一种具有球晶组织的半固态Zn-Al合金钎料

石 磊,闫久春,韩焱飞,彭 勃

(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001)

一种具有球晶组织的半固态Zn-Al合金钎料

石 磊,闫久春,韩焱飞,彭 勃

(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨150001)

通过熔炼、浇注以及等温热处理的方法制备了具有球晶组织的Zn-Al合金,并采用重熔实验、等温压缩实验和振动辅助半固态钎焊实验研究了半固态Zn-Al合金的固相率与温度的关系、压缩变形行为以及作为钎料的可钎焊性。结果表明:半固态Zn-Al合金在压缩变形时,具有较强的抗变形能力;作为钎料,在钎焊过程中其固相率能控制在(64±5)%范围内,所得钎焊接头中仅在钎缝边缘处界面上有少许氧化膜残留,而其他区域界面上的氧化膜都被彻底去除。

Zn-Al合金;半固态;钎料;钎焊;压缩变形

振动辅助半固态钎焊技术是利用钎料处于半固态时所具有的良好的流动能力和较强的抗变形能力,通过外加机械振动的方法实现在非真空、无钎剂条件下,物理地去除铝合金及其复合材料表面的氧化膜,以形成牢固接头的一种特殊钎焊技术[1-4]。这种技术对半固态的钎料合金具有一些特殊要求:首先要求钎料在半固态下具有球晶组织,这样才能避免由于枝晶的相互搭接、缠绕,而使半固态金属变得如同固态,以致丧失流动性[5]。其次在钎焊时对钎料固相率(fs)有严格限制,通过大量的钎焊试验研究表明,在钎焊时当固相率保持在60%～70%之间时,钎料不仅能平稳地充填钎缝,还能很好地去除氧化膜。一般认为,当固相率小于40%时,半固态金属的流动性像水一样,而无抵抗变形的能力;当固相率高于80%时,半固态金属又几乎没有流动性;只有当固相率为40%～80%时,半固态金属的流动性才能变得像软冰激凌一样[6,7];其中尤其当固相率达到60%～70%时,由于固相微粒间已经形成了“骨架”[5],此时的半固态金属不仅具有合适的流动能力,还具有较强的抗变形能力,满足振动辅助半固态钎焊的要求。

目前,振动辅助半固态钎焊所使用的钎料为普通的Zn-Al合金钎料[1-4],这种钎料由于固-液温度区间很窄,导致固相率随温度波动变化很大,这就给钎焊过程中关键工艺参数——钎料固相率的控制带来了困难,严重影响了氧化膜的去除效果,降低了焊接过程的稳定性。为此,有必要研制一种特别针对于该钎焊工艺所使用的固-液温度区间较大的具有球晶组织的半固态钎焊材料。

由于Zn-Al二元合金体系具有共晶温度较低,约为381℃;在共晶点富Al侧存在一个100℃的潜在半固态温度区间;与铝合金润湿性良好;合金强度高,制备成本低等优点。因此本研究基于Zn-Al合金体系来发展一种适合于铝合金及其复合材料振动辅助半固态钎焊的钎料合金。

本工作首先制备了一种具有球晶组织的Zn-Al合金材料,并研究了该合金处于半固态时的一些重要物理特性,此外还将这种 Zn-Al合金作为钎料来用于SiCp/Al复合材料的振动辅助半固态钎焊,观察所得钎焊接头的界面结构,分析其作为钎料的可钎焊性,旨在为铝合金及其复合材料的振动辅助半固态钎焊提供一种可用钎料。

1 材料的成分设计与制备

根据Zn-Al二元合金相图,选择通过提高 Zn-Al合金中Al含量的方法来使制得的Zn-Al合金钎料不仅具有足够大的半固态温度区间,而且在共晶点温度之上合金中还有足够多的固相成分存在。此外,通过向合金中添加一些强化元素,如:Cu,Si和Mg,来提高Zn-Al合金的力学性能[8,9]。由于在 Al含量较高的Zn-Al合金中α-Al相一般为粗大的树枝晶,这不利于通过后续的热处理来得到球状组织,因此,这里添加元素Zr作为细化剂来使α-Al相由粗大的树枝晶向细小的等轴晶转变[9,10],设计的 Zn-Al合金化学成分配比如表1所示。

表1 Zn-Al合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of the Zn-Al alloy(mass fraction/%)

Zn-Al合金的熔炼以纯锌和纯铝锭为原料,在熔炼过程中分别以条、粉和块的形式加入电解铜、纯硅和纯镁,并以氟锆酸钾(K2ZrF6)粉末的形式加入Zr。在高频感应加热炉中熔炼,浇注温度约为600℃,用金属型浇注。浇注的Zn-Al合金化学成分经X射线衍射(XRD)分析测试见表1。该合金的差热分析(DTA)曲线如图1所示,可见其固、液相线温度分别为376℃和493℃,半固态温度区间达到117℃。

图1 Zn-Al合金熔化的差热分析曲线Fig.1 DTA curve during melting the Zn-Al alloy

浇注Zn-Al合金的室温组织由细小树枝状的α-Al初晶和 Zn-Al-Cu三元共晶组成,如图2(a)所示。为了得到一种球晶组织,采用半固态等温热处理的方法[11],具体步骤如下:首先将浇注的Zn-Al合金锭加工成尺寸为φ12mm×50mm的坯样,然后在电阻炉中将其加热至半固态温度435℃并保温15min,促使固态的α-Al初晶充分球化,之后立即将其取出急冷。经上述热处理后Zn-Al合金的微观组织如图2(b)所示,可见得到了一种由球状的α-Al晶粒以及分布于其间的液相所组成的非枝晶组织。

图2 Zn-Al合金的微观组织 (a)铸态下;(b)经等温热处理Fig.2 Microstructures of Zn-Al alloy (a)casting;(b)isothermal heat treatment

2 半固态物理特性的分析

2.1 固相率与温度的关系

将浇注的 Zn-Al合金锭加工成尺寸为φ8mm×12mm的圆柱体,然后在电阻炉中将其加热至半固态不同温度重熔并保温5min,之后立即取出水淬,制成金相试样。利用光学显微镜(Olympus GX71)观察其组织,并利用相分析软件计算α-Al初晶在金相照片中所占的面积百分比,既固相率fs。计算步骤如下:首先对视场内的图像进行采集;然后把采集的图片进行色彩分离,得到一张灰度图;之后通过设定相1的上、下界灰度阈值,使相1所代表的区域恰好能覆盖灰度图中α-Al初晶的区域;最后计算相1区域占整个图片的面积百分比。对每个试样分别计算3个不同位置处的面积比,并取其平均值作为该温度下的固相率。图3所示为所测得的半固态Zn-Al合金固相率随温度变化曲线,可见当温度在435～490℃范围内变化时,Zn-Al合金相应的固相率变化范围为85%～0%;当温度在445℃±2℃范围内波动时,其相应固相率在(64±5)%范围内变化。

图3 半固态Zn-Al合金的固相率与温度之间的关系Fig.3 Relationship between solid fraction and temperature of semi-solid Zn-Al alloy

2.2 压缩变形行为

在电子万能材料试验机(Instron 5500R)上进行半固态等温压缩试验,实验过程如下:将经过半固态等温热处理的坯样重新加工成尺寸为φ10mm×1mm的试样,并和两个铁压块以压块/试样/压块这种“三明治”式结构垂直放置于电阻炉中,其中压块的尺寸为φ10mm×40mm;然后一起加热至445℃并保温5min,此时Zn-Al合金的固相率为64%;随后在不同的应变速率下分别施以压缩,待压缩结束后立即取出试样并水淬。

图4所示为应变速率分别为 10-2,10-1s-1和1s-1时半固态等温压缩的应力-应变曲线,可见在压缩过程中应力随着应变的增加而增加,尤其当应变速率为1s-1时应力与应变几乎成正比关系;并且应力随应变的增加速率也随着应变速率的增加而增加。从图中还可以看出,半固态Zn-Al合金在这种小尺寸条件下,其压缩变形需要较大的应力,最大应力达到230MPa,表现为具有较强的抗变形能力。当将这种小尺寸的Zn-Al合金作为钎料片用来振动辅助半固态钎焊时,这种较强的抗变形能力有利于去除母材表面的氧化膜。

图4 半固态Zn-Al合金在不同压缩应变速率下的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of compressions performed at different strain rates on the semi-solid Zn-Al alloy

2.3 振动辅助的半固态钎焊试验

将上述尺寸为φ10mm×1mm的Zn-Al合金试样作为钎料片,用于SiCp/Al复合材料的振动辅助半固态钎焊。该复合材料的基体为ZL101A,所含SiC颗粒体积比为20%,工件尺寸为φ10mm×40mm。钎焊具体过程如下:通过一组高频感应线圈将 Zn-Al合金钎料和工件一起加热至半固态钎焊温度445℃;然后施加频率为30Hz、振幅为1.2mm(p-p)的机械振动30s,在振动过程中钎焊温度保持在445℃±2℃范围内;待振动结束后关闭电源,让钎焊接头空冷至室温。

图5所示为SiCp/Al复合材料振动辅助半固态钎焊接头的典型界面结构,可见在钎缝中仅在边缘处界面上有少许呈断续状的氧化膜残留,如图5(b)所示;而钎缝中其他区域界面上的氧化膜都被彻底去除,如图5(c)所示;并且随着界面上氧化膜的去除,钎料与母材之间发生了一定程度的扩散、溶解,导致在界面上Zn和Al元素存在着一定的浓度梯度,如图5(c)所示,可见Zn-Al合金钎料与母材之间形成了良好的冶金结合。从图中还可以看出,经机械振动后钎缝中Zn-Al合金的球状α-Al初晶发生了明显的破碎、细化现象,外形变得很不规则。

3 结论

(1)经过熔炼、浇注以及半固态等温热处理,最终得到具有球晶组织的Zn-Al合金,其半固态温度区间达到117℃,并且在半固态温度区间435～490℃时,其相应的固相率变化范围为85%～0%。

(2)当 Zn-Al合金在尺寸 φ10mm×1mm、温度445℃、相应固相率64%的条件下进行半固态等温压缩时,其变形需要较大的应力,最大应力达到230MPa,表现为具有较强的抗变形能力。

图5 钎焊接头的界面结构(a)整个截面;(b)边缘区域Ⅱ;(c)中心区域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)将Zn-Al合金作为钎料用来振动辅助半固态钎焊SiCp/Al复合材料,在钎焊过程中固相率可以控制在(64±5)%范围内,并且所得钎焊接头的界面上氧化膜去除比较彻底,适合用于铝合金及其复合材料的振动辅助半固态钎焊。

[1] 许惠斌.SiCp/ZL101A复合材料振动辅助非真空半固态扩散钎焊[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[2] 许惠斌,闫久春,李大成,等.SiCp/ZL101A复合材料半固态振动扩散钎焊[J].焊接学报,2008,29(5):13-17.

[3] 许惠斌,闫久春,李大成,等.SiCp/ZL101A复合材料半固态振动钎焊新工艺[J].热加工工艺,2008,37(11):55-57.

[4] YAN J C,XU H B,SHI L,et al.Vibration assisted brazing of SiCp/A356 composites:microstructure and mechanical behaviour[J].Science and Technology of welding and joining,2008,13(8):760-764.

[5] 康永林,毛卫民,胡壮麒.金属材料半固态加工理论与技术[M].北京:科学出版社,2004.

[6] KIUCHI M,SUGIYAMA S.Characterization of semi-solid alloys made by SCR-process[A].The 4thInternational Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites[C].U K:University of Sheffield,1996.197-201.

[7] 毛卫民.半固态金属成形技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[8] 李荣德,于海朋,袁晓光.合金元素在压铸合金中的作用及研究现状[J].特种铸造及有色合金,2004,(1):18-21.

[9] 陆伟,严彪.铸造锌铝合金的研究进展及其应用[J].上海有色金属,2004,25(1):13-17.

[10] 陈体军,郝远,狄杰建,等.变质剂对ZA27合金半固态等温热处理组织的影响[J].热加工工艺,2001,(4):23-25.

[11] 郝远,狄杰建,陈体军,等.ZA27合金在半固态等温热处理中的相变研究[J].材料科学与工程,2001,19(3):69-73.

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

国家自然科学基金资助项目(50575057)

2010-06-20;

2010-07-19

石磊(1982—),男,博士研究生,主要从事振动辅助半固态钎焊技术的研究及应用,联系地址:哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001),E-mail:shileihit@163.com