趙麗敏， 張琳琳

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

Zn-xAl中間層對(duì)鎂/鋼接頭組織和性能的影響

趙麗敏， 張琳琳

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

通過(guò)添加不同Al含量的Zn-xAl(x=0，3，5，8，15)中間層，進(jìn)行鎂與鋼的接觸反應(yīng)釬焊.采用掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射儀、電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)等測(cè)試手段，對(duì)比分析AZ31/Zn-xAl/DC01接頭的組織特征及力學(xué)性能.結(jié)果表明，Al元素的添加使中間層中生成Fe2Al5化合物過(guò)渡層，有效阻止了Fe-Zn金屬間化合物的形成.接頭斷裂位置由Fe-Zn金屬間化合物層變?yōu)镸g-Zn金屬間化合物區(qū).隨著Al含量的增加，接頭剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)Al含量為5wt.%時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最高.

中間層;鎂/鋼異種金屬;彌散強(qiáng)化

0 引言

近年來(lái)，輕量化、節(jié)能化、綠色環(huán)?；蔀楝F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)先考慮的因素.鎂合金是具有低密度、高比強(qiáng)度、高阻尼減震性、易回收等優(yōu)點(diǎn)的綠色材料，鋼是應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料.鎂/鋼異種金屬的焊接可以滿(mǎn)足多種復(fù)合結(jié)構(gòu)的連接要求，在航空航天、高速列車(chē)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[1].由于鎂/鋼在熔、沸點(diǎn)等物理性質(zhì)和晶格類(lèi)型上存在巨大差異，兩者幾乎不存在冶金反應(yīng)，使得傳統(tǒng)焊接方法很難實(shí)現(xiàn)兩者的連接[2].目前國(guó)內(nèi)外焊接鎂/鋼主要方法有攪拌摩擦焊[3]、熔-釬焊[4- 7]、電阻點(diǎn)焊[8]等，其中大多借助中間層或焊接材料等實(shí)現(xiàn)連接，因此中間層的選取與設(shè)計(jì)尤為重要.

純鋅是鎂/鋼異種金屬連接中常用中間層材料，但研究發(fā)現(xiàn)硬脆的Fe-Zn金屬間化合物成為接頭的薄弱區(qū)域，因此改善接頭組織及形貌才能進(jìn)一步提高連接強(qiáng)度.文中通過(guò)向鋅中間層中添加不同含量鋁元素，分析鋁元素的加入及含量的多少對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對(duì)接頭失效機(jī)制進(jìn)行了討論.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用尺寸為60 mm×10 mm，厚度分別為3.0 mm和1.0 mm的AZ31B鎂合金和DC01鋼板材為研究對(duì)象，化學(xué)成分如表1和2所示.實(shí)驗(yàn)所用Zn-xAl(x=0，3，5，8，15wt.%)中間層通過(guò)熱浸鍍的方法浸鍍于鋼板上，浸鍍時(shí)間約為60～90 s, 鍍層厚度約為100 μm.由于鍍液成分不同，采用的熱浸鍍工藝參數(shù)不同.其中，共晶Zn- 5Al鍍液浸鍍溫度約為390℃(略高于鋅鋁共晶溫度382℃)；亞共晶Zn- 3Al鍍液浸鍍溫度約為420℃；過(guò)共晶Zn- 8Al鍍液和過(guò)共晶Zn- 15Al鍍液浸鍍溫度分別約為430、480℃.

表1 AZ31B鎂合金化學(xué)成分 %

表2 DC01鋼合金化學(xué)成分 %

將待連接表面用砂紙打磨，中間層經(jīng)打磨后厚度約為40～60 μm.采用如圖1所示的搭接結(jié)構(gòu)，并用夾具夾緊試件，搭接面積為10 mm×10 mm；同時(shí)在搭接界面處固定熱電偶，以便準(zhǔn)確控溫.焊接過(guò)程在電阻加熱爐中進(jìn)行，爐溫升至550℃時(shí)放入待焊接頭，并通入氬氣保護(hù).連接溫度(365±2)℃，平均加熱速度100℃/min，接頭壓力約5 MPa，保溫時(shí)間10 s.當(dāng)試件焊好后，迅速取出水冷.

圖1 接頭裝配方法示意圖

對(duì)不同中間層及焊接接頭進(jìn)行取樣并制成金相樣品，采用5%的苦味酸進(jìn)行腐蝕.利用SUPRA 55場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡對(duì)中間層及接頭微觀組織進(jìn)行觀察，并用自帶能譜儀分析其中各組成元素的分布情況；采用AG- IC100KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭剪切強(qiáng)度，拉伸速度為1 mm/min；用Empyrean X-射線(xiàn)衍射儀對(duì)接頭斷口進(jìn)行相成分分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Zn-xAl中間層的組織形貌分析

圖2為Zn-xAl中間層的微觀組織形貌，圖中各位置EDS成分分析如表3所示.從圖2(a)中可以看出，純鋅中間層由外部層和過(guò)渡層兩部分組成.外部層為純鋅層(Ⅰ區(qū))，過(guò)渡層由表及里主要由ζ相(Ⅱ區(qū))、棒狀的δ相(Ⅲ區(qū))、Γ1相(Ⅳ區(qū))和Fe(Zn)固溶體(Ⅴ區(qū))構(gòu)成.從圖2(b)，(c)，(d)，(e)中可以看出，不同鋁含量的中間層均由過(guò)渡層和外部層兩部分組成.Al元素的加入使中間層中緊鄰鋼基體處生成了厚度約幾百個(gè)納米的過(guò)渡層，經(jīng)能譜分析可知，此過(guò)渡層為Fe2Al5化合物.同時(shí)，中間層的外部層中沒(méi)有檢測(cè)到Fe-Zn相，這說(shuō)明Al比Zn更易于結(jié)合；外部層僅是由不同成分鍍液冷凝后所形成的.Zn- 8Al與Zn- 15Al外部層由鋅鋁共晶組織和粗大的鋁先析出枝晶相(圖中2位置所示)組成.對(duì)比圖2(d)與(e)可以看出，隨著鋁含量的增加，鋁基固溶體先析出相尺寸增大.

(a) 純Zn

(b) Zn- 3Al

(d) Zn- 8Al

(e) Zn- 15Al

位置ZnAlFe相Ⅰ100.00//ZnⅡ93.20/6.80ζ(FeZn13,FeZn15)Ⅲ88.48/11.52δ(FeZn10,FeZn7)Ⅳ81.92/18.08Γ1(FeZn4,Fe5Zn21或Fe11Zn40)Ⅴ1.58/98.42α-Fe過(guò)渡層7.1465.6527.21Fe2Al5197.342.66/鋅基固溶體227.4472.56/鋁基固溶體

2.2 接頭微觀組織形貌分析

對(duì)鍍有上述中間層的DC01鋼與AZ31B鎂合金進(jìn)行接觸反應(yīng)釬焊.圖3為接頭微觀組織形貌，圖中各位置EDS成分分析如表4所示.從圖3(a)中可以看出，使用純鋅中間層的接頭組織分為三個(gè)部分：靠近鎂基體側(cè)的Mg-Zn共晶組織和胞狀α-Mg先析出相(Ⅰ區(qū))，細(xì)碎的Mg-Zn-Al-Fe四元金屬間化合物(Ⅱ區(qū))和緊鄰鋼基體的Γ1相(Ⅲ區(qū)).從圖3(b)，(c)，(d)，(e)中可以看出，使用含鋁中間層的接頭組織均由層片狀Mg-Zn共晶組織(A區(qū))、短小的MgZn柱狀晶(B區(qū))、復(fù)合結(jié)構(gòu)(C區(qū))和Fe2Al5過(guò)渡層(D區(qū))四部分構(gòu)成.其中，接頭最主要區(qū)別在于C區(qū)，即MgZn2(圖中4位置所示)與鋁基固溶體相(圖中3位置所示)構(gòu)成的復(fù)相區(qū).如圖3(c)中C區(qū)高倍放大圖所示，共晶Zn- 5Al接頭C區(qū)中鋁基固溶體大小均勻，彌散分布在MgZn2晶間，對(duì)脆性相MgZn2起強(qiáng)韌化作用.由于中間層的外部層組織不同，亞共晶Zn- 3Al和過(guò)共晶Zn- 8Al、Zn- 15Al接頭C區(qū)中除了一部分細(xì)小的鋁基固溶體顆粒分布在MgZn2基底外，都保留了原中間層中的鋅先析出相(圖中2位置所示)和鋁先析出相(圖中6位置所示).尤其是粗大的鋁基固溶體先析出相邊緣發(fā)生一定熔蝕，并在共晶液相及重力的作用下發(fā)生堆積，在接頭連接過(guò)程中對(duì)液相流動(dòng)起了嚴(yán)重的阻礙作用，形成了明顯的孔洞.隨著鋁元素的增加Zn- 8Al、Zn- 15Al接頭A區(qū)Mg-Zn共晶組織中出現(xiàn)了如圖3(d)高倍放大圖所示的Mg-Zn-Al三元化合物顆粒；鋁含量越多，顆粒越多.

(d) Zn- 8Al

(e) Zn- 15Al

位置MgZnAlFe相Ⅰ67.8229.372.81/Mg-Zn共晶相Ⅱ52.5937.893.675.76Mg-Zn-Al-Fe四元化合物Ⅲ3.1278.23/18.65Γ1相A64.5433.897.57/Mg-Zn共晶相B57.2132.748.171.58MgZnD/9.9563.3126.74Fe2Al5191.433.005.57/α-Mg21.2789.399.34/Zn基固溶體31.2135.3163.48/Al基固溶體432.2463.793.850.12MgZn2526.5361.6811.79/Mg-Zn-Al三元化合物61.2330.9267.85/Al基固溶體

2.3 接頭斷裂分析

將AZ31B/Zn-xAl/DC01接頭進(jìn)行拉剪實(shí)驗(yàn)，接頭剪切強(qiáng)度如圖4所示.隨著鋁含量的增加，接頭剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì).其中，采用純鋅作中間層的接頭剪切強(qiáng)度最低，為45.2 MPa；而通過(guò)在中間層中填加不同含量的Al元素，接頭強(qiáng)度均有不同程度提高，當(dāng)中間層為Zn- 5Al時(shí)接頭剪切強(qiáng)度最高，為77.4 MPa.

圖4 AZ31B/Zn-xAl/DC01接頭剪切強(qiáng)度

接頭斷口經(jīng)XRD相成分分析發(fā)現(xiàn)，如圖5(a)所示，AZ31B/Zn/DC01接頭斷口兩側(cè)均存在Fe11Zn40，說(shuō)明接頭斷裂在Γ1相層，該相的存在成為接頭脆弱的關(guān)鍵，但在純鋅中間層中Γ1金屬間化合物相的出現(xiàn)又是不可避免的[9]；當(dāng)中間層中填加鋁元素后，如圖5(b)～5(e)所示，接頭斷口兩側(cè)相成分中均包含MgZn2和Al0.403Zn0.597，說(shuō)明接頭斷裂均發(fā)生在MgZn2和鋁基固溶體顆粒相構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)C區(qū).使用含鋁中間層的接頭斷裂位置相同，但接頭剪切強(qiáng)度卻有很大差異，這主要是不同Al含量使得C區(qū)各相的含量，尺寸大小及分布狀態(tài)不同：Zn- 5Al接頭中C區(qū)較軟的鋁基固溶體顆粒大小均勻，彌散分布在硬脆的MgZn2晶間，大大增加C區(qū)塑性，提高了接頭的力學(xué)性能.而使用其它Al含量中間層均會(huì)在接頭C區(qū)形成尺寸較大的先析出相，不能形成結(jié)構(gòu)合理的硬夾軟結(jié)構(gòu)，降低了接頭性能.

(e) AZ31B/Zn- 15Al/DC01

3 結(jié)論

(1)純鋅中間層中鋁元素的加入能夠有效阻止Fe-Zn金屬間化合物的形成，并生成性能優(yōu)于Fe11Zn40的Fe2Al5過(guò)渡層.接頭斷裂發(fā)生在鋁基固溶體顆粒與MgZn2金屬間化合物的復(fù)合結(jié)構(gòu)區(qū)，薄弱部位由Mg-Zn相替代了Fe-Zn相；

(2)中間層中鋁含量的多少會(huì)改變接頭微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響接頭力學(xué)性能.當(dāng)鋁含量為5wt.%時(shí)，接頭C區(qū)中鋁基固溶體顆粒的大小均勻，分布彌散，很好的強(qiáng)化了硬脆的MgZn2相，能夠提供更加合理的硬夾軟結(jié)構(gòu)，因而Zn- 5Al接頭剪切強(qiáng)度最高.

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Effect of Zn-xAl Interlayer on Microstructure and Mechanical Properties of Mg/Steel Joint

ZHAO Limin,ZHANG Linlin

(School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The joint of magnesium and steel was realized by contact reaction brazing with Zn-xAl interlayer containing different Al contents.The structure characteristics and mechanical properties of the AZ31/Zn-xAl/DC01 joints were comparatively analyzed by scanning electron microscopy,X-ray diffractionn and electronic universal testing machine.It is found that adding Al element can effectively prevent the formation of Fe-Zn intermetallic compounds in the interlayer,where Fe2Al5compound transition layer is produced.The weak position of the joint is Mg-Zn intermetallic compound zone instead of Fe-Zn intermetallic compound layer.Al content has an important influence on the joint shear strength.When Al content is 5wt.%,the joint shear strength is the highest.The fracture of the joint occurs in the composite structure zone,where soft Al-rich phase particles are dispersed in MgZn2intermetallic compounds.

interlayer;magnesium/steel dissimilar metals;dispersion strengthening

1673- 9590(2017)05- 0079- 06

A

2016- 12- 17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104027)；博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20112124120004)

趙麗敏(1972-)，女，副教授，博士，主要從事異種金屬焊接領(lǐng)域的研究 E-mail:zlm_72@163.com.