ZK60镁合金的炉中钎焊工艺

徐学利，王 纯，侯军才，张 超

（1.西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065；2.陕西理工学院材料科学与工程学院，汉中723003；3.中国石油宝鸡钢管有限责任公司研究院，宝鸡721008）

0 引 言

镁合金是目前国内外正在积极开发的一种轻型材料，由于它具有较高的比强度、较低的密度、良好的可回收性能［1］以及优良的阻尼和电磁屏蔽性能，被誉为21世纪“绿色工程材料”［2-3］。其中ZK系镁合金的综合力学性能优异［4］，主要用于汽车、通讯、航天工业等领域。但由于其熔点低、线膨胀系数和导热系数高，在熔化焊焊接过程中容易出现氧化燃烧、热影响区过宽等问题，加之ZK60镁合金中锌含量较高，熔化焊焊接时热裂纹倾向非常大，因而很难采用传统的电弧焊等熔化焊方法进行焊接［5］。目前，有关镁合金焊接方法的研究主要集中在电子束、激光、TIG电弧熔焊以及搅拌摩擦焊等方面［6］，但镁合金钎焊技术研究尚处于起步阶段。理论上锌能与镁合金发生冶金作用［7］，为此，作者采用纯锌钎料对ZK60镁合金进行炉中钎焊试验，研究了钎焊温度与保温时间对接头组织与性能的影响，以期为镁合金的钎焊技术研究积累经验和提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验采用高强形变镁合金ZK60（轧制态），其化学成分（质量分数／%）为：0.05Al，0.10Mn，6.0Zn，0.7Zr，余Mg。采用线切割方法将镁合金加工成尺寸20mm×10mm×2mm的试样。钎料为0.1mm厚的纯锌箔（纯度不小于99.95%）。焊接设备为真空（真空度为10-1～10-2Pa）／氩气（氩气纯度99.99%）保护两用钎焊炉。焊前，去除母材表面的油污及氧化层，具体步骤：丙酮清洗→400＃、600＃砂纸打磨→20%NaOH溶液浸泡→清水冲洗并烘干；对钎料也进行去油污及氧化层处理，具体步骤：煤油、丙酮清洗→800＃、1200＃的砂纸打磨→密封备用。

钎焊试样连接形式为搭接，如图1所示，搭接长度10mm，间隙0.4mm，在试样表面连接热电偶进行温度控制。焊接试验在GY-40AB型真空／氩气保护两用钎焊炉中进行。试验前向炉中充入氩气以排除多余的空气，在整个钎焊过程中，炉内连续充氩气以防止接头发生氧化，氩气流量13L·min-1，试验温度为435～455℃。焊后焊件持续在氩气保护下冷却至室温。钎焊试验工艺参数见表1。

图1 钎焊试样的连接方式示意Fig.1 Schematic of connection of welding sample

表1 钎焊试验工艺参数及界面状态Tab.1 Parameters for welding test and interface state

分别在各个ZK60镁合金钎焊接头上取样，经打磨抛光后，用腐蚀液（苦味酸2.5g＋醋酸2.5mL＋乙醇150mL＋水10mL）进行腐蚀，然后采用DMI-5000M型扫描电镜观察接头显微组织；采用Durascan-700型全自动硬度仪测接头显微硬度，载荷10N，保载时间10s；采用D8Focus型X射线衍射仪（XRD）对接头中的物相进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 钎焊接头显微组织

由图2可以发现，1＃钎焊接头钎缝区中气孔粗大，未完全连接，有明显缺陷；2＃钎焊接头钎缝区中部分区域与两侧母材结合良好，但仍有部分粗大气孔；3＃钎焊接头钎缝区较窄、边界清晰整齐，整个钎缝区组织较致密，没有明显气孔；4＃钎焊接头钎缝区很窄，由于保温时间短，钎料熔化较少，导致合金尚未完全接合。而5＃钎焊接头由于保温时间过短、钎料熔化的液相量太少，钎缝区未接合，图略。2＃，3＃钎焊接头的钎焊质量较好，故以下讨论均是针对2＃，3＃钎焊接头进行的。

在钎焊过程中，母材表面与钎料发生反应，一部分镁原子参与了钎缝区组织的形成，并与钎料生成共晶相（α-Mg＋Mg51Zn20）。靠近母材区的接头扩散区的晶粒较细小，主要是由于母材中镁原子扩散所致，此区域实际发生了部分扩散，并未完全参与共晶反应；钎缝熔合区出现了树枝状组织。由镁锌二元相图［8］可知，钎缝熔合区的树枝状组织镁含量很高，推测其可能为α-Mg固溶体相。因为在接近母材处，随着钎焊温度提高，在焊接过程中镁原子发生进一步扩散，从而使接头中镁含量提高，达到一定浓度后，部分镁会在凝固过程中以固溶体形式析出。在固溶体周围的组织可能为镁锌共晶组织中的一相，由镁锌二元相图推测其为Mg51Zn20相。

由图3可以发现，3＃钎焊接头的扩散区和母材之间界限不明显，扩散区中组织呈树枝状生长，接头扩散区由固溶体（灰色区域）、镁锌化合物相（深灰条状）以及残留的不连续锌（中间灰白相间区域）三部分组成。在炉中温度为445℃左右保温时，锌箔与ZK60镁合金之间的扩散较充分，镁、锌间发生共晶反应，即造成中间层锌箔的液化和基体镁合金的溶解，形成固液界面。由于界面两侧镁、锌分布极不均匀，存在很大浓度梯度，故基体中的镁不断向钎缝一侧溶解。根据镁锌二元合金相图［8］分析，当锌固溶体中的镁含量达到饱和固溶度时（质量分数15.4%），便形成Mg2Zn11相；随着扩散时间的不断延长，当锌中的镁含量达到33.3%（质量分数，下同）时，便形成MgZn2、Mg2Zn3、MgZn、Mg51Zn20相；当锌固溶体中的镁含量超过71.8%时，便会形成液相。与此同时，锌向镁中扩散，开始在镁基体表面形成镁基固溶体，由于锌在镁中溶解度极小，便很快形成与之平衡的液相。

图2 不同钎焊工艺参数下钎焊接头的显微组织Fig.2 Microstructure of brazed joints using different brazing parameters

图3 3＃钎焊接头显微组织Fig.3 Microstructure of brazed joint 3＃at low （a）and high（b）magnifications

图4 2＃钎焊接头显微组织Fig.4 Microstructure of brazed joint 2＃

由图4可以发现，2＃钎焊接头的母材与钎缝界面清晰整齐，在母材侧可看到明显的钎料组元扩散反应区，但钎缝区组织粗大、疏松且有缩孔。其中组织粗大是由于钎焊温度偏高、在钎焊温度停留时间过长导致。组织疏松是由于镁合金在高温下易氧化且真空度不高，尽管钎焊前已去除表面氧化物，但也难免在钎焊过程中再次形成致密氧化膜。而缩孔的形成主要有两个原因。一方面，由于钎料融化后生成较多的液相在冷却过程中收缩导致；另一方面，当钎焊温度高于临界温度时，接头元素扩散速度很快，此时，钎缝温度过高，压力过大，导致钎缝中气体排出困难，最终在钎缝中心区域产生了缩孔。

2.2 钎焊接头的显微硬度

从图5可见，由于在加热扩散过程中，镁和锌之间发生共晶反应，中间层锌箔液化和基体镁溶解，形成固液界面，固液界面以镁锌金属间化合物存在，因此过渡区域硬度高于基体和钎缝的；3＃接头的钎缝硬度高于2＃接头的，是因为保温温度在445℃时，钎缝组织存在多种硬脆金属间化合物，因此其显微硬度比较高，温度升高10℃后，钎缝可能出现了氧化、溶蚀现象，导致硬度降低。

图5 钎焊接头的显微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of different brazed joints

2.3 钎缝的物相组成

测试结果表明，不同钎焊接头的物相组成相同，因此以3＃接头为例进行分析。从图6可以发现，钎缝由α-Mg、γ-MgZn两种相组成。镁锌发生反应后，对应于镁锌二元相图，当钎缝中的主要元素锌的质量分数在26%左右时，镁锌合金为具有亚共晶成分的二元合金。随着温度的降低，镁锌二元合金先发生匀晶转变生成初晶α-Mg相；当温度降至341℃时，发生共晶转变，生成α-Mg和β-Mg51Zn20相；温度继续降至325℃时，粗大的β-Mg51Zn20相开始发生共析转变，生成α-Mg和γ-MgZn相组成的共析组织。共析转变是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大过冷度，所以共析组织远比共晶组织细密；冷至室温后，钎缝合金组织由先共晶α-Mg相和（α-Mg，γ-MgZn）共析组织所组成，组成相为α-Mg、γ-MgZn。

图6 3＃钎焊接头钎缝XRD谱Fig.6 XRD patterns of brazing seam in brazed joint 3＃

3 结 论

（1）采用纯锌箔钎料在氩气保护条件下对ZK60镁合金进行炉中钎焊，可实现钎焊界面的冶金结合。

（2）钎焊温度和保温时间对接头组织和性能影响较大，在温度445℃、保温时间45s时，可以得到外观质量较好、钎缝区边界清晰整齐、组织致密、无气孔、无裂缝的接头，钎焊接头的平均、显微硬度在167HV左右；钎焊接头钎缝的组织由先共晶α-Mg相和（α-Mg，γ-MgZn）共析组织组成。

［1］李铁龙，杨新岐，王振山.焊速对AZ80镁合金搅拌摩擦焊接接头成型及组织的影响［J］.机械工程材料，2013，37（5）：26-29.

［2］初雅杰，李晓泉，吴申庆.镁合金焊接方法的研究进展［J］.机械工程材料，2010，34（6）：10-12.

［3］LIU Li-ming，SHEN Yong，ZHANG Zhao-dong.The effect of cadmium chloride flux in GAT welding of magnesium alloys［J］.Science and Technology of Welding ＆ Joining，2006，11（4）：398-402.

［4］谢丽初，陈振华，全亚杰.ZK60镁合金CO2激光焊接接头的组织与性能［J］.机械工程材料，2012，36（9）：11-13.

［5］张津，章宗和.镁合金［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［6］罗庆，徐道荣.AZ31镁合金的炉中钎焊试验研究［J］.轻合金加工技术，2008（3）：43-45.

［7］邹僖.钎焊［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［8］BAKER H.Alloy phase diagrams［M］.Ohio，United State：Materials Park，2006.