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GXF360 2017-12-20

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牛志伟，黄继华，刘凯凯，许方钊

(北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083)

摘要： 采用新型Al-Si-Ge-Zn钎料钎焊6061铝合金，对钎料及钎焊接头的组织和性能进行了分析，并与Al-Si-Zn和Al-Si-Ge钎料进行了对比. 结果表明，Al-Si-Ge钎料熔点较低，但高的Ge元素含量促使钎缝中形成粗大的脆性初生GeSi相，恶化了钎焊接头组织和性能；Al-Si-Zn钎料由于Zn元素含量较高，引起钎缝中Si元素偏析聚集为大片状，严重影响钎焊接头的力学性能；向Al-Si共晶中添加适量的Ge和Zn元素，维持了较低的钎料熔化温度，同时细化了钎料合金的显微组织，脆性初生GeSi相和片状硅相消失，细小分散的锗，硅固溶体相均匀分布在α-Al基体中. 采用Al-Si-Ge-Zn钎料钎焊6061铝合金，钎焊接头抗剪强度最大.

关键词： 6061铝合金；Al-Si-Ge-Zn钎料；抗剪强度；显微组织

0 序言

6061铝合金[1-2]作为一种Al-Mg-Si 系变形铝合金，比重轻，具有良好的强度及耐腐蚀性，广泛应用于制造汽车管路件及阀件. 目前在该类零部件组装生产过程中，主要采用钎焊连接，但由于6061铝合金熔点较低(固相线温度582～595 ℃)，用传统的Al-Si 钎料[3]极易出现过烧，所以该类零部件的钎焊一直比较困难.

Al-Si-Cu系钎料合金[4-7]的出现大大推进了6061铝合金的钎焊. Chuang等人[8-9]开发了Al-10.8Si-10Cu和Al-9.6Si-20Cu钎料合金，两种钎料合金熔化温度范围分别为522.3～570.0 ℃和522.9～535.2 ℃，采用Al-10.8Si-10Cu钎料钎焊6061铝合金可以获得完整的钎焊接头，钎焊接头抗剪强度可达67 MPa；采用Al-9.6Si-20Cu钎料钎焊6061铝合金，钎焊接头强度仅为40 MPa. Al-9.6Si-20Cu钎料合金虽然钎焊温度大大降低，然而合金中存在大量的Al2Cu金属间化合物和Al-Si-Cu共晶组织，导致钎料合金脆性很大，极难加工成薄片，同时钎焊接头中也存在大量的Al2Cu金属间化合物，导致钎焊接头强度较低. Al-Si-Ge钎料具有较低的熔化温度，并且钎焊工艺性能极佳. 日本研究的Al-35Ge-Si钎料[10]，可用于6061铝合金及复合材料在550 ℃以下钎焊；但由于Ge元素含量较高，钎料合金具有较大的脆性，极难加工，从而限制了此类钎料合金的使用. Suzuki等人[11]研制的 Al-Si-Zn钎料熔点为535 ℃，具有优异的热加工性能，可以方便地制成钎料丝或带；但由于Al-Si-Zn钎料中Zn元素含量过高，钎焊时极易引起母材的溶蚀，同时钎焊接头中存在粗大的块状初晶硅，严重影响了钎焊接头的力学性能.

文中采用新研制的Al-Si-Ge-Zn钎料对6061铝合金进行钎焊，对钎焊接头的显微组织及性能进行了分析，并与传统的Al-Si-Zn和Al-Si-Ge钎料进行对比分析.

1 试验方法

采用纯度大于为99.9%的Al，Si, Ge和Zn元素的原材料，在井式坩埚炉中进行熔炼，先熔炼不同Si元素含量的Al-Si中间合金，然后分别添加Zn和Ge元素，熔化后进行充分搅拌，以尽量减少Ge,Zn元素在金属液中的比重偏析，具体成分如表1所示. 采用微量型差热分析仪(DTA)测定钎料合金的熔化温度. 采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察所制备合金及钎焊接头的显微组织，采用X射线衍射仪(XRD)对钎料合金的相组成进行分析. 钎焊试验在箱式电阻炉中进行，钎焊温度为570 ℃，钎焊时间为2 min. 采用的钎剂为改进的AlF3-KF-CsF系无腐蚀钎剂，熔化温度为510～530 ℃. 试验母材为6061铝合金，具体成分见表2；搭接试样规格为60 mm×20 mm×2 mm，如图1所示. 对钎焊接头进行强度测试，为保证结果的准确性，每种钎料成分钎焊五组试样，取平均值作为最终结果，并对钎焊接头显微组织进行观察.

表1 钎料合金成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of filler metals

编号钎料SiGeZnAl1Al-Si-Zn5.1-40.2余量2Al-Si-Ge5.625.2-余量3Al-Si-Ge-Zn9.51015余量

表2 6061铝合金化学成分(质量分数，%)和熔化温度(℃)
Table 2 Chemical compositions and melting temperature of 6061 aluminum alloy

FeMgSiZnTiCuCrMnAl固相线温度T1液相线温度T20.71.100.610.250.150.250.120.01余量592654

图1 钎焊试验示意图(mm)

Fig.1 Schematic of brazing experiment

2 试验结果及分析

2.1 钎料的熔化特性

钎料合金的DTA曲线如图2所示. 由图2a可得，Al-5.1Si-40.2Zn合金的熔化温度范围为500～555 ℃，熔化温度间隔为55 ℃；图2b为Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金的DTA曲线，存在两个明显的吸热峰，其中541.3 ℃与Al-Si-Ge三元共晶 454～572 ℃是相对应的，而在 440.2 ℃出现的吸热峰与Al-Ge二元共晶的共晶点温度相对应的，熔化温度间隔为113.1 ℃；图2c为Al-9.5Si-10Ge-15Zn合金的熔化温度曲线，图中只有一个共晶反应吸热峰，表明合金的组成接近共晶成分，熔化温度区间为505.2～545.1 ℃，熔化温度间隔为39.9 ℃. 对钎料合金而言，共晶型合金熔化温度区间小，流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，使合金致密，有利于提高焊缝的质量.

图2 钎料合金的DTA曲线

Fig.2 DTA curves of filler metals

2.2 钎料的显微组织

图3所示为钎料合金的显微组织形貌. 从图3a可以看出Al-5.1Si-40.2Zn 钎料合金主要是由深灰色的α-Al固溶体相，针状和大块状的硅相以及灰白色的相组成；结合图3b可得，灰白色相主要包含大量的锌和一定量的铝，为β-Zn相，β-Zn相的中心部位存在少量亮白色的η-Zn相，这与熔炼过程中钎料合金冷却速度太快，β-Zn相未完全转变有关；图3c为Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金的显微组织，合金主要是由深灰色的α-Al固溶体相，亮白色的针状锗固溶体相，灰白色的针状硅固溶体相和粗大的初生GeSi相组成. 研究表明，粗大的GeSi相和针状的锗、硅固溶体相硬度高、脆性大，严重恶化钎料合金的加工性能[12]. 对比观察图3c,d发现，Al-5.6Si-25.2Ge钎料组织中锗,硅固溶体相较发达，呈针片状、骨骼状，具有一定的方向性；Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料合金中的锗,硅固溶体相更加细小分散，同时在其周围析出大量的η-Zn相，较多的塑性η-Zn相在加工变形过程中能更好的协调脆性锗,硅固溶体相的变形，减少裂纹的产生[13-14].

图3 钎料合金的显微组织

Fig.3 Microstructure of filler metals

为进一步分析确定Al-5.1Si-40.2Zn，Al-5.6Si-25.2Ge和Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料合金的相组成，对钎料合金进行X射线衍射分析，图4所示为钎料合金的XRD分析结果. 结果证实了Al-5.1Si-40.2Zn钎料合金主要是由α-Al相,硅相和锌固溶体相组成；Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金主要是由α-Al相,硅相和锗相组成；Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料合金主要是由α-Al相,硅相,锗相和η-Zn相组成，XRD分析结果与SEM分析结果一致.

图4 钎料合金的XRD分析结果

Fig.4 XRD results of filler metals

2.3 钎焊接头显微组织

在钎焊试验之前，首先对三种钎料合金在6061铝合金上的铺展润湿性进行测试，分别取0.05 g不同成分的钎料合金，配合AlF3-KF-CsF系无腐蚀钎剂，在570 ℃下保温2 min，测试不同钎料合金的铺展面积，测试结果为Al-5.1Si-40.2Zn合金的铺展面积为105.4 mm2；Al-5.6Si-25.2Ge合金的铺展面积为138.6 mm2； Al-9.5Si-10Ge-15Zn合金的铺展面积为152.0 mm2. 结果表明，Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料合金具有更佳的铺展润湿能力，这除了与较低的熔化温度有关以外，更与钎料合金具有较窄的熔化区间有关；另外，钎料合金具有细小分散的组织也促进钎料合金的润湿性能[15].

铝合金钎焊接头的显微组织如图5所示. 为确定不同成分钎料合金钎焊接头的相组成，对钎焊接头不同区域进行了成分分析，结果如表3所示. Al-5.1Si-40.2Zn钎料钎焊6061铝合金，钎焊接头的界面处形成一条明显的扩散层，主要包含Al和Zn元素，由Al-Zn二元合金相图可知，其不能生成金属化合物，而是形成铝基固溶体，由于Zn原子较为活泼，钎料中的Zn原子向母材进行了扩散作用从而形成了固溶体，这种充分合金化的扩散界面，表明钎料与母材之间形成了较为优良的冶金结合；Al-5.1Si-40.2Zn钎料钎焊接头组织形态与铸态钎料组织接近，同样存在针状和大块状的硅相；另外，由于Al-5.1Si-40.2Zn钎料钎焊接头中大量锌向6061铝合金界面处扩散，导致钎焊接头中锌固溶体相明显减少. Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金与6061母材界面处无明显扩散层，钎料与母材嵌合在一起；Al-5.6Si-25.2Ge钎料钎焊接头组织同样保留了铸态钎料的组织形态，主要为片状、骨骼状的锗,硅固溶体相. Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料钎焊接头也存在一条明显的扩散层，EDS分析结果显示扩散层主要成分为Al,Zn等元素，同样为α-Al固溶体.

图5 钎焊接头的显微组织

Fig.5 Microstructure of brazed joints

表3 EDS分析结果(质量分数，%)
Table 1 EDS results in brazed joints

编号AlSiGeZn可能相A83.97——16.03α-AlB22.54——77.46β-ZnC—100.00——SiD95.30—4.70—α-AlE2.1336.6361.24—锗固溶体F1.0551.4047.55—硅固溶体G92.12——07.88α-AlH12.0303.5105.2079.26η-ZnI—10.4487.202.36锗固溶体J5.4777.6512.104.78硅固溶体

2.4 钎焊接头力学性能

对焊后6061搭接接头进行拉伸试验，不同钎料钎焊6061接头抗剪强度如图6所示. Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金钎焊6061铝合金所得接头抗剪强度值最小为87.68 MPa，Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料钎焊接头强度最大为138.5 MPa，Al-5.1Si-40.2Zn钎焊接头强度介于两者之间为104.67 MPa. 三种钎料合金钎焊接头均断裂于钎缝处，Al-5.1Si-40.2Zn钎焊接头钎缝中存在的粗大块状硅割裂了基体，恶化了钎焊接头的力学性能；Al-5.6Si-25.2Ge钎料合金与母材无明显扩散反应层，接头中存在大片状的脆性锗,硅固溶体相，使得钎焊接头强度较低；Al-9.5Si-10Ge-15Zn钎料钎焊接头中细小分散的锗,硅固溶体相以及塑性η-Zn相的存在是6061铝合金钎焊接头强度显著提高的关键.

图6 钎焊接头抗剪强度

Fig.6 Shear strength of joints

3 结论

(1) Al-Si-Ge-Zn钎料合金的熔化温度间隔为39.9 ℃，比Al-Si-Zn和Al-Si-Ge钎料具有更窄的熔化区间，更有利于提高钎料合金的铺展润湿性.

(2) Al-Si-Ge-Zn钎料合金的物相为α-Al相,锗固溶体相、硅固溶体相和η-Zn相，无金属间化合物生成；相比Al-Si-Ge钎料，Al-Si-Ge-Zn钎料合金中的锗,硅固溶体相更加细小分散.

(3) 由于Al-Si-Ge-Zn钎料钎焊接头中形成细小分散的Ge,Si固溶体相和塑性η-Zn相，使得Al-Si-Ge-Zn钎料钎焊接头抗剪强度值最大，为138.5 MPa.

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