一個100℃的潛在半固態(tài)溫度區(qū)間;與鋁合金潤濕性良好;合金強(qiáng)度高,制備成本低等優(yōu)點。因此本研究基于Zn-Al合金體系來發(fā)展一種適合于鋁合金及其復(fù)合材料振動輔助半固態(tài)釬焊的釬料合金。

本工作首先制備了一種具有球晶組織的Zn-Al合金材料,并研究了該合金處于半固態(tài)時的一些重要物理特性,此外還將這種 Zn-Al合金作為釬料來用于SiCp/Al復(fù)合材料的振動輔助半固態(tài)釬焊,觀察所得釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu),分析其作為釬料的可釬焊性,旨在為鋁合金及其復(fù)合材料的振動輔助半固態(tài)釬焊提供一種可用釬料。

1 材料的成分設(shè)計與制備

根據(jù)Zn-Al二元合金相圖,選擇通過提高 Zn-Al合金中Al含量的方法來使制得的Zn-Al合金釬料不僅具有足夠大的半固態(tài)溫度區(qū)間,而且在共晶點溫度之上合金中還有足夠多的固相成分存在。此外,通過向合金中添加一些強(qiáng)化元素,如:Cu,Si和Mg,來提高Zn-Al合金的力學(xué)性能[8,9]。由于在 Al含量較高的Zn-Al合金中α-Al相一般為粗大的樹枝晶,這不利于通過后續(xù)的熱處理來得到球狀組織,因此,這里添加元素Zr作為細(xì)化劑來使α-Al相由粗大的樹枝晶向細(xì)小的等軸晶轉(zhuǎn)變[9,10],設(shè)計的 Zn-Al合金化學(xué)成分配比如表1所示。

表1 Zn-Al合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the Zn-Al alloy(mass fraction/%)

Zn-Al合金的熔煉以純鋅和純鋁錠為原料,在熔煉過程中分別以條、粉和塊的形式加入電解銅、純硅和純鎂,并以氟鋯酸鉀(K2ZrF6)粉末的形式加入Zr。在高頻感應(yīng)加熱爐中熔煉,澆注溫度約為600℃,用金屬型澆注。澆注的Zn-Al合金化學(xué)成分經(jīng)X射線衍射(XRD)分析測試見表1。該合金的差熱分析(DTA)曲線如圖1所示,可見其固、液相線溫度分別為376℃和493℃,半固態(tài)溫度區(qū)間達(dá)到117℃。

圖1 Zn-Al合金熔化的差熱分析曲線Fig.1 DTA curve during melting the Zn-Al alloy

澆注Zn-Al合金的室溫組織由細(xì)小樹枝狀的α-Al初晶和 Zn-Al-Cu三元共晶組成,如圖2(a)所示。為了得到一種球晶組織,采用半固態(tài)等溫?zé)崽幚淼姆椒╗11],具體步驟如下:首先將澆注的Zn-Al合金錠加工成尺寸為φ12mm×50mm的坯樣,然后在電阻爐中將其加熱至半固態(tài)溫度435℃并保溫15min,促使固態(tài)的α-Al初晶充分球化,之后立即將其取出急冷。經(jīng)上述熱處理后Zn-Al合金的微觀組織如圖2(b)所示,可見得到了一種由球狀的α-Al晶粒以及分布于其間的液相所組成的非枝晶組織。

圖2 Zn-Al合金的微觀組織 (a)鑄態(tài)下;(b)經(jīng)等溫?zé)崽幚鞦ig.2 Microstructures of Zn-Al alloy (a)casting;(b)isothermal heat treatment

2 半固態(tài)物理特性的分析

2.1 固相率與溫度的關(guān)系

將澆注的 Zn-Al合金錠加工成尺寸為φ8mm×12mm的圓柱體,然后在電阻爐中將其加熱至半固態(tài)不同溫度重熔并保溫5min,之后立即取出水淬,制成金相試樣。利用光學(xué)顯微鏡(Olympus GX71)觀察其組織,并利用相分析軟件計算α-Al初晶在金相照片中所占的面積百分比,既固相率fs。計算步驟如下:首先對視場內(nèi)的圖像進(jìn)行采集;然后把采集的圖片進(jìn)行色彩分離,得到一張灰度圖;之后通過設(shè)定相1的上、下界灰度閾值,使相1所代表的區(qū)域恰好能覆蓋灰度圖中α-Al初晶的區(qū)域;最后計算相1區(qū)域占整個圖片的面積百分比。對每個試樣分別計算3個不同位置處的面積比,并取其平均值作為該溫度下的固相率。圖3所示為所測得的半固態(tài)Zn-Al合金固相率隨溫度變化曲線,可見當(dāng)溫度在435～490℃范圍內(nèi)變化時,Zn-Al合金相應(yīng)的固相率變化范圍為85%～0%;當(dāng)溫度在445℃±2℃范圍內(nèi)波動時,其相應(yīng)固相率在(64±5)%范圍內(nèi)變化。

圖3 半固態(tài)Zn-Al合金的固相率與溫度之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between solid fraction and temperature of semi-solid Zn-Al alloy

2.2 壓縮變形行為

在電子萬能材料試驗機(jī)(Instron 5500R)上進(jìn)行半固態(tài)等溫壓縮試驗,實驗過程如下:將經(jīng)過半固態(tài)等溫?zé)崽幚淼呐鳂又匦录庸こ沙叽鐬棣?0mm×1mm的試樣,并和兩個鐵壓塊以壓塊/試樣/壓塊這種“三明治”式結(jié)構(gòu)垂直放置于電阻爐中,其中壓塊的尺寸為φ10mm×40mm;然后一起加熱至445℃并保溫5min,此時Zn-Al合金的固相率為64%;隨后在不同的應(yīng)變速率下分別施以壓縮,待壓縮結(jié)束后立即取出試樣并水淬。

圖4所示為應(yīng)變速率分別為 10-2,10-1s-1和1s-1時半固態(tài)等溫壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可見在壓縮過程中應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增加,尤其當(dāng)應(yīng)變速率為1s-1時應(yīng)力與應(yīng)變幾乎成正比關(guān)系;并且應(yīng)力隨應(yīng)變的增加速率也隨著應(yīng)變速率的增加而增加。從圖中還可以看出,半固態(tài)Zn-Al合金在這種小尺寸條件下,其壓縮變形需要較大的應(yīng)力,最大應(yīng)力達(dá)到230MPa,表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的抗變形能力。當(dāng)將這種小尺寸的Zn-Al合金作為釬料片用來振動輔助半固態(tài)釬焊時,這種較強(qiáng)的抗變形能力有利于去除母材表面的氧化膜。

圖4 半固態(tài)Zn-Al合金在不同壓縮應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of compressions performed at different strain rates on the semi-solid Zn-Al alloy

2.3 振動輔助的半固態(tài)釬焊試驗

將上述尺寸為φ10mm×1mm的Zn-Al合金試樣作為釬料片,用于SiCp/Al復(fù)合材料的振動輔助半固態(tài)釬焊。該復(fù)合材料的基體為ZL101A,所含SiC顆粒體積比為20%,工件尺寸為φ10mm×40mm。釬焊具體過程如下:通過一組高頻感應(yīng)線圈將 Zn-Al合金釬料和工件一起加熱至半固態(tài)釬焊溫度445℃;然后施加頻率為30Hz、振幅為1.2mm(p-p)的機(jī)械振動30s,在振動過程中釬焊溫度保持在445℃±2℃范圍內(nèi);待振動結(jié)束后關(guān)閉電源,讓釬焊接頭空冷至室溫。

圖5所示為SiCp/Al復(fù)合材料振動輔助半固態(tài)釬焊接頭的典型界面結(jié)構(gòu),可見在釬縫中僅在邊緣處界面上有少許呈斷續(xù)狀的氧化膜殘留,如圖5(b)所示;而釬縫中其他區(qū)域界面上的氧化膜都被徹底去除,如圖5(c)所示;并且隨著界面上氧化膜的去除,釬料與母材之間發(fā)生了一定程度的擴(kuò)散、溶解,導(dǎo)致在界面上Zn和Al元素存在著一定的濃度梯度,如圖5(c)所示,可見Zn-Al合金釬料與母材之間形成了良好的冶金結(jié)合。從圖中還可以看出,經(jīng)機(jī)械振動后釬縫中Zn-Al合金的球狀α-Al初晶發(fā)生了明顯的破碎、細(xì)化現(xiàn)象,外形變得很不規(guī)則。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過熔煉、澆注以及半固態(tài)等溫?zé)崽幚?最終得到具有球晶組織的Zn-Al合金,其半固態(tài)溫度區(qū)間達(dá)到117℃,并且在半固態(tài)溫度區(qū)間435～490℃時,其相應(yīng)的固相率變化范圍為85%～0%。

(2)當(dāng) Zn-Al合金在尺寸 φ10mm×1mm、溫度445℃、相應(yīng)固相率64%的條件下進(jìn)行半固態(tài)等溫壓縮時,其變形需要較大的應(yīng)力,最大應(yīng)力達(dá)到230MPa,表現(xiàn)為具有較強(qiáng)的抗變形能力。

圖5 釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)(a)整個截面;(b)邊緣區(qū)域Ⅱ;(c)中心區(qū)域ⅠFig.5 Interface structure of brazed joint(a)whole section of joint;(b)enlarged view of II zone;(c)enlarged view of I zone

(3)將Zn-Al合金作為釬料用來振動輔助半固態(tài)釬焊SiCp/Al復(fù)合材料,在釬焊過程中固相率可以控制在(64±5)%范圍內(nèi),并且所得釬焊接頭的界面上氧化膜去除比較徹底,適合用于鋁合金及其復(fù)合材料的振動輔助半固態(tài)釬焊。

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Development of a Semi-solid Zn-Al Alloy Filler Metal with Globular Grains

SHI Lei,YAN Jiu-chun,HAN Yan-fei,PENGBo
(State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

The Zn-Al alloy with globular grains has been fabricated by smelting,pouring and isothermal heat treating;and the relationship between solid volume fraction and temperature,compressive deformation behavior and braze ability to serve as filler metal for the Zn-Al alloy in semi-solid state have been investigated by the experiments of remelting,isothermal compressing and vibration assisted semi-solid brazing.The results indicate that:the semi-solid Zn-Al alloy has an intensive deformation resistance during compression;for serving the Zn-Al alloy as filler metal,the fluctuation of solid fraction for filler metal with temperature can be controlled in the range of(64±5)%during brazing process,and the oxide layer is disrupted thoroughly on the interface of brazed joint.

Zn-Al alloy;semi-solid state;filler metal;brazing;compressive deformation

TG454.14

A

1001-4381(2010)10-0065-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(50575057)

2010-06-20;

2010-07-19

石磊(1982—),男,博士研究生,主要從事振動輔助半固態(tài)釬焊技術(shù)的研究及應(yīng)用,聯(lián)系地址:哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室(150001),E-mail:shileihit@163.com