趙 霞，耿浩天，吳 一

(1.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022; 2.中建電力建設(shè)有限公司, 廣東 惠州 516353； 3.湘潭電機股份有限公司, 湖南 湘潭 411100)

0 引 言

鋁和球墨鑄鐵的連結(jié)結(jié)構(gòu)兼顧了鋁的耐蝕性強、質(zhì)輕和球墨鑄鐵的高強度、耐磨和減震等性能特點，已應(yīng)用在汽車、航空航天等領(lǐng)域[1-2]。但球墨鑄鐵的焊接很不容易，鋁和球墨鑄鐵的焊接就更不容易。不適宜采用熔化焊方法，一般選擇釬焊。

氣體保護爐中釬焊和真空爐中釬焊接頭質(zhì)量較好，但對設(shè)備的依賴性大，工藝復雜，效率低，成本高。因此，簡便可靠的釬焊工藝是研究的一個方向[3]。空氣爐中釬焊可以彌補氣體保護爐中釬焊和真空爐中釬焊的不足。這種方法的原理簡單，即把裝配好的加有釬料和釬劑的焊件置入普通工業(yè)電爐中加熱至釬焊溫度，依靠釬劑去除焊件表面的氧化膜，釬料熔化后流入釬縫間隙，冷凝后形成接頭。這種釬焊方法加熱均勻，焊件變形小，需用的設(shè)備簡單通用，成本較低。雖然加熱速度較慢，但因一爐可同時釬焊多件，生產(chǎn)率仍然很高。筆者采用普通箱式電阻爐，在空氣氣氛中進行鋁與球墨鑄鐵的釬焊實驗，考察其可行性以及掌握相關(guān)的工藝要素[4-5]。

因球墨鑄鐵直接與鋁進行釬焊時，球墨鑄鐵表面上的石墨不利于釬料的潤濕，易導致接頭冶金結(jié)合不良，而且鋁和球墨鑄鐵的熱膨脹系數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生焊后應(yīng)力及界面開裂[2]。因此采用球墨鑄鐵熱浸鍍鋁的預鍍覆工藝，將鋁與球墨鑄鐵的釬焊變?yōu)殇X與鋁的釬焊，改善釬焊接頭質(zhì)量。

1 材料與方法

實驗基材選QT400-15球墨鑄鐵和1A50工業(yè)純鋁，分別加工成尺寸為φ30 mm×4 mm、50 mm×30 mm×2 mm。所用釬料為粉末狀AS-3釬料(成分見表1)，與粉末狀FA-4釬劑配合，主要化學成分為氟鋁酸鉀。

爐中釬焊工藝流程：球墨鑄鐵預鍍覆→焊前準備→釬焊→焊后處理。預鍍覆工藝采用熱浸鍍鋁，浸鍍溫度為760 ℃，浸鍍時間5 min，預鍍覆后鍍層表面完整，致密，無漏鍍，如圖1a所示。爐中釬焊在SX-4-10箱式電阻爐內(nèi)進行，釬焊溫度535、540、545 ℃，保溫時間12、15、18 min。釬焊后試件釬縫釬角釬料均勻，無漏焊，如圖1b所示。

用XJB-1型金相顯微鏡和MX-2600FE型掃描電鏡進行組織觀察。用CMT5305微機控制電子萬能實驗機床進行剪切實驗。

表1 AS-3釬料化學成分

圖1 試件宏觀觀察Fig. 1 Macro observation photo of specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 釬縫組織分析

鋁-預鍍層球墨鑄鐵釬焊接頭顯微組織如圖2所示。

圖2 釬縫顯微組織形貌Fig. 2 Brazing seam microstructure

由圖2可見，釬焊接頭由4部分構(gòu)成，從左至右依次為球墨鑄鐵、鐵鋁金屬間化合物IMC層、釬縫中心區(qū)、工業(yè)純鋁。鐵鋁金屬間化合物IMC層在球墨鑄鐵預鍍覆時即已形成，熱浸鍍時鋁液與球墨鑄鐵接觸，鐵鋁原子發(fā)生相互擴散，相界面發(fā)生反應(yīng)，一定時間后便生成一定厚度的金屬間化合物IMC層。釬焊時IMC層呈鋸齒狀繼續(xù)向球墨鑄鐵生長。釬縫中心區(qū)與工業(yè)純鋁無明顯交界面，為交互結(jié)晶。釬縫中心區(qū)為α(Al)-CuAl2-Si的三元共晶組織，其內(nèi)部零星分布著從球墨鑄鐵擴散來的球狀石墨，釬縫內(nèi)部還可見大量的針狀和塊狀物質(zhì)，對其點能譜分析，如圖3及表2所示，可見其均為Fe-Al的化合物[6-7]。

圖3 釬縫中心區(qū)點位置Fig. 3 Location of central area of brazing seam

表2 釬縫截面微區(qū)成分分析

2.2 工藝參數(shù)對釬縫組織的影響

2.2.1 釬焊溫度

圖4為保溫時間15 min時不同釬焊溫度的釬縫組織觀察，由圖4可見，隨釬焊溫度升高，釬縫中心區(qū)變寬，共晶組織長大，鐵鋁金屬間化合物IMC層增厚。分析原因：釬焊過程是釬料向母材擴散和母材向釬料溶解，即釬料和母材相互擴散的過程，影響擴散最主要的因素是溫度，溫度升高，母材向釬料的溶解速度增大，釬料向母材的擴散速度增加，釬縫中心區(qū)內(nèi)母材和釬料的原子擴散充分，原子反應(yīng)加劇，導致釬縫中心區(qū)域變寬，共晶組織長大；在釬縫中心區(qū)和球墨鑄鐵界面處，IMC層也增厚。

圖4 保溫時間15 min不同釬焊溫度的焊縫組織結(jié)構(gòu)Fig. 4 Weld structure at different braing temperature in 15 min

2.2.2 保溫時間

圖5為釬焊溫度540 ℃時不同保溫時間的釬縫內(nèi)共晶組織觀察，由圖5可見，隨保溫時間延長，釬縫中心區(qū)內(nèi)共晶組織網(wǎng)連接越致密，越粗大。由圖5c可見，當保溫時間18 min時，共晶組織已經(jīng)連成片且有粗針Fe-Al化合物分布其間。分析原因：保溫時間是決定釬焊擴散連接界面元素擴散的均勻性以及界面元素反應(yīng)進行程度的主要因素。作用影響規(guī)律與溫度相同，時間延長，母材向釬料的溶解量增多，釬料向母材的擴散距離增大，釬縫中心區(qū)內(nèi)母材和釬料的原子擴散充分，共晶組織長大越明顯。

圖5 釬焊溫度540 ℃時不同保溫時間的釬縫共晶組織結(jié)構(gòu)Fig. 5 Eutectic structure of brazed seam at 540 ℃ for different holding time

2.3 剪切性能分析

實驗參數(shù)下釬焊接頭的剪切強度如圖6所示。由圖6可見，釬焊溫度535 ℃時，隨保溫時間延長接頭剪切強度增大；釬焊溫度540 ℃和545 ℃時，隨保溫時間延長接頭剪切強度先增大后降低。同時也可觀察到，在12 min和15 min保溫時，隨釬焊溫度升高，剪切強度升高，而在18 min保溫時，隨釬焊溫度升高，剪切強度先升高后降低。

分析原因：一定的釬焊溫度、保溫時間是釬料同母材相互擴散、形成強固的結(jié)合所必需的。溫度升高或者是時間延長都會使釬料與母材能充分相互作用，有利于提高接頭強度。但過高的溫度或者過長的保溫時間則會使組織粗大，反而使性能下降。對釬焊溫度和保溫時間不應(yīng)孤立的來確定，它們之間存在一定的互補關(guān)系，可以相關(guān)地在一定范圍內(nèi)變化，最根本的是看對組織的影響，組織決定性能。結(jié)合釬縫組織看，在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，釬焊溫度升高或者保溫時間延長，釬縫組織先致密再粗化，當組織粗化時則強度下降。

圖6 不同工藝參數(shù)剪切強度曲線Fig. 6 Shear curves of different process parameters

3 結(jié) 論

(1) 鋁-預鍍層球墨鑄鐵釬焊接頭由鋁、釬縫中心區(qū)、鐵鋁金屬間化合物IMC層、球墨鑄鐵構(gòu)成。

(2) 在實驗條件下，隨釬焊溫度升高或保溫時間延長，均會使釬料同母材相互擴散加劇，組織先致密再粗化。

(3) 在實驗條件下，釬焊溫度540 ℃，保溫時間15 min時，釬焊接頭剪切強度最高。