王洪禮,田戰(zhàn)玲,李明娥

新疆維吾爾族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,新疆烏魯木齊830004

采用復(fù)合鋅基釬料釬焊銅鋁焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能

王洪禮,田戰(zhàn)玲,李明娥

新疆維吾爾族自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,新疆烏魯木齊830004

在Zn-27A l釬料表面電鍍Ni制備復(fù)合鋅基釬料,在氮?dú)獗Ｗo(hù)的電阻爐中用復(fù)合鋅基釬料和Zn-27A l釬料對(duì)Cu與A l進(jìn)行釬焊試驗(yàn),運(yùn)用金相顯微鏡、電子探針、X射線衍射儀分析了接頭的微觀組織,通過(guò)拉伸試驗(yàn)評(píng)定了接頭的力學(xué)性能.結(jié)果表明:與未電鍍鎳層的Zn-27Al釬料釬縫相比,復(fù)合鋅基釬料釬縫中沒(méi)有組織偏聚,組織分布更均勻、且有CuZn5+Ni3Al復(fù)合相生成;Ni層能夠有效地阻止A l和Cu的快速擴(kuò)散,從而減少低熔點(diǎn)脆性化合物Al2Cu的生成.在釬焊條件相同的條件下,復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度為31.73 M Pa高于Zn-27Al釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度.

銅;鋁;復(fù)合鋅基釬料;微觀組織;力學(xué)性能

銅/鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,銅與鋁的連接通常采用釬焊[1-2].若銅鋁直接釬焊,由于鋁、銅原子擴(kuò)散較快,容易在釬焊接頭中形成易熔的脆性A l-CuA l2共晶相,導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低[3-4].鋅基釬料由于熔點(diǎn)低,工藝性好,且具有良好的潤(rùn)濕性、流動(dòng)性、抗腐蝕性和填充間隙能力,因此常常用于銅/鋁異種金屬的釬焊[5].在鋅基釬料的表面電鍍Ni制得復(fù)合基釬料,可在釬焊過(guò)程中阻止脆性 A l-CuA l2共晶相的生成.本研究采用這種復(fù)合鋅基釬料對(duì)銅-鋁進(jìn)行釬接,并分析測(cè)試了接頭的微觀組織及力學(xué)性能.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

釬焊母材分別為25 mm×80 mm×3 mm的純鋁L2和無(wú)氧銅TU 2.所用釬料為厚度0.8 mm的帶狀鋅基釬料 Zn-27A l,其成分為 w(Zn)=73.00%,w(A l)=27.00%,在此釬料的表面上電鍍一層厚度為5μm的Ni,制成復(fù)合鋅基釬料;釬劑為鋁釬劑QJ201.

按尺寸機(jī)加工銅母材和鋁母材.銅母材依次分別用400、800和1200號(hào)砂紙打磨后用超聲波清洗;鋁母材和釬料先分別用丙酮去除表面油污,再用50～60℃,15%的NaOH溶液浸泡15 s,然后用清水沖洗;用1∶3的稀硝酸溶液浸泡10 s后用清水沖洗,再用乙醇清洗,晾干備用.

1.2 試驗(yàn)方法

將用少量蒸餾水調(diào)成糊狀的QJ201釬劑均勻地涂敷在復(fù)合鋅基釬料的表面上,厚度大約為0.05 mm.將氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)電阻爐升溫至550℃,放入裝配好的試樣,為進(jìn)行同爐釬焊對(duì)比試驗(yàn),將用未電鍍鎳層的Zn-27A l釬料裝配的試樣一同放入爐內(nèi)釬焊.保溫8 min后取出空冷.

試樣冷卻到室溫時(shí),先用60～80℃的熱水清洗10 min,用毛刷清理殘?jiān)⒂美渌逑?在15%的稀硝酸中浸泡30 min后再用冷水清洗,除去殘留在焊件表面的釬劑.

1.3 測(cè)試方法及儀器

在觀察銅鋁釬焊接頭的微觀形貌前,將L2純鋁側(cè)用5%的氫氟酸腐蝕,TU 2無(wú)氧銅側(cè)用3 g FeCl3粉末+2 mL 36%的鹽酸+96 m L無(wú)水乙醇配制的腐蝕液腐蝕.兩側(cè)的腐蝕時(shí)間均為5 s.采用MeF3型金相顯微鏡觀察接頭的微觀組織,用D8ADVANCEX型X射線衍射儀測(cè)定接頭的物相組成,用 EM PA 1600電子探針測(cè)定接頭的元素分布;制作拉伸試件,在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試焊件的力學(xué)性能.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭的微觀組織

Zn-27A l釬料和復(fù)合鋅基釬料在550℃下釬焊8 min后釬焊接頭的金相組織如圖1所示.由圖1可見(jiàn),Cu-A l釬焊接頭由Cu側(cè)釬料界面、中央釬縫區(qū)、A l側(cè)釬料界面三部分組成.對(duì)比相同釬焊工藝參數(shù)下采用兩種釬料釬焊接頭的微觀組織可知,銅母材未溶解,鋁部分溶解.用復(fù)合鋅基釬料的釬焊接頭組織比較均勻,晶粒細(xì)小.

從圖1還可以看出,兩種釬料的釬焊接頭釬縫區(qū)都是由大塊灰色區(qū)域、黑色區(qū)域、枝晶狀區(qū)域和小塊灰色區(qū)域組成,而復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭的釬縫區(qū)還特有亮色區(qū).電子探針對(duì)兩種釬料的釬焊接頭釬縫區(qū)不同區(qū)域的特征點(diǎn)的掃描結(jié)果列于表1和表2.

圖1 釬焊接頭的金相組織Fig.1 M icrostructure of brazed joints

根據(jù)圖2的XRD分析結(jié)果以及表1和表2的特征點(diǎn)電子探針的測(cè)試結(jié)果,并結(jié)合A l-Zn-Cu三元相圖,可知圖1釬縫中的大塊灰色區(qū)域?yàn)锳 l和Cu構(gòu)成的金屬間化合物A l2Cu3;黑色區(qū)域?yàn)殁F料中的Zn元素部分溶解于A l形成的α-A l固溶體;枝晶狀區(qū)域?yàn)榻饘匍g化合物 A l2Cu;小塊灰色區(qū)域?yàn)镃uZn5+A l2Cu共晶相;圖1(b)釬縫中的亮色區(qū)域?yàn)镃uZn5+Ni3A l復(fù)合相,多分布于晶界處.總體來(lái)看,與Zn-27A l普通釬料相比,采用復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭釬縫區(qū)組織偏聚的區(qū)域性特征消失,組織分布較均勻,并有少量的CuZn5+Ni3A l復(fù)合相生成.

釬料中各元素在釬縫中的分布情況如圖3所示.由圖3可見(jiàn),Zn和Ni主要分布在晶界處,A l主要分布在晶內(nèi)區(qū)域.

表1 Zn-27Al釬料釬焊接頭不同區(qū)域的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果Table 1 Electron microp robe analysis results of ordinary solder welded in different regions

表2 復(fù)合釬料釬焊接頭不同區(qū)域的電子探針?lè)治鼋Y(jié)果Table 2 Electron microprobe analysis results of composite solder welded in different regions

圖2為Cu-A l釬焊接頭斷口的XRD圖譜.由圖2可見(jiàn),兩種釬料的釬縫區(qū)都有A l2Cu,A l2Cu3金屬間化合物,α-A l固溶體和CuZn5+A l2Cu共晶相,而在復(fù)合鋅基釬料的釬縫區(qū)還有CuZn5+Ni3A l復(fù)合相.

2.2 Ni的阻隔作用

采用復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭釬縫中的A l2Cu3偏聚在Cu側(cè)、α-A l固溶體偏聚在 A l側(cè)的現(xiàn)象消失,組織分布更加均勻.這是由于Ni層有效地阻止了母材中的Cu原子和A l原子向釬縫中的快速擴(kuò)散,從而有效地減少了釬縫中低熔點(diǎn)脆性化合物A l2Cu的生成.

圖2 釬焊接頭斷口XRD圖譜(a)Zn-27Al釬料釬焊接頭;(b)復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭Fig.2 XRD patterns of the fracture of the brazed joints(a)Zn-27A l filler metal joint;(b)composite zinc-based filler metal joint

2.3 接頭的力學(xué)性能

搭接接頭的剪切強(qiáng)度是衡量接頭力學(xué)性能的重要參數(shù).在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸試件規(guī)格如圖4所示,試件的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果列于表3.

由表3可見(jiàn),復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度為31.73 M Pa,Zn-27A l釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度為23.79 M Pa.由于復(fù)合鋅基釬料表面鍍有一層Ni有效地阻擋了A l和Cu的快速擴(kuò)散,減少了脆性A l-CuA l2共晶相的生成,從而提高了接頭的力學(xué)性能.

圖3 釬焊接頭各元素的分布Fig.3 Distribution of elementsof brazed joints

圖4 拉伸試件示意圖Fig.4 Diagram of tensile specimen

表3 不同試件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of various samples

3 結(jié) 論

(1)在 Zn-27A l釬料上鍍 Ni后,釬縫中除有A l2Cu,A l2Cu3,α-A l固溶體和A l2Cu+CuZn5共晶相生成外,還有CuZn5+Ni3A l復(fù)合相生成.A l2Cu脆性化合物數(shù)量減少,同時(shí)A l2Cu3在Cu側(cè)的偏聚和α-A l固溶體在A l側(cè)的偏聚現(xiàn)象消失,組織分布更加均勻.

(2)Ni層能夠有效地阻止A l和Cu之間的快速擴(kuò)散,從而減少了低熔點(diǎn)脆性化合物 A l2Cu的生成.

(3)復(fù)合鋅基釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度為31.73 M Pa,高于 Zn-27A l釬料釬焊接頭的最大剪切強(qiáng)度.

[1]洪麗玲,辛選榮,張柯柯,等.銅/鋁合金冷壓擴(kuò)散復(fù)合焊接接頭的顯微組織[J].機(jī)械工程材料,2008,32(8):23-25.

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[5]張啟運(yùn),莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:490-495.

M icrostructure and mechan ical properties of copper and alum inum join t brazed by com posite zinc-based filler metal

WANG Hongli,TIAN Zhanling,L IM ing e
Product Quality Supervision and Inspection Institute of Xinjiang U ygur Autonomous Region,W ulum uqi 830004,China

Prepare composite zinc-based filler metal by electrop lating nickel on the surface of Zn-27A l filler metal.Conduct brazing test on aluminum and copper w ith composite zinc-based filler metal and Zn-27A l filler metal respectively in the furnace p rotected by nitrogen.Analyzemicrostructure of the joint by metallurgical m icroscope,EPMA and XRD,and its mechanical p roperties by Instron testing machine.The results show ed that compared to Zn-27A l w ithout Ni-electrop lated layer,no segregation occurred in the brazing seam of the composite zinc-based fillermetal and itsmicrostructure wasmore uniform,and meanw hile CuZn5+Ni3A l compounds were formed.Nickel layer could effectively p revent the rapid diffusion of copper and aluminum,and thus reduced the formation of low-melting,brittle A l2Cu compounds.The maximum shear strength of the joint brazed by the composite zinc-based fillermetalwas31.73 M Pa,higher than that brazed by Zn-27A l filler metal joint under the same brazing condition.

copper;aluminum;composite zinc-based filler metal;microstructure;mechanical p roperties

TG425.1

A

1673-9981(2011)02-0092-05

2011-01-19

王洪禮(1982-),男,安徽太和人,助理工程師,碩士.