CN102071337A - 一种镁合金钎料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金钎料的制备方法，步骤包括：将坩埚或熔炼炉预热并撒上覆盖剂，将合金锭在保护性气氛下加热至高出所配制钎料液相线以上50℃～150℃；合金锭熔化后，捞渣，搅拌；采用超声波发生器对镁合金熔融钎料施加超声波：将经过预热的超声波杆插入镁合金熔融钎料液面下5～50mm，超声波杆预热温度与钎料的熔化温度相差不超过20℃，超声波频率为18～22kHz，超声波强度为0.5～5W/cm²，时间为10～150s；移出超声波杆，合金液静置；将钎料熔液浇注入不锈钢模具中，空冷至室温得到钎料。本发明合金元素尤其是微量合金元素分布均匀，晶粒细化，韧性提高，钎焊搭接接头剪切强度提高约5％～20％。

Description

一种镁合金钎料的制备方法

技术领域

本发明属于镁合金焊接材料的制造技术领域，具体涉及到一种镁合金系列钎料的制备方法。

背景技术

镁合金材料是目前结构金属材料应用中质量最轻的金属材料，具有比重小，比强度高，易于回收等优点，广泛应用于航空、航天、汽车制造及电子产品中，被誉为绿色工程结构材料。近年来，以镁合金为代表的轻金属材料异军突起，以每年20％的速度持续增长。镁合金的连接成为研究热点。

国内外在工业中应用较广的镁合金主要有以下4个系列：AZ系列，如Mg-Al-Zn；AM系列，如Mg-Al-Mn；AS系列，如Mg-Al-Si和AE系列，如Mg-Al-RE。针对不同的镁合金系列，开发出不同的镁合金钎料。

目前镁合金钎料的制备方法主要有熔剂保护法、工业用中频或工频感应熔化炉中熔炼法、电阻炉熔化法、坩埚熔化法等。在这些制备方法中，均为将不同合金锭加热至熔融态，待合金完全完全熔化后，采用机械搅拌的方法进行搅拌，静置一段时间后出炉，在钢基模具中进行浇铸，空冷至室温得到镁合金钎料。

上述制备钎料的方法中，由于采用保护性气氛，如熔剂或保护性气体，这些保护性介质还会或多或少地进入到钎料中，成为钎料中的杂质，影响钎料的钎焊接头性能。如在熔剂保护法中，采用的精炼熔剂主要是由MgCl₂、KCl、CaF₂、BaCl₂等卤盐按一定比例混合组成，熔剂的主要成分与镁合金钎料的密度相当，若熔剂用量不当或精炼不合适，钎焊中形成熔剂夹杂物的可能性还会增加。这些夹杂物一般以薄膜状、粒子状或簇状的形态残在镁合金钎料的基体或晶界上，不仅降低镁合金钎料的力学性能、而且对合金的断裂韧性、疲劳性能及电化学性能均有严重影响。

用上述方法制备的镁合金钎料由于采用机械搅拌的方法进行搅拌，随后还要静置，存在合金成分偏析、晶粒粗大、成分不均匀的问题。如果钎料中含有微量合金元素，如稀土元素时，由于稀土通常为重金属元素，其密度远大于镁合金的密度，易沉积于熔融钎料的底部，存在稀土不能弥散分布于钎料的情况，导致钎焊接头性能不稳。镁合金钎料要经过较长时间的静置，生产效率较低。采用上述制备镁合金钎料的方法制备镁合金，有时为获得均匀组织，还要进行热处理，进一步降低了生产效率。

超声波具体独特的声学效果，人们研究超声波在金属熔体中的作用机理时产生了诸多学说，如空化作用理论、破碎理论、过冷形核理论和声流理论等。这些学说是超声波作用于金属凝固过程时，产生的多种效应及其引发的压力场、流动场和温度场等共同作用的结果。

发明内容

本发明目的在于解决镁合金钎料晶粒粗大，合金元素尤其是微量合金元素分布不均匀及镁合金钎料混入杂质的问题，而提供一种镁合金钎料的制备方法，在镁合金的熔融钎料中施加超声波的方法制备镁合金钎料。

本发明制备镁合金钎料的步骤如下：

1)将坩埚或熔炼炉预热到100℃～300℃，在坩埚或熔炼炉底部撒上覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。

2)将用于配制钎焊的合金锭置于经过预热的坩锅或熔炼炉中。

3)在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至高出所配制钎料液相线以上50℃～150℃，保护性气氛为SF₆+N₂混合气体。

4)待合金锭完全熔化后，捞渣，搅拌2～10分钟后，采用超声波发生器对镁合金熔融钎料施加超声波：将经过预热的超声波杆插入镁合金熔融钎料液面下5～50mm，超声波杆的预热温度与所配制钎料的熔化温度相差不超过20℃，超声波频率为18～22kHz，超声波强度为0.5～5W/cm²，时间为10～150s。

5)施加超声波结束后移出超声波杆，将合金液静置5～150s。

6)将熔融钎料液体浇注入不锈钢模具中，空冷至室温得到钎料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与未施加超声处理的镁合金钎料相比，α-Mg基体分布均匀，合金枝晶数量减少，晶粒得到细化，韧性提高，钎料所钎焊搭接接头剪切强度提高约5％～20％。

2、与未施加超声处理的镁合金钎料相比，少量添加的元素如Al等元素分布更加均匀。

3、与未施加超声处理的镁合金钎料相比，微量添加元素主要是稀土元素，如Nd、Y、Ce等元素在钎料中分布更加均匀，不会沉积于钎料的底部。

4、与未施加超声处理的镁合金钎料相比，采用超声处理后的镁合金钎料静置时间大大减少，不用进行均匀化处理也可得到组织均匀的钎料。

在钎料金属凝固过程中，施加合适的超声波处理，钎料锭的凝固组织可以由粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，偏析也得到改善。超声的引入还可以除去熔融钎料中的大部分气体，从而避免钎料锭中的气孔缺陷，大大改善钎料锭的质量。在液态钎料金属中施加超声波时，还有除渣的作用，使钎料锭中的夹杂物含量大大减少。

具体实施方式

下述实施例中所使用的坩埚电阻炉为SG2A7.5-10坩埚电阻炉。

对比例：

将坩埚预热到150℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入660g镁锭和72g铝锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至720℃后保温。待合金完全熔化后，加入600g锌锭，待合金完全熔化后搅拌2分钟，静置10分钟后出炉，捞渣，在不锈钢模具中进行浇铸，浇铸温度为700℃。空冷至室温得到Zn-Mg-Al钎料。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。

实施例1

将坩埚预热到100℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入50g镁锭和950g锌锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至700℃后保温。待合金完全熔化后捞渣，搅拌2分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约5mm，然后施加超声波，超声波频率为18kHz，超声波强度为0.5W/cm²，时间为10s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置5s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到Zn-Mg钎料。

实施例2

将坩埚预热到150℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入500g镁锭和500g锌锭，撒入60g覆盖剂。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至700℃后保温。待合金完全熔化后捞渣，搅拌3分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约10mm，然后施加超声波，超声波频率为19kHz，超声波强度为0.8W/cm²，时间为20s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置20s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到Mg-Zn钎料。

实施例3

将坩埚预热到180℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入660g镁锭，72g铝锭和600g锌锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至720℃后保温。待合金完全熔化后捞渣，搅拌4分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约10mm，然后施加超声波，超声波频率为20kHz，超声波强度为1W/cm²，时间为30s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置50s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到Zn-Mg-Al钎料。

实施例4

将坩埚预热到250℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入440g镁锭和40g铝锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至750℃后保温。待合金完全熔化后，加入500g锌锭和20g镁钇锭，合金完全熔化后捞渣，搅拌7分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约20mm，然后施加超声波，超声波频率为22kHz，超声波强度为5W/cm²，时间为100s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置100s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到含钇的Zn-Mg-A镁合金钎料。

实施例5

将坩埚预热到200℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入335g镁锭和40g铝锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至750℃后保温。待合金完全熔化后，加入500g锌锭和125gMg-Nd锭，待合金完全熔化后捞渣，搅拌5分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约15mm，然后施加超声波，超声波频率为21kHz，超声波强度为2W/cm²，时间为80s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置100s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到含稀土Nd的Zn-Mg-Al镁合金钎料。

实施例6

将坩埚预热到300℃。在坩埚底部撒上60g覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂。在坩埚中放入335g镁锭和90g铝锭。在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至750℃后保温。待合金完全熔化后，加入450g锌锭和125gMg-Nd锭，待合金完全熔化后捞渣，搅拌10分钟后降温，熔体温度降至680℃后保温，将预热到680℃的超声杆插入镁合金熔融钎料中，超声波杆浸入合金液面下约50mm，然后施加超声波，超声波频率为22kHz，超声波强度为5W/cm²，时间为150s。处理结束后，移出超声波杆，将合金液静置150s，等温度降至670℃后浇注入不锈钢模具中。在整个过程中均用SF₆+N₂混合气体对熔融钎料进行保护。浇注完毕后，空冷至室温得到含稀土Nd的Zn-Mg-Al镁合金钎料。

将对比例和实施例1-6制备的钎料机械切割为块状，对3mm厚的AZ31B镁合金薄板进行感应钎焊。钎焊前镁合金工件经砂纸打磨，丙酮清洗以去除表面的油污及氧化膜，钎焊接头处撒布钎剂，钎料置于接头处，将组配好的工件放入氩气保护装置进行钎焊。钎焊过程中氩气流量为10L/min，升温速度为2.5℃/s，钎焊温度380℃，保温35s。钎焊后，对钎焊接头进行剪切强度测试；采用Olympus-B51M金相显微镜结合OLYCIA-m3图像分析仪，对接头显微组织中的晶粒尺寸对夹杂物尺寸进行定量统计，其结果如表1所示。

从表1可以看出，采用本发明所制备的钎料进行感应钎焊后，钎焊接头的剪切强度均有提高，晶粒平均尺寸减小，夹杂物尺寸减少。

表1钎焊接头剪切强度、晶粒尺寸及夹杂物尺寸统计

Claims (1)

1.一种镁合金钎料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将坩埚或熔炼炉预热到100℃～300℃，在坩埚或熔炼炉底部撒上覆盖剂，覆盖剂的成份为35wt％BaCl₂、30％wt％LiCl、10.0wt％KCl和25wt％CaF₂；

2)将用于配制钎焊的合金锭置于经过预热的坩锅或熔炼炉中；

3)在保护性气氛和机械搅拌条件下加热至高出所配制钎料液相线以上50℃～150℃，保护性气氛为SF₆+N₂混合气体；

4)待合金锭完全熔化后，捞渣，搅拌2～10分钟后，采用超声波发生器对镁合金熔融钎料施加超声波：将经过预热的超声波杆插入镁合金熔融钎料液面下5～50mm，超声波杆的预热温度与所配制钎料的熔化温度相差不超过20℃，超声波频率为18～22kHz，超声波强度为0.5～5W/cm²，时间为10～150s；

5)施加超声波结束后移出超声波杆，将合金液静置5～150s；

6)将熔融钎料液体浇注入不锈钢模具中，空冷至室温得到钎料。