軒慶慶 龍偉民 張青科 路全彬

(鄭州機械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室,鄭州 450001)

稀土對Al-Si-Zn-Cu釬料工藝性能的影響

軒慶慶 龍偉民 張青科 路全彬

(鄭州機械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室,鄭州 450001)

在Al-Si-Zn-Cu 釬料的基礎(chǔ)上添加La，Ce混合稀土，研究了La，Ce對釬料組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著稀土元素含量的增加，Al-Si-3Zn-15Cu釬料合金的抗拉強度、鋪展面積均逐漸增大。添加稀土的Al-Si-3Zn-15Cu合金的微觀組織為α-Al固溶體+(Al+Si)共晶+(Al+Si+Cu)共晶+Si相。La，Ce混合稀土減少了雜質(zhì)在晶界上的偏聚，降低了晶粒長大速度，細化了晶粒。稀土對第二相粒子進行變質(zhì)，使其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化和改善，因而提高了釬料的強度和塑性。

Al-Si-Zn-Cu釬料 稀土 力學(xué)性能 微觀組織

0 序 言

由于鋁合金與不銹鋼固溶度低，熱物理性能差異大，二者難以用一般的焊接方法實現(xiàn)可靠連接[1]。在眾多連接技術(shù)中，釬焊已經(jīng)被廣泛地作為一種連接鋁合金與不銹鋼的方法，但由于二者表面的氧化膜難以去除且熔點、熱物理性能差異很大，易生成脆性金屬間化合物等原因，難以獲得良好的接頭[2-4]。另一方面，對于異種材料之間釬焊，選擇對母材潤濕性良好的釬料非常重要。而目前，適合鋁合金與不銹鋼釬焊的釬料、釬劑還比較欠缺。

Al-Si合金是一種應(yīng)用廣泛的釬料[5]，也僅有選擇Al-Si釬料進行鋁合金與不銹鋼釬焊的研究嘗試。前期研究使用了Al-Si釬料釬焊鋁合金與不銹鋼，但很難形成良好的接頭，原因是釬劑中的Zn擴散到釬料中使釬料在潤濕不銹鋼母材前便發(fā)生急速等溫凝固，這表明Zn對Al-Si釬料的微觀組織和工藝性能有很大影響，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了Al-Si-Zn釬料[6]。發(fā)現(xiàn)鋅含量較低時，釬料的抗拉強度較高，但工藝性能較差；鋅含量較高時又會出現(xiàn)相反結(jié)果。有研究人員在以上基礎(chǔ)上又嘗試開發(fā)了Al-Si-Zn-Cu釬料[7]，釬料的工藝性能和強度均有提高，但仍難得到良好的接頭質(zhì)量。

基于此，該研究嘗試向Al-Si-Zn-Cu釬料中添加不同量的稀土，研究不同的稀土含量Al-Si-Zn-Cu釬料的組織特征、力學(xué)性能、工藝性能等，以使通過控制稀土含量，在優(yōu)化其工藝性能的同時考慮其釬焊性，獲得工藝性能更好、熔點更低的Al-Si-Zn-Cu釬料，為改善鋁合金和不銹鋼的釬焊質(zhì)量提供條件。

1 試驗材料與方法

釬料熔煉原料為純度99.9%的Al，Si，Zn，Cu及含Ce和La的混合稀土。用石墨坩堝在中頻感應(yīng)爐中先熔煉Al-Si-Zn-Cu合金，再分別添加0.1%，0.3%，0.5%稀土，澆鑄成棒材。釬料成分及熔化溫度見表1。

表1 Al-Si-Zn-Cu釬料成分及加稀土量

依據(jù)國標GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》，在MTS E45.105萬能試驗機上進行室溫釬料抗拉強度的測定(拉伸速率為1 mm/min，取3～5個試樣的平均值)，試樣尺寸如圖1所示。按照國標GB 11364—1989《釬料鋪展性及填縫性試驗方法》進行釬料鋪展試驗。試驗所用材料為不銹鋼板、塊狀釬料和QJ201釬劑，其尺寸和試驗時釬劑和釬料的放置如圖2所示。塊狀釬料質(zhì)量0.2 g，允許誤差±l%，加熱溫度620 ℃，保溫50 s。測量釬料的鋪展面積以衡量釬料潤濕性，以mm2為單位，用AutoCAD軟件計算潤濕面積。

圖1 拉伸試樣尺寸

將三種試樣取適當(dāng)位置進行線切割、打磨后，對其進行鑲樣，先在砂帶機上進行粗磨，而后用不同粒度的水砂紙進行逐級細磨，分別用2.5 μm和1.5 μm的金剛砂拋光膏進行拋光，使用稀鹽酸與稀硝酸比例3∶1的腐蝕溶液進行浸蝕，在ZEISS Al型光學(xué)顯微鏡和JSP-5610LV型掃描電鏡下進行顯微組織觀察和分析，利用EDXA分析釬料微區(qū)成分。

圖2 釬料放置示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1稀土對Al-Si-Zn-Cu釬料力學(xué)性能的影響

圖3為Al-Si-Zn-Cu-xRE釬料試樣的抗拉強度?？梢钥闯鲭S著Al-Si-3Zn-15Cu釬料中稀土含量的增加，釬料抗拉強度逐漸增大。在稀土元素含量為0.5%時釬料抗拉強度為127 MPa。一般的，釬料合金的力學(xué)性能與釬料組織形態(tài)有關(guān)，即合金中第二相的存在形態(tài)、數(shù)量及分布情況對釬料合金的抗拉強度有著至關(guān)重要的重要。由于稀土元素La，Ce添加在Al-Si-3Zn-15Cu合金釬料中，可能改變了其第二相的形態(tài)，細化了晶粒，因而使其抗拉強度增大。

2.2稀土對Al-Si-Zn-Cu釬料潤濕性的影響

圖4為Al-Si-Zn-Cu-xRE釬料鋪展試驗結(jié)果?？梢钥闯觯⊥猎睾吭?～0.5%之間，隨著稀土元素含量的增加，釬料的鋪展面積逐漸增大，釬料的潤濕性逐漸提高。含0.5%稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料鋪展面積達到151.092 3 mm2，略大于含0.1%，0.3%稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料。這主要是由于稀土元素La，Ce為表面活性元素，在高溫狀態(tài)下，釬料表面分布著熔融的液態(tài)La，Ce元素，此時La，Ce呈現(xiàn)正吸附，使得液態(tài)釬料的表面自由能降低，減小其表面張力，促進釬料在不銹鋼板表面鋪展。稀土元素的加入有利于提高合金釬料的潤濕性。當(dāng)稀土元素質(zhì)量分數(shù)大于0.5%或更多時，其對Al-Si-3Zn-15Cu釬料合金影響有待進一步探究。

圖3 稀土對釬料抗拉強度的影響

圖4 稀土對釬料鋪展面積的影響

2.3稀土含量對Al-Si-Zn-Cu釬料組織的影響

圖5為不同稀土元素含量的Al-Si-3Zn-15Cu釬料金相顯微組織，比較圖5a，5b，5c可以發(fā)現(xiàn)，Al-Si-3Zn-15Cu釬料微觀上由白色片狀相和黑色骨骼相組成，隨著稀土元素的加入，黑色相逐漸減少，晶粒逐漸細化，說明稀土元素的加入優(yōu)化了合金的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，既細化了初晶相又對共晶相有變質(zhì)效果。同時使單位晶界面積上雜質(zhì)元素的偏聚度減少，改變晶粒分布，從而使釬料得到強韌化。由此可見，稀土元素的主要作用是減少單位晶界面積上雜質(zhì)的偏聚，降低晶粒長大速度，從而細化晶粒。同時，稀土元素也可減弱導(dǎo)致脆性的第二相粒子的作用，使其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化和改變[8]。

圖5 稀土對釬料組織的影響

圖6為釬料鑄態(tài)組織SEM像，由圖6a，6b，6c可知，釬料微觀上主要由白色的骨骼狀相和片狀黑色相組成，白色相呈網(wǎng)格狀，均勻地分布在組織中。對比三圖的組織，可以發(fā)現(xiàn)隨著稀土元素含量的增加，釬料中許多片狀的黑色相逐漸被打破，骨骼狀白色基體逐漸形成網(wǎng)格分布狀。Ce與Al原子半徑差為27.6%，Ce在鋁合金α-Al基體中最大固溶度為0.05 %。凝固過程中，大量的Ce偏聚在合金晶界或相界，Ce在鋁基體中造成普遍的成分過冷，促使α-Al大量形核與長大，合金晶粒細化。另外，Ce與Al形成Al-Ce化合物如Al11Ce3，Al2Ce等與α-Al晶體結(jié)構(gòu)相似，可作為α-Al晶體的異質(zhì)形核核心，促進α-Al形核，細化晶粒。圖7～9為含稀土元素質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%，0.3%，0.5%的Al-Si-3Zn-15Cu釬料合金顯微組織的能譜分析(EDS)圖，分別對圖中的絮狀的白色相和片狀的黑色相選擇性的做了相應(yīng)的標記，由以下能譜圖中可以分析釬料合金各標記點處的具體成分。通過分析對比可以得出：黑色相的成分幾乎全部由α-Al組成，很少有其它元素，為基體相。白色絮狀相的成分由不同質(zhì)量分數(shù)的Al，Si，Cu，Ce元素組成。

圖6 釬料組織SEM像

根據(jù)鋁硅合金金相圖，可判斷黑色相為α-Al相。α-Al是面心結(jié)構(gòu)，固溶了一定量的Si元素，力學(xué)性能優(yōu)良。富Ce相作為鋁合金中的強化相，彌散分布能夠起到很好的強化作用。另外，釬料中的白色相部分零散分布在釬料中，存在一定的成分偏析，對釬料各個方面的性能有不利影響。從這點上說，在以上釬料合金中，大片的白色枝狀晶被打碎，較為均勻的分布在基體中。

圖7 0.1%稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料掃描組織能譜分析

白色絮狀相的成分為Al，Si，Cu，Ce，此相主要為富Cu相和富Ce相，對比三組的組織形貌可以看出，隨著稀土元素的增加，片狀的初晶相(α-Al-CuAl2共晶和α-Al-CeAl4共晶)逐漸變成小塊狀，這是由于稀土元素起到變質(zhì)作用，組織中已經(jīng)很少出現(xiàn)片狀的初晶相，而是分割為許多的小塊，甚至是球狀，分布在釬料組織中。Cu元素基本固溶在Al相中，起固溶強化作用。此外，少量未固溶于α-Al的Ce，La在結(jié)晶前沿不斷推進，有的吸附于Si晶體的表面，有的可能鑲嵌到Si晶體的點陣內(nèi)，使Si晶體產(chǎn)生孿晶，這些都會阻礙Si在某些易于生長的界面上鋪開，迫使Si在其他方向上生長緩慢，使得組織中的Si相呈細小、均勻[9]。上述所有現(xiàn)象，都有利于釬料力學(xué)性能的提高。另外，該相的區(qū)域顏色并不單一，可見該相成分較為復(fù)雜，還可能有極少量的金屬間化合物存在，在一些方面可能對釬料的性能有不利的影響。

2.4釬料斷口SEM微觀形貌分析

為了進一步分析稀土元素對Al-Si-3Zn-15Cu釬料性能的影響規(guī)律，對未添加稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料和分別添加0.1%，0.3%，0.5%稀土后的Al-Si-3Zn-15Cu釬料斷口進行掃描觀察，分別記為a，b，c，d，斷口形貌如圖10所示。

圖8 0.3%稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料掃描組織能譜分析

圖9 0.5%稀土的Al-Si-3Zn-15Cu釬料掃描組織能譜分析

從圖10可以看出，Al-Si-3Zn-15Cu釬料斷口的形貌較平整，沒有出現(xiàn)韌窩等塑性斷裂的特征，是典型的脆性斷口。隨著稀土元素的加入，釬料斷口出現(xiàn)韌窩，且韌窩深淺不一，并隨著元素含量的增加，斷口處的韌窩尺寸逐漸增大，使得釬料合金的塑性增加，這也正好說明了圖3中釬料抗拉強度隨著稀土量的增加而增大。Al-Si-3Zn-15Cu-0.5%RE斷口出現(xiàn)許多花瓣狀的形貌，而且形貌具有一定的層次感和立體感，并有一定數(shù)量的孔狀特征，符合韌窩的特點，有向韌性斷裂發(fā)展的趨勢。這是由于稀土元素可以改變斷裂機制，從單一的沿晶斷裂機制改變?yōu)榇┚Ш脱鼐У幕旌蠑嗔褭C制；推遲擴散形核和偏析形核，降低晶粒的長大速度和提高相應(yīng)的溫度，從而起到細化晶粒的作用。

圖10 試樣斷口SEM形貌

3 結(jié) 論

(1)隨著稀土含量在0～0.5%范圍內(nèi)的增加，釬料晶粒得到細化，釬料的抗拉強度逐漸增大；釬料的流動性也隨著稀土含量的增加逐漸增強，其潤濕性逐漸提高。

(2)釬料的組織呈網(wǎng)格狀，主要有絮狀白色富Cu相和富Ce相和片狀黑色α-Al相(基體相)組成，隨著稀土元素的加入，黑色相逐漸減少，晶粒逐漸細化，說明稀土元素的加入優(yōu)化了合金的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

(3)隨著稀土含量的增加，釬料合金因稀土元素的固溶和晶粒細化作用有很好的塑韌性，其斷口符合韌窩的特點，有向韌性斷裂發(fā)展的趨勢。

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2016-06-21

國家國際科技合作計劃項目(2015DFA50470)

TG425+.2

軒慶慶，1990年出生，碩士研究生。主要從事新型釬焊材料的開發(fā)及焊接工藝，已發(fā)表論文3篇。