Sr、Ti、Ce對(duì)6061鋁合金用釬料性能及組織的影響.pdf

1、鋁及其合金在近代工業(yè)尤其是汽車產(chǎn)業(yè)中的地位越來越顯著。由于具有良好的可成型性、可焊接性、可機(jī)加工性及出色的耐腐蝕性能,6061鋁合金廣泛應(yīng)用于汽車車身,發(fā)動(dòng)機(jī)部件,空調(diào)系統(tǒng)部件等的生產(chǎn)制造中。常用的Al-12Si共晶釬料熔點(diǎn)較高,非常接近6061鋁合金的固相線,較高的釬焊溫度使得生產(chǎn)過程中的廢品率居高不下;而溫度較低的Zn-Al合金釬焊接頭氣密性很差,幾乎不能用于鋁管路件的生產(chǎn)。本文針對(duì)這一問題,尋找出適用于6061鋁合金釬焊的中溫Al

2、-Si-Zn釬料的合適成分,添加微量元素對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化,優(yōu)化釬縫性能,并在此基礎(chǔ)之上研究微量元素的影響機(jī)理。
　　研究了釬料中不同 Zn含量對(duì) Al-Si-Zn釬料及6061鋁合金釬縫性能的影響,發(fā)現(xiàn)適量的Zn含量可以使釬料熔點(diǎn)降低至520℃左右,然而較多的Zn含量會(huì)影響釬料的鋪展?jié)櫇裥阅堋l-6.5Si-42Zn釬料的6061鋁合金接頭強(qiáng)度可達(dá)120MPa,比Al-0.2Si-77.8Zn釬料高出了16.7％。從釬焊接頭的斷口形

3、貌可以看出,Al-0.2Si-77.8Zn釬料內(nèi)部有較多的縮松缺陷,惡化了接頭強(qiáng)度。對(duì)釬焊管路的氣密性進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)Al-0.2Si-77.8Zn及Al-2Si-36Zn兩種釬料的氣密性都遠(yuǎn)差于Al-6.5Si-42Zn釬料。除Al-0.2Si-77.8Zn釬料及釬縫中硅元素幾乎完全固溶之外,其余釬料及釬縫中的主要合金相都為α-Al,η-Zn及Si顆粒。Zn含量降低,Si含量增加時(shí)初晶硅數(shù)量增加并且有細(xì)長針狀的共晶硅出現(xiàn)。由于Si顆粒與

4、基體的熱膨脹系數(shù)差異,接頭中的硅顆粒在冷卻時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋。納米壓痕試驗(yàn)及釬焊接頭的腐蝕試驗(yàn)皆表明Al-6.5Si-42Zn釬料的性能要高于其他兩種釬料。
　　研究了微量元素Sr添加對(duì)Al-6.5Si-42Zn釬料組織與性能的影響,發(fā)現(xiàn)0.09 wt%的Sr元素加入可以顯著提高釬料的潤濕性能,比未添加時(shí)高出11.8%。適量的Sr含量還使得釬料的強(qiáng)度和延伸率分別提高了6.94%和75%。研究發(fā)現(xiàn)Sr能有效改善釬料內(nèi)Si相形態(tài),使針狀共晶

5、硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維點(diǎn)狀,另外Sr的加入還能對(duì)釬料及釬縫內(nèi)部細(xì)長的β-Fe起到一定的“鈍化”作用。Sr與Si原子之間的元素間化學(xué)親和力要遠(yuǎn)大于Al與Sr或者Al與Si之間的親和力,Sr元素的加入將會(huì)抑制Si原子的聚集長大。此外,熱處理對(duì)釬料內(nèi)硅形態(tài)有明顯優(yōu)化作用,但同時(shí)釬料的塑性會(huì)急劇下降。
　　微量元素Sr的加入可以提高6061鋁合金釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度,0.09 wt%Sr的添加可以使Al-6.5Si-42Zn釬焊接頭的強(qiáng)度提高15%。

6、對(duì)釬焊接頭組織進(jìn)行觀察,除了釬料中的α-Al,η-Zn及Si顆粒之外,還發(fā)現(xiàn)了少量的Mg-Al-Zn相。從釬焊接頭斷口也可以看出,Sr添加后接頭斷口處微裂紋基本消失,硅相的痕跡也由塊狀,條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫栈睢：负笏?Al-Si-Zn-0.09Sr釬料的釬縫中出現(xiàn)了Al-Si-Zn三元不平衡共晶區(qū)域,時(shí)效后,這部分區(qū)域變小,Zn元素溶入α-Al固溶體中去,α-Al固溶體的邊界處剩下硅顆粒與η-Zn固溶體。由于釬縫組織的改變,時(shí)效后釬焊接頭的

7、強(qiáng)度比原始強(qiáng)度提高了10.2%。
　　Ti是鋁合金常用的晶粒細(xì)化劑,微量Sr,Ti復(fù)合添加之后不影響釬料熔點(diǎn),使用復(fù)合強(qiáng)化后的釬料釬焊的6061鋁合金接頭的強(qiáng)度比單獨(dú)添加Sr提高了7%。Sr與Ti復(fù)合添加并沒有出現(xiàn)有害作用,Sr含量較低時(shí),增加Ti元素的含量至0.08 wt.%,釬縫中共晶硅的形態(tài)基本不發(fā)生變化。雖然Ti對(duì)共晶硅的變質(zhì)效果并不如Sr明顯,但是Sr含量較高時(shí)硅共晶會(huì)出現(xiàn)一定程度的聚集長大趨勢(shì),Ti的加入使得共晶體的分

8、布更加均勻,還能使得釬料中β-Fe的分布更均勻細(xì)小。
　　稀土元素Ce也是鋁合金常見的晶粒細(xì)化劑,Ce與Ti復(fù)合添加之后Al-Si-Zn釬料組織中出現(xiàn)了一種新的Al-Ce-Ti相,Al-Ce-Ti相的生成使得釬料內(nèi)游離的Ce與Ti數(shù)量減少,影響了微量元素對(duì)釬料組織的改善作用。而在Ce,Ti復(fù)合強(qiáng)化的6061鋁合金的釬縫中,這種新相基本消失,并且硅的形態(tài)也主要以塊狀硅為主,說明 Ce,Ti對(duì)于硅相的變質(zhì)效果要弱于 Sr?；谌芙饫碚?/p>

9、,定義Ce,Ti在釬料“溶液”中出現(xiàn)了“飽和”現(xiàn)象,出現(xiàn)“沉淀”,而在釬縫中,由于與母材之間的相互擴(kuò)散,釬縫“溶液”中“溶質(zhì)”含量降低,變?yōu)椤安伙柡汀睜顟B(tài),“沉淀”消失。
　　使用價(jià)電子理論計(jì)算了 Al-6.5Si-42Zn釬料中各相的價(jià)電子結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果表明,Zn,Si原子固溶后,α-Al固溶體最強(qiáng)健上的共價(jià)電子對(duì)數(shù)增加,使得釬縫組織中α-Al與Si相之間的匹配差減小,而同時(shí)釬縫組織中α-Al與η-Zn之間的匹配差增加。所以釬縫

10、內(nèi)部的主要匹配差由之前α-Al/Si轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al/Si+α-Al/η-Zn,所以釬縫的斷裂位置由原來的Si相與α-Al的邊界轉(zhuǎn)變?yōu)镾i相與α-Al的邊界與α-Al與η-Zn的邊界區(qū)域?！捌骄幽Ｐ汀钡挠?jì)算結(jié)果表明,Sr原子在晶胞中更適合以“吸附”的方式存在。Si-Sr鍵的存在,使得價(jià)電子結(jié)構(gòu)中Si-Si鍵鍵能減小,因此Si-Si鍵聚合的可能性得到抑制,使得硅相呈纖維點(diǎn)狀分布。
　　通過構(gòu)造的Al-Ce-Ti相的價(jià)電子結(jié)構(gòu)模型計(jì)