CN105057912B - 一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料及其制备方法。该非晶合金钎料的结构式为Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd_xNd_9‑x，其制备是按照所需的元素组成配比将Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd和 Nd在石墨坩埚中混合，在氩气保护下熔化，浇于铜模中，获得Mg‑Cu‑Ag‑Zn‑Dy‑Gd‑Nd非晶合金钎料。本发明所提供的镁基非晶合金钎料适合于固相线温度在400℃以上的镁合金钎焊，具有低熔点、高强度的特点。所提供耐热镁合金钎料用于GW103K镁合金钎焊，其钎焊搭接接头室温抗剪强度在128～136MPa之间。本发明制备方法简单且易操作，成分控制比较好，杂质含量少，适合制备高质量镁基非晶合金钎料。

Description

一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料及其制备方法

技术领域

本发明属于镁合金焊接连接技术领域，涉及一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料及其制备方法，具体涉及一种Mg-Cu-Ag-Zn-Gd-Nd非晶合金钎料。

背景技术

镁合金是目前实际工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度高，铸造、减震、切削加工性优良以及尺寸稳定性好等特点，使其在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具有显著作用, 在汽车、国防军工、航空航天、电子、机械等工业领域以及家庭用品和运动器材等领域正得到日益广泛应用。然而，目前镁合金钎焊焊料所焊接的接头性能都比较低，远低于镁合金基体材料的性能（强度大于200MPa）。比如，申请号201110000830.0 发明的一种Al-Mg-Zn 镁合金钎焊钎料, 钎焊AZ31B 镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在23 ～ 28MPa 之间，钎焊对接接头抗拉强度在39 ～ 44MPa 之间；申请号 200910092578.3一种含稀土的镁合金钎焊钎料钎焊AZ31B 镁合金，钎焊搭接接头抗剪强度在38 ～39MPa 之间，钎焊对接接头抗拉强度在53 ～ 62MPa之间；申请号201110205638.5 发明的一种含稀土元素Er 的镁合金，钎焊镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在 40 ～ 46 MPa 之间； 申请号 200910092579.8发明的一种Zn-Mg 镁合金钎焊钎料，钎焊AZ31B 镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在38 ～ 43MPa 之间，钎焊对接接头抗拉强度在52 ～ 53MPa 之间；申请号 200910092580.0一种用于镁合金钎焊Zn-Mg-Al 钎料，钎焊AZ31B 镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在43 ～ 45MPa 之间，钎焊对接接头抗拉强度在59 ～62 MPa 之间；申请号 200910184467.5锌镁基钎料合金钎焊镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在53 ～68 MPa 之间；申请号 200910184466.0，镁基钎料合金，钎焊镁合金所得钎焊搭接接头抗剪强度在 57 ～ 70 MPa 之间。因此，开发用于镁合金钎焊的高强度镁合金钎料，是镁合金钎焊领域急需解决的问题。

与传统镁合金相比，镁基非晶合金有着超高强度，甚至超高1 GPa。韩玉梅（镁基非晶钎料真空钎焊AZ31B镁合金，郑州大学专业硕士学位论文，2014）研究了镁基非晶合金Mg₆₅Cu₂₅Gd₁₀作为钎料焊接AZ31B镁合金发现，钎焊焊缝冶金结合良好，并且焊缝与基体保持相同的硬度水平，钎焊之后母材保持最初的性能。由此表明，镁基非晶合金可作为镁合金钎焊钎料，并可获得更佳的强度。然而，Mg₆₅Cu₂₅Gd₁₀非晶合金的熔点为 427 ℃，相比于现有的普通镁合金钎料的熔点依然偏高。因此，进一步降低镁基非晶合金的熔点，改善镁基非晶合金的钎焊性能，是扩展镁基非晶合金在镁合金钎焊中应用需要研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有研究的不足，提供一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料及其制备方法，使其解决现有镁合金钎料强度低，而现有镁基非晶合金熔点高的问题，并进一步提高钎料的性能，为高性能镁合金的钎焊提供技术支持。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料，是一种Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd非晶合金钎料，该非晶合金钎料的结构式为Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd_xNd_9-x，其中3≤x≤6，x为Nd元素的原子百分数。

本发明所述用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：按照上述非晶合金钎料的比例准备Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料；

第二步：将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电流控制在150 至 500安培之间，实现对原料充分熔化并均匀化；

第三步：将第二步得到的熔体，在氩气保护下，浇注于铜模中，获得Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料；

本发明所述第一步中，所述Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料纯度均为99.9％以上。

本发明所述第二步中，所述熔炼过程时间为 50 分钟：前 10 分钟电流为 150安培，之后 20 分钟电流为 500 安培，最后 20 分钟电流为 300 安培。

本发明所述第二步中，所述熔炼在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大于99.99%的纯氩气氛，气氛压力为 1 个大气压。

本发明所述第三步中，所述铜模的型腔内径为 8 mm，高 200 mm，所述氩气纯度大于99.9%。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料熔点为355～365℃，比现有的Mg₆₅Cu₂₅Gd₁₀非晶合金钎料的熔点为 427 ℃低约60℃，与现有的普通镁合金钎料熔点相当，适合于固相线温度在400℃以上的镁合金钎焊。所提供耐热镁合金钎料用于GW103K（Mg-10Gd-3Y-0.4Zr）镁合金钎焊，其钎焊搭接接头室温抗剪强度在128～136 MPa 之间，其强度优于现有的镁合金钎料钎焊所得钎焊接头性能。此外，本发明提供的镁基非晶合金钎料制备方法简单且易操作，成分控制比较好，杂质含量少，适合制备高质量镁基非晶合金钎料。

本发明所提供的Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料，与现有的Mg₆₅Cu₂₅Gd₁₀ 镁基非晶合金钎料相比，其增加的元素及含量的作用如下：

Ag ：合金元素，具有显著增加镁基非晶合金的非晶形成能力，并具有强化作用。

Zn：低熔点合金元素，可降低镁基非晶合金钎料的熔点。

Dy：少量添加合金元素，具有增加镁基非晶合金的非晶形成能力作用，可降低镁基非晶合金钎料的熔点，并具有强化作用。

Nd：低熔点稀土合金元素，具有显著降低镁基非晶合金钎料熔点作用，并具有显著增加非晶合金的非晶形成能力。

Mg：增加少量Mg元素，可改善镁基非晶合金钎料的提高钎料的流动性，并改善润湿性。

附图说明

图1是实施例的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1、Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd₃Nd₆ 非晶合金钎料

第一步、按照Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd₃Nd₆的比例准备Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料；上述Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料纯度均为在99.9％以上。

第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99.99%，气氛压力为 1 个大气压。前 10 分钟电流为 150安培，之后 20 分钟电流为 500 安培，最后 20 分钟电流为 300 安培，由此实现对原料充分熔化并均匀化。

第三步、将第二步得到的合金熔体，在氩气保护下，浇入内径为 8 mm，高200 mm的铜模中，冷却后获得 Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料。

经x射线衍射检测，实施例 1 所得合金钎料为非晶结构组织，如图 1 所示。采用实施例 1 的镁合金钎料对GW103K(Mg-10Gd-3Y-0.4Zr)镁合金进行钎焊。首先，将GW103K镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中氩气流量为 0.5 L/min，升温速度为 150℃ /min，钎焊温度范围为 390～400℃，保温 90s 后，迅速冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表1 中。

实施例2、 Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd_4.5Nd_4.5 非晶合金钎料

第一步、按照Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd_4.5Nd_4.5的比例准备Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料；上述Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料纯度均为在99.9％以上。

第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99.99%，气氛压力为 1 个大气压。前 10 分钟电流为 150安培，之后 20 分钟电流为 500 安培，最后 20 分钟电流为 300 安培，由此实现对原料充分熔化并均匀化。

第三步、将第二步得到的合金熔体，在氩气保护下，浇入内径为 8 mm，高200 mm的铜模中，冷却后获得 Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料。

经x射线衍射检测，实施例 2 所得合金钎料为非晶结构组织，如图 1 所示。采用实施例 2 的镁合金钎料对GW103K(Mg-10Gd-3Y-0.4Zr)镁合金进行钎焊。首先，将GW103K镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中氩气流量为 0.5 L/min，升温速度为 150℃ /min，钎焊温度范围为 390～400℃，保温 90s 后，迅速冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表 1 中。

实施例3、 Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd₆Nd₃ 非晶合金钎料

第一步、按照Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd₆Nd₃的比例准备Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料；上述Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料纯度均为在99.9％以上。

第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99.99%，气氛压力为 1 个大气压。前 10 分钟电流为 150安培，之后 20 分钟电流为 500 安培，最后 20 分钟电流为 300 安培，由此实现对原料充分熔化并均匀化。

第三步、将第二步得到的合金熔体，在氩气保护下，浇入内径为 8 mm，高200 mm的铜模中，冷却后获得 Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料。

经x射线衍射检测，实施例 3 所得合金钎料为非晶结构组织，如图 1 所示。采用实施例 3 的镁合金钎料对GW103K(Mg-10Gd-3Y-0.4Zr)镁合金进行钎焊。首先，将GW103K镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中氩气流量为 0.5 L/min，升温速度为 150℃ /min，钎焊温度范围为 390～400℃，保温 90s 后，迅速冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表 1 中。

表1、实施例1-3 中制备的镁基非晶合金钎料的成分及钎焊接头力学性能

。

Claims (6)

1.一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料，该非晶合金钎料的结构式为Mg₆₆Cu₁₅Ag₅Zn₄Dy₁Gd_xNd_9-x，其中3≤x≤6，x为Gd元素的原子数。

2.一种权利要求1所述的用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：按照上述非晶合金钎料的比例准备Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料；

第二步：将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电流控制在150 至 500安培之间，实现对原料充分熔化并均匀化；

第三步：将第二步得到的熔体，在氩气保护下，浇注于铜模中，获得Mg-Cu-Ag-Zn-Dy-Gd-Nd 非晶合金钎料。

3.根据权利要求2所述的一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于：第一步中，所述Mg、Cu、Ag、Zn、Dy、Gd 和 Nd原料纯度均为99.9％以上。

4.根据权利要求2所述的一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于：第二步中，所述熔炼过程时间为 50 分钟：前 10 分钟电流为 150安培，之后 20分钟电流为 500 安培，最后 20 分钟电流为 300 安培。

5.根据权利要求2所述的一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于：第二步中，所述熔炼在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大于99.99%的纯氩气氛，气氛压力为 1 个大气压。

6.根据权利要求2所述的一种用于镁合金钎焊的镁基非晶合金钎料的制备方法，其特征在于：第三步中，所述铜模的型腔内径为 8 mm，高 200 mm，所述氩气纯度大于99.9%。