空气炉中铝-预镀层球墨铸铁钎焊工艺的实验研究

2021-02-22耿浩天

黑龙江科技大学学报 2021年1期

赵霞，耿浩天，吴一

(1.黑龙江科技大学材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022; 2.中建电力建设有限公司, 广东惠州 516353； 3.湘潭电机股份有限公司, 湖南湘潭 411100)

0 引言

铝和球墨铸铁的连结结构兼顾了铝的耐蚀性强、质轻和球墨铸铁的高强度、耐磨和减震等性能特点，已应用在汽车、航空航天等领域[1-2]。但球墨铸铁的焊接很不容易，铝和球墨铸铁的焊接就更不容易。不适宜采用熔化焊方法，一般选择钎焊。

气体保护炉中钎焊和真空炉中钎焊接头质量较好，但对设备的依赖性大，工艺复杂，效率低，成本高。因此，简便可靠的钎焊工艺是研究的一个方向[3]。空气炉中钎焊可以弥补气体保护炉中钎焊和真空炉中钎焊的不足。这种方法的原理简单，即把装配好的加有钎料和钎剂的焊件置入普通工业电炉中加热至钎焊温度，依靠钎剂去除焊件表面的氧化膜，钎料熔化后流入钎缝间隙，冷凝后形成接头。这种钎焊方法加热均匀，焊件变形小，需用的设备简单通用，成本较低。虽然加热速度较慢，但因一炉可同时钎焊多件，生产率仍然很高。笔者采用普通箱式电阻炉，在空气气氛中进行铝与球墨铸铁的钎焊实验，考察其可行性以及掌握相关的工艺要素[4-5]。

因球墨铸铁直接与铝进行钎焊时，球墨铸铁表面上的石墨不利于钎料的润湿，易导致接头冶金结合不良，而且铝和球墨铸铁的热膨胀系数相差较大，容易产生焊后应力及界面开裂[2]。因此采用球墨铸铁热浸镀铝的预镀覆工艺，将铝与球墨铸铁的钎焊变为铝与铝的钎焊，改善钎焊接头质量。

1 材料与方法

实验基材选QT400-15球墨铸铁和1A50工业纯铝，分别加工成尺寸为φ30 mm×4 mm、50 mm×30 mm×2 mm。所用钎料为粉末状AS-3钎料(成分见表1)，与粉末状FA-4钎剂配合，主要化学成分为氟铝酸钾。

炉中钎焊工艺流程：球墨铸铁预镀覆→焊前准备→钎焊→焊后处理。预镀覆工艺采用热浸镀铝，浸镀温度为760 ℃，浸镀时间5 min，预镀覆后镀层表面完整，致密，无漏镀，如图1a所示。炉中钎焊在SX-4-10箱式电阻炉内进行，钎焊温度535、540、545 ℃，保温时间12、15、18 min。钎焊后试件钎缝钎角钎料均匀，无漏焊，如图1b所示。

用XJB-1型金相显微镜和MX-2600FE型扫描电镜进行组织观察。用CMT5305微机控制电子万能实验机床进行剪切实验。

表1 AS-3钎料化学成分

图1 试件宏观观察Fig. 1 Macro observation photo of specimen

2 结果与讨论

2.1 钎缝组织分析

铝-预镀层球墨铸铁钎焊接头显微组织如图2所示。

图2 钎缝显微组织形貌Fig. 2 Brazing seam microstructure

由图2可见，钎焊接头由4部分构成，从左至右依次为球墨铸铁、铁铝金属间化合物IMC层、钎缝中心区、工业纯铝。铁铝金属间化合物IMC层在球墨铸铁预镀覆时即已形成，热浸镀时铝液与球墨铸铁接触，铁铝原子发生相互扩散，相界面发生反应，一定时间后便生成一定厚度的金属间化合物IMC层。钎焊时IMC层呈锯齿状继续向球墨铸铁生长。钎缝中心区与工业纯铝无明显交界面，为交互结晶。钎缝中心区为α(Al)-CuAl2-Si的三元共晶组织，其内部零星分布着从球墨铸铁扩散来的球状石墨，钎缝内部还可见大量的针状和块状物质，对其点能谱分析，如图3及表2所示，可见其均为Fe-Al的化合物[6-7]。

图3 钎缝中心区点位置Fig. 3 Location of central area of brazing seam

表2 钎缝截面微区成分分析

2.2 工艺参数对钎缝组织的影响

2.2.1 钎焊温度

图4为保温时间15 min时不同钎焊温度的钎缝组织观察，由图4可见，随钎焊温度升高，钎缝中心区变宽，共晶组织长大，铁铝金属间化合物IMC层增厚。分析原因：钎焊过程是钎料向母材扩散和母材向钎料溶解，即钎料和母材相互扩散的过程，影响扩散最主要的因素是温度，温度升高，母材向钎料的溶解速度增大，钎料向母材的扩散速度增加，钎缝中心区内母材和钎料的原子扩散充分，原子反应加剧，导致钎缝中心区域变宽，共晶组织长大；在钎缝中心区和球墨铸铁界面处，IMC层也增厚。

图4 保温时间15 min不同钎焊温度的焊缝组织结构Fig. 4 Weld structure at different braing temperature in 15 min

2.2.2 保温时间

图5为钎焊温度540 ℃时不同保温时间的钎缝内共晶组织观察，由图5可见，随保温时间延长，钎缝中心区内共晶组织网连接越致密，越粗大。由图5c可见，当保温时间18 min时，共晶组织已经连成片且有粗针Fe-Al化合物分布其间。分析原因：保温时间是决定钎焊扩散连接界面元素扩散的均匀性以及界面元素反应进行程度的主要因素。作用影响规律与温度相同，时间延长，母材向钎料的溶解量增多，钎料向母材的扩散距离增大，钎缝中心区内母材和钎料的原子扩散充分，共晶组织长大越明显。

图5 钎焊温度540 ℃时不同保温时间的钎缝共晶组织结构Fig. 5 Eutectic structure of brazed seam at 540 ℃ for different holding time

2.3 剪切性能分析

实验参数下钎焊接头的剪切强度如图6所示。由图6可见，钎焊温度535 ℃时，随保温时间延长接头剪切强度增大；钎焊温度540 ℃和545 ℃时，随保温时间延长接头剪切强度先增大后降低。同时也可观察到，在12 min和15 min保温时，随钎焊温度升高，剪切强度升高，而在18 min保温时，随钎焊温度升高，剪切强度先升高后降低。

分析原因：一定的钎焊温度、保温时间是钎料同母材相互扩散、形成强固的结合所必需的。温度升高或者是时间延长都会使钎料与母材能充分相互作用，有利于提高接头强度。但过高的温度或者过长的保温时间则会使组织粗大，反而使性能下降。对钎焊温度和保温时间不应孤立的来确定，它们之间存在一定的互补关系，可以相关地在一定范围内变化，最根本的是看对组织的影响，组织决定性能。结合钎缝组织看，在试验参数范围内，钎焊温度升高或者保温时间延长，钎缝组织先致密再粗化，当组织粗化时则强度下降。