CN105436701A - 镁基金属与铝基金属的连接方法 - Google Patents

镁基金属与铝基金属的连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁基金属与铝基金属的连接方法。镁基金属与铝基金属通过中间层连接，连接方法包括以下步骤：1)第一扩散过程：对铝基金属的扩散面和中间层的第一扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第一温度下对表面处理后的铝基金属和中间层进行扩散连接；2)第二扩散过程：对镁基金属的扩散面和中间层的第二扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第二温度下对表面处理后的镁基金属和中间层进行扩散连接，即得到通过中间层连接的镁基金属和铝基金属；第一温度高于第二温度，所得接头处无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等缺陷，且接头精度高、变形小、工艺稳定性强。

Description

镁基金属与铝基金属的连接方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种镁基金属与铝基金属的连接方法。
背景技术
镁基金属和铝基金属是应用广泛的轻质有色金属，实现镁基金属与铝基金属的连接有着十分重要的意义。这两种异种金属的焊接难点主要表现在以下几个方面：1)铝与镁为活泼金属，很容易与O2化合而形成MgO和Al2O3氧化膜，尤其是Al2O3的结构致密且熔点很高(2050℃)，很难去除；氧化膜不仅阻碍两种金属的连接，而且易使接头区产生夹杂、裂纹等缺陷，使接头的力学性能变差；2)镁为密排六方结构，铝为面心立方结构，晶体结构的不同是铝与镁之间相互溶解度差的原因之一，较低的相互溶解度使两种金属形成熔合区十分困难，难以形成有效的结合；3)液态铝和液态镁中都可溶解大量的氢，这容易使熔合区在凝固时使氢来不及逸出而产生气孔，使得熔合区塑性和韧性降低，焊缝性能差；4)焊接时，接头区极易产生大量脆硬的镁铝金属间化合物，致使接头有较高的裂纹倾向，显著降低接头的韧塑性，这也是要实现镁基金属和铝基金属连接时所面临的最难解决的问题。
为了避免镁铝金属间化合物的生成，国内外许多学者都尝试了添加中间层的扩散连接方法。例如，刘蒙恩等人在题目为“Mg/Al异种材料瞬间液相过冷连接工艺研究”一文中采用瞬间液相扩散焊，以非晶态Ag-Cu合金做中间层，从而实现了AZ31镁合金与5083铝合金的有效连接。由于在焊接过程中出现了液相，液相的出现使液相两侧金属的扩散速度过快导致铝与镁穿过中间层相互扩散形成大量镁铝金属间化合物，影响接头性能。赵丽敏等人在题目为“镁合金与铝合金的夹层扩散焊连接”一文中采用锌夹层在356℃温度下对镁铝异种金属进行扩散焊连接，其原理是是先把锌热浸镀到铝合金表面进而再与镁合金进行扩散连接。
发明内容
本发明的发明人想到，采用磁控溅射、热浸镀等方法在扩散面上沉积镀层作为中间层，不仅工艺复杂、成本高，而且镀层的附着量、均一性和坚实性难以得到保证，影响接头的稳定性。因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的镁基金属与铝基金属的连接方法。
本发明解决上述技术问题所提出的技术方法是一种镁基金属与铝基金属的连接方法，所述镁基金属为纯镁或镁基合金，所述铝基金属为纯铝或铝基合金，镁基金属与铝基金属通过中间层连接，连接方法包括以下步骤：1)第一扩散过程：对铝基金属的扩散面和中间层的第一扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第一温度下对表面处理后的铝基金属和中间层进行扩散连接；2)第二扩散过程：对镁基金属的扩散面和中间层的第二扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第二温度下对表面处理后的镁基金属和中间层进行扩散连接，即得到通过中间层连接的镁基金属和铝基金属。由于铝基金属与中间层的扩散连接温度高于镁基金属与中间层的扩散连接温度，若使扩散连接温度在铝基金属与中间层的扩散连接温度区间内，会导致镁基金属与中间层之间析出大量的液相，且液相组织在扩散连接压力下易被挤出中间层，中间层失去阻隔铝基金属与镁基金属的作用，使接头处由于扩散而产生大量脆硬组织；若使扩散连接温度在镁基金属与中间层的扩散连接温度区间内，会导致铝基金属与中间层之间不能有效扩散连接，容易断裂；因此，本发明采用分步扩散连接工艺，第一温度高于第二温度，所得接头处无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等熔焊时的缺陷，且接头精度高、变形小、工艺稳定性强。
中间层由锌基金属、镍基金属或银基金属组成，其厚度为50-300μm，其中，锌基金属为纯锌或锌基合金，镍基金属为纯镍或镍基合金，银基金属为纯银或银基合金。当中间层的厚度在上述数值范围内进一步减小，会导致铝基金属与镁基金属的扩散路径过短以至于相互接触形成脆硬的镁铝金属间化合物；当中间层的厚度在上述数值范围内进一步增大，会导致扩散连接后中间层残余厚度较厚(>200μm)，以至于发生剪切时接头容易在强度较低的中间层金属处发生断裂，接头强度约等于中间层金属的强度，不利于接头强度的提高。
当中间层由锌基金属组成时，第一温度为350-380℃，第二温度为320-340℃。第一扩散过程和第二扩散过程的保温时间为30-240min，焊接压力为2-12Mpa，真空度大于2.0Pa，升温速度为12-30℃/min，降温速度为5-15℃/min。
在放入扩散焊炉中之前，需要对扩散面进行表面处理，表面处理包括打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理，以去除扩散面上附着的氧化物或其他可能影响扩散工艺的杂质，并且使表面粗糙度达到要求。锌基金属的表面打磨依次采用800#、1200#、1500#砂纸，抛光采用粒度为W1.5的钻石抛光膏。铝基金属与镁基金属的表面打磨依次采用400#、800#、1200#砂纸，抛光采用粒度为W1.5的钻石抛光膏。所述有机溶剂超声清洁处理过程中，有机溶剂为无水乙醇，超声时间为5-15min。
附图说明
图1为实施例1中接头处的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例中所使用的铝基金属为尺寸为20mm×10mm×6mm的5083型铝合金，镁基金属为尺寸为20mm×10mm×3mm的ZK60型镁合金，中间层为厚度为200μm的纯锌，具体步骤如下：
对上述5083型铝合金的扩散面依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨，然后再使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；对上述纯锌的第一扩散面依次使用800#、1200#、1500#砂纸打磨，然后再使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；迅速将处理后的5083型铝合金与纯锌放入扩散焊炉中，固定好之后开始抽真空并进行扩散连接，以15℃/min的升温速度将温度升至365℃，之后保温120min，焊接压力为4MPa，真空度为1.3Pa。保温完成以后以5℃/min的降温速度冷却至100℃以下，停止抽取真空，打开炉子取出试件1-1。
采用与上述5083型铝合金相同的表面处理工艺，对ZK60型镁合金进行打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理。采用与上述纯锌的第一扩散面相同的表面处理工艺，对其第二扩散面进行打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理。迅速将处理后的ZK60型镁合金与试件1-1放入扩散焊炉中，固定好之后开始抽真空并进行扩散连接，以15℃/min的升温速度将温度升至335℃，之后保温120min，焊接压力为4MPa，真空度为1.3Pa。保温完成以后以约5℃/min的降温速度冷却至100℃以下，停止抽取真空，打开炉子取出试件1-2，即得到通过纯锌中间层连接的5083型铝合金与ZK60型镁合金，由图1可以看出，接头处无凝固(铸造)组织，不生成气孔、宏观裂纹等缺陷，经测量，接头的剪切强度为24.3MPa。
对照例1
本实施例中所使用的铝基金属为尺寸为20mm×10mm×6mm的5083型铝合金，镁基金属为尺寸为20mm×10mm×3mm的ZK60型镁合金，中间层为厚度为200μm的纯锌，具体步骤如下：
对上述5083型铝合金和ZK60型镁合金的扩散面依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨，然后使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；对上述纯锌的两个扩散面依次使用800#、1200#、1500#砂纸打磨，然后再使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；迅速将处理后的5083型铝合金、ZK60型镁合金与纯锌放入扩散炉中，固定好之后开始抽真空并进行扩散连接，以15℃/min的升温速度将温度升至365℃，之后保温120min，焊接压力为4MPa，真空度为1.3Pa。保温完成后以5℃/min的降温速度冷却至100℃以下，停止抽取真空，打开炉子取出试件2，即得到通过纯锌中间层连接的5083型铝合金与ZK60型镁合金。经测量，ZK60型镁合金与纯锌在高温下发生共晶反应生成大量液相组织，液相组织在扩散连接压力的作用下被挤出中间层形成“焊瘤”,导致接头的剪切强度仅为11.23MPa。
对照例2
本实施例中所使用的铝基金属为尺寸为20mm×10mm×6mm的5083型铝合金，镁基金属为尺寸为20mm×10mm×3mm的ZK60型镁合金，中间层为厚度为200μm的纯锌，具体步骤如下：
对上述5083型铝合金和ZK60型镁合金的扩散面依次使用400#、800#、1200#砂纸打磨，然后使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；对上述纯锌的两个扩散面依次使用800#、1200#、1500#砂纸打磨，然后再使用粒度为W1.5的钻石抛光膏进行抛光，抛光后放入无水乙醇中超声清洗15min后将其吹干；迅速将处理后的5083型铝合金、ZK60型镁合金与纯锌放入扩散炉中，固定好之后开始抽真空并进行扩散连接，以15℃/min的升温速度将温度升至335℃，之后保温120min，焊接压力为4MPa，真空度为1.3Pa。保温完成后以5℃/min的降温速度冷却至100℃以下，停止抽取真空，打开炉子取出试件3，即得到通过纯锌中间层连接的5083型铝合金与ZK60型镁合金。结果表明,5083型铝合金与纯锌未能发生扩散连接，未能得到使用纯锌中间层连接的5083型铝合金与ZK60型镁合金接头。
对照例1与实施例1相比可知，由于对照例1中的扩散连接温度(365℃)远高于ZK60型镁合金与纯锌的扩散连接温度，因此，在试件2中，ZK60型镁合金与纯锌的扩散连接处，形成大量的凝固(铸造)组织，中间层金属被大量挤出而失去阻隔效果，使得铝镁相互扩散，连接处存在大量铝镁锌三元化合物和铝镁二元化合物，物相分布极不均匀，从而导致接头的综合力学性能远低于试件1-2中接头的综合力学性能。对照例2与实施例1相比可知，由于对照例2中的扩散连接温度(335℃)远低于5083型铝合金与纯锌的扩散连接温度，导致试件3中，5083型铝合金与纯锌的扩散程度极弱，5083型铝合金与ZK60型镁合金未能形成有效连接。

Claims (9)

1.镁基金属与铝基金属的连接方法，包括以下步骤：
1)对铝基金属的扩散面和中间层的第一扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第一温度下对表面处理后的铝基金属和中间层进行扩散连接；
2)对镁基金属的扩散面和中间层的第二扩散面分别进行表面处理，然后利用真空扩散焊接工艺，在第二温度下对表面处理后的镁基金属和中间层进行扩散连接，即得到通过中间层连接的镁基金属和铝基金属；
其中，第一温度高于第二温度。
2.如权利要求1所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：所述中间层由锌基金属、镍基金属或银基金属组成，其厚度为50-300μm。
3.如权利要求2所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：当中间层由锌基金属组成时，第一温度为350-380℃。
4.如权利要求2所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：当中间层由锌基金属组成时，第二温度为320-340℃。
5.如权利要求1所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：所述表面处理包括打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理。
6.如权利要求5所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：锌基金属的表面打磨依次采用800#、1200#、1500#砂纸，抛光采用粒度为W1.5的钻石抛光膏。
7.如权利要求5所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：镁基金属和铝基金属的表面打磨依次采用400#、800#、1200#砂纸，抛光采用粒度为W1.5的钻石抛光膏。
8.如权利要求5所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：所述有机溶剂超声清洁处理过程中，有机溶剂为无水乙醇，超声时间为5-15min。
9.如权利要求3或4所述的镁基金属与铝基金属的连接方法，其特征在于：保温时间为30-240min，焊接压力为2-12MPa，真空度大于2.0Pa，升温速度为12-30℃/min，降温速度为5-15℃/min。
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