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1、第14卷第3期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Vol.14No.31998年9月TransactionsoftheCSAESept.1998鋁共晶接觸反應(yīng)釬焊界面形成*及腐蝕機(jī)理研究1徐德生邱小明孫大謙吳山力(吉林工業(yè)大學(xué))摘要用電子探針和掃描電鏡研究了鋁共晶接觸反應(yīng)釬焊時(shí)釬縫界面的形成及其抗電化學(xué)腐蝕性能。試驗(yàn)結(jié)果表明,在Al-Zn共晶接觸反應(yīng)釬焊釬縫中加入Cu可有效地破壞母材Al表面的氧化膜,避免Zn對(duì)Al的溶蝕,并形成潤濕性良好的Al-Zn-Cu共晶反應(yīng)釬縫;釬縫的腐蝕過程是沿晶界進(jìn)行的。關(guān)鍵詞鋁釬焊電化學(xué)腐蝕共晶反應(yīng)鋁導(dǎo)熱性能優(yōu)良、比重輕、價(jià)格低,在生產(chǎn)
2、中應(yīng)用愈來愈廣,用鋁代替銅是目前國內(nèi)外的〔1〕主要發(fā)展趨勢(shì)。鋁及鋁合金與其它金屬相比釬焊比較困難。鋁合金硬釬焊時(shí),由于釬料的熔點(diǎn)同鋁及鋁合金的熔點(diǎn)相差不大,因而釬焊質(zhì)量難以控制;鋁及鋁合金軟釬焊時(shí),由于釬料和母材之間電極電位相差懸殊,給釬縫的抗腐蝕性能帶來不利影響。鋁合金釬焊問題一直影響著鋁及鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。共晶接觸反應(yīng)釬焊是利用異種金屬形成共晶的特點(diǎn),在界面接觸良好的條件下加熱到共晶溫度以上,依靠金屬間的相互擴(kuò)散,在界面處形成共晶體作為釬料把金屬釬焊起來的方法。此種釬焊溫度低,不用釬劑且釬縫再熔化溫度高,近年來引起了廣泛重視,是一
3、個(gè)飛速發(fā)展的新釬焊方法。鋁和許多金屬可以形成共晶,利用鋁的共晶接觸反應(yīng)釬焊可以在較低的釬焊溫度下獲得優(yōu)質(zhì)的釬縫,是非常有開拓前景的方法。鋁共晶接觸反應(yīng)釬焊的主要問題是釬縫界面形成及電化學(xué)腐蝕問題,對(duì)此進(jìn)行研究對(duì)促進(jìn)鋁共晶接觸反應(yīng)釬焊的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用意義十分重大。1試驗(yàn)方法試驗(yàn)用的母材為工業(yè)純Al,有兩種規(guī)格:25mm×10mm×1mm和25mm×10mm×3mm。中間共晶反應(yīng)層分別選用:Ag、Ni、Si、Zn、Cu、Ti。釬焊前所有試驗(yàn)材料都進(jìn)行化學(xué)去除氧化膜。全部釬焊試驗(yàn)是在石英管中的高頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行的。為了防止試件在加熱過程中氧化,在石
4、英管內(nèi)通入純度為99.99%的氬氣。試件放在圓形高純石墨套中加熱,以保證加收稿日期:1997-12-301998-07-20修訂*吉林省科委和機(jī)械部教育司發(fā)展基金資助項(xiàng)目(95AJ0102)1徐德生,工學(xué)碩士,講師,長春市人民大街142號(hào)吉林工業(yè)大學(xué)焊接教研室,130025第3期徐德生等:鋁共晶接觸反應(yīng)釬焊界面形成及腐蝕機(jī)理研究61熱均勻和準(zhǔn)確控制加熱溫度。接觸反應(yīng)釬焊時(shí),對(duì)釬焊接頭施加一定的壓力,確保母材與反應(yīng)層接觸良好,有利于共晶接觸反應(yīng)熔化的進(jìn)行;同時(shí),加壓又可使形成的液相從間隙內(nèi)擠出,有利于提高接頭質(zhì)量。釬焊溫度為共晶溫度+10℃。2
5、結(jié)果討論2.1釬縫的形成Al可以和許多金屬形成共晶,但是由于各自的原因,或者是共晶溫度高,或者是形成的共晶液相比較脆,因而,很難獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。Al和Zn形成共晶,共晶溫度為382℃,且Al-Zn在很大范圍內(nèi)生成固溶體,因此,Al-Zn特別適合共晶接觸反應(yīng)釬焊。但在實(shí)際釬焊時(shí)發(fā)現(xiàn),只用Zn作共晶反應(yīng)層,不能實(shí)現(xiàn)共晶接觸反應(yīng)釬焊。形成的液相不潤濕母材,而是被擠出接頭外部形成釬料珠。對(duì)母材Al表面進(jìn)行掃描電鏡和X射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)Al表面已經(jīng)滋生出一層致密的氧化膜。因此要實(shí)現(xiàn)Al-Zn共晶接觸反應(yīng)釬焊,必須破壞Al表面的氧化膜。考察Al和其它
6、金屬的共晶接觸反應(yīng)釬焊,Al-Cu是〔2〕最易進(jìn)行共晶接觸反應(yīng)的,且Al-Zn-Cu可形成三元共晶。在Al和Zn之間夾一很薄的銅箔便可實(shí)現(xiàn)Al-Zn-Cu共晶接觸反應(yīng)釬焊。此時(shí),形成的共晶液相不但潤濕母材Al,并可在接頭處形成很好的釬焊圓角,如圖1示。圖1共晶反應(yīng)接頭2.2界面分析Fig.1Eutecticreactionjoint圖2為Al-Zn-Cu共晶接觸反應(yīng)釬焊的界面照片。釬縫由連續(xù)分布的黑塊區(qū)和彌散區(qū)組成,為典型的共晶組織。利用電鏡對(duì)貫穿整個(gè)釬縫含鋅量進(jìn)行的線掃描表明,鋅的含量分布極不均勻,特別是在靠近母材處急劇減少。這說明釬縫組織
7、并非通常的一次結(jié)晶形成的。實(shí)際上,未釬焊前在接頭部位存在兩種類型的界面,即Al-Cu界面和Al-Cu與Zn界面。試驗(yàn)表明,該兩種界面都可以較容易地實(shí)現(xiàn)共晶反應(yīng),只是所需要的最低溫度不同?？梢酝ㄟ^如下幾個(gè)階段來描述釬縫界面形成過程。第一階段:在400℃左右,Cu優(yōu)先沿Al表面晶界擴(kuò)圖2釬縫界面散和富集(圖3)。Fig.2Brazedseaminterface第二階段:在420℃～548℃以內(nèi),Zn熔化;Cu沿Al表面晶界擴(kuò)散加快,在加熱至530℃左右,Al表面氧化膜開始龜裂,在548℃,擴(kuò)散達(dá)到Al-Cu共晶成份后,便會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng),形成共晶液
8、相。隨著共晶液相的不斷增多、推移,在表面張力和界面張力的作用下,就會(huì)把浮在其上的氧化膜抬起、推移并破碎。此時(shí),試驗(yàn)中看到,Zn開始向Al-Cu共晶液相中溶解,在鋁的
