CN110066943A - 一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Sn:1.0‑2.0wt.%,In:0.5‑0.8wt.%,Cd:3.0‑4.0wt.%,Pb:1.0‑1.5wt.%,Ag:0.1‑0.4wt.%,Sb:5.0‑8.0wt.%,Bi:1.0‑2.0wt.%,B:0.1‑0.2wt.%,Al:30.0‑35.0wt.%,余量为Zn。本专利提供的焊接材料可以将两块低铝含量的锌铝阻尼合金进行扩散焊接而不会降低接头的力学性能和阻尼性能。该材料由于对设备要求简单，在解决工业减振降噪需求的同时也能通过成功的产业化而获得极大的社会价值和经济价值。

Description

一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锌铝合金。
背景技术
在国际范围内，机械振动和噪音控制已经成为市场竞争中的重要考虑因素。同时，从保护人们的身心健康和环境质量而言，振动和噪音也是世界各国急需解决的迫切问题之一。阻尼合金是一种新型的结构材料，可以利用内部的内耗机制将振动的机械能量转换为热能而耗散掉。随着人们环保意识，产品质量意识的增强，阻尼合金的应用已经遍及工业和国防的各个领域。
阻尼合金作为一种将结构和功能统一的新材料，前景是非常光明的。阻尼合金不仅具有结构材料的高强度，还表现出非金属的高阻尼性能。阻尼合金的内耗机制在很久以前就已经很清楚，但是将阻尼合金用于减振降噪确实最近几十年的事情。同时，人们也在实际使用的过程中积累了大量实用数据，这也促使了阻尼合金材料更为广泛的应用到了减振降噪产品设计，环境噪音设计和劳动保护等工程领域。
锌铝基阻尼合金是阻尼合金中一种非常重要的合金种类，其阻尼机制来源于晶界在受力过程中产生的粘性流动。作为结构材料用于减振降噪后，可以有效地用于航空和航天等领域的电子仪器和仪表等精度和使用寿命的提高。目前在国内外已经有了相当程度的推广和使用。
但是非常令人遗憾的是，目前对于锌基阻尼合金一般采用铸造的方法制备成减振用构件。此外，还可以将该材料加工成各类的减振部件采用铆接的方式和振动源连接。采用螺栓和螺母进行铆接的方式只适合比较小的减振结构。当减振部分比较大的场合下，铆接已经不能充分发挥阻尼合金的性能优势。
因而，开发一种可以将铝锌高阻尼合金进行焊接的材料是目前减振降噪领域亟待解决的问题。世界各国投入了大量的人力和物力进行了艰难的探索，但是到目前为止还没有一种成熟的解决方案。同时，目前国内外并没有性能优异的同类型产品。开发并产业化锌铝基高阻尼合金用的焊接材料是目前国内外阻尼合金领域的热点。本专利从材料学的角度出发，提出了一种用于锌铝高阻尼合金焊接用的材料。从焊接接头的力学性能和微观组织结构来讲，可以完全克服目前存在的问题，并大大增加了结构件在运行过程中的安全性。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺。该材料可以用于含铝量为20-30wt.%左右的锌铝阻尼合金的焊接，且所得接头区域具有令人满意的力学性能和阻尼性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺。按重量百分比计,该合金组成为Sn:1.0-2.0wt.%,In:0.5-0.8wt.%,Cd:3.0-4.0wt.%,Pb:1.0-1.5wt.%,Ag:0.1-0.4wt.%,Sb:5.0-8.0wt.%,Bi:1.0-2.0wt.%,B:0.1-0.2wt.%,Al:30.0-35.0wt.%,余量为Zn。
上述焊接材料的制备和使用方法，包括如下的加工和使用步骤：
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）锌铝高阻尼合金按照铝含量不同可以分为三种类型：含铝量为60-70wt.%左右的为高铝含量锌铝合金，含铝量为40-50wt.%左右的为中铝含量锌铝合金，而含铝量为20-30wt.%左右的为低铝含量锌铝合金。低铝含量锌铝阻尼合金最具有代表性的是日本三菱公司开发的Cosmal-Z合金系列，其中铝含量为 20wt.%左右。锌铝合金由锌的存在而使得焊接过程非常困难，这是和锌的物力和化学性能紧密相关的。主要体现在锌合金更容易氧化，在焊接过程中形成的氧化物容易在接头中产生夹杂。同时锌的熔点和沸点非常低，容易在焊接的时候形成ZnO的微粒而严重影响工人的健康。因此锌合金不容易采用传统的弧焊接方式进行焊接。同时，随着现代工业的快速发展，振动问题越来与突出。锌铝基阻尼合金应用范围越来越广，但是很多情况下都是采用螺栓和螺钉的铆接方式。采用传统焊接的方式不能有效地进行铝锌阻尼合金的焊接，因而开发一种可以在氩气保护下进行扩散焊接用的焊接材料是适应市场需求的材料学解决方案。
（2）该材料工作方式如图1所示，其中A为待焊接的锌铝阻尼合金，B为本专利申请保护的焊接材料。B材料通过材料学设计使得该材料在设定的焊接温度下为固-液两相状态，且具备规定范围内的固相和液相比例。待焊接锌铝阻尼合金固相线温度高于扩散焊的工作温度，因而在该焊接温度下为固态。在焊接温度下的初始时刻，B由于处于固-液两相状态而使得其中的液相开始在缝隙中流动，从而充分填充其中的空隙。同时，A材料开始在B中溶解而改变了B的成分。最后的结果就是B由于成分变化而产生了固化，从而将两块A材料焊接在一起。
（3）本专利申请保护的焊接材料熔点范围为380-400度。相比而言，常见的低铝含量锌铝阻尼合金的熔点为470-480度。在工作温度下（300-320度），本专利申请保护材料处于液-固两相区，且液相的含量为30-40vol.%。该液相在工作温度下具有非常优异的流动性能，可以充分填充两块待焊接材料之间的孔隙。此外，该焊接材料的比热容只有0.3-0.4KJ/Kg﹒K，相比传统的低铝含量锌铝合金的热容而言比较低（约为0.5KJ/Kg﹒K）。在小的热流下，该焊接材料便可以有大的温度提升效应，可以使得焊接箔材在很短的时间内熔化完成焊接过程。因而，在使用该材料进行焊接过程中，在300-320度的温度下经过10-15分钟便可以完成焊接的过程。
（4）衡量焊接材料除了热力学性能决定的熔点和热容外，还必须考虑该材料在焊接后的力学性能（包括强度和阻尼性能）。传统低铝含量锌铝阻尼合金的屈服强度为140-160MPa，抗拉强度为230-250MPa，延伸率为5-6%。采用本专利申请保护的焊接材料形成的焊接接头，屈服强度为150-180MPa，抗拉强度为240-260MPa，延伸率维持在6-8%。此外，传统低铝含量锌铝合金的内耗Q-1（×10-3）为5-6。本专利申请保护的焊接用材料的内耗可以达到Q-1（×10-3）=10-15。因而焊接后的减振构件完全可以满足工业减振降噪的需求。
附图说明
图1：该图为本专利申请保护的焊接材料使用示意图；其中A为待焊接的两块低铝含量锌铝合金，B为本专利申请保护的焊接材料。
具体实施方式
实施例1
一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为:Sn:1.0wt.%,In:0.5wt.%,Cd:3.0wt.%,Pb:1.0wt.%,Ag:0.1wt.%,Sb:5.0wt.%,Bi:1.0wt.%,B:0.1wt.%,Al:30.0wt.%,余量为Zn。
上述焊接材料的制备和使用方法，包括如下的加工和使用步骤：（a）按照配方中的合金重量百分含量配料后，放入到氩气保护感应炉中进行感应熔炼，并采用石墨坩埚；在720度内利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后倒入铸铁模具中进行浇铸；（b）将所得铸锭进行冷轧，每道次的轧下量为6%,且每两道次后要进行一次中间退火，工艺为100度1.0小时；重复以上步骤，直到最终的箔材厚度为40微米；（c）在氩气保护的热处理炉中进行扩散焊接，将待焊接工件中间放置如上所得的焊接箔材；将温度升高到300度后加压3MPa并保温10分钟；然后停止加热并将工件取出。
该焊接材料熔点为380度。相比而言，常见的低铝含量锌铝阻尼合金的熔点为470-480度。在工作温度下（300度），本专利申请保护材料处于液-固两相区，且液相的含量为32vol.%。该焊接材料的比热容只有0.3KJ/Kg﹒K，相比传统的低铝含量锌铝合金的热容而言比较低（约为0.5KJ/Kg﹒K）。在小的热流下，该焊接材料便可以有大的温度提升效应，在300度的温度下经过10分钟便可以完成焊接的过程。传统低铝含量锌铝阻尼合金的屈服强度为140-160MPa，抗拉强度为230-250MPa，延伸率为5-6%。采用本专利申请保护的焊接材料形成的焊接接头，屈服强度为160MPa，抗拉强度为240MPa，延伸率维持在6%。此外，传统低铝含量锌铝合金的内耗Q-1（×10-3）为5-6。本专利申请保护的焊接用材料的内耗可以达到Q-1（×10-3）=12。因而焊接后的减振构件完全可以满足工业减振降噪的需求。
实施例2
一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为:Sn:2.0wt.%,In:0.8wt.%,Cd:4.0wt.%,Pb:1.5wt.%,Ag:0.4wt.%,Sb:8.0wt.%,Bi:2.0wt.%,B:0.2wt.%,Al:35.0wt.%,余量为Zn。
上述焊接材料的制备和使用方法，包括如下的加工和使用步骤：（a）按照配方中的合金重量百分含量配料后，放入到氩气保护感应炉中进行感应熔炼，并采用石墨坩埚；在720度内利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后倒入铸铁模具中进行浇铸；（b）将所得铸锭进行冷轧，每道次的轧下量为7%,且每两道次后要进行一次中间退火，工艺为120度1.5小时；重复以上步骤，直到最终的箔材厚度为40微米；（c）在氩气保护的热处理炉中进行扩散焊接，将待焊接工件中间放置如上所得的焊接箔材；将温度升高到310度后加压4MPa并保温12分钟；然后停止加热并将工件取出。
该焊接材料熔点为390度。相比而言，常见的低铝含量锌铝阻尼合金的熔点为470-480度。在工作温度下（310度），本专利申请保护材料处于液-固两相区，且液相的含量为305vol.%。该焊接材料的比热容只有0.4KJ/Kg﹒K，相比传统的低铝含量锌铝合金的热容而言比较低（约为0.5KJ/Kg﹒K）。在小的热流下，该焊接材料便可以有大的温度提升效应，在310度的温度下经过12分钟便可以完成焊接的过程。传统低铝含量锌铝阻尼合金的屈服强度为140-160MPa，抗拉强度为230-250MPa，延伸率为5-6%。采用本专利申请保护的焊接材料形成的焊接接头，屈服强度为170MPa，抗拉强度为2450MPa，延伸率维持在8%。此外，传统低铝含量锌铝合金的内耗Q-1（×10-3）为5-6。本专利申请保护的焊接用材料的内耗可以达到Q-1（×10-3）=10。因而焊接后的减振构件完全可以满足工业减振降噪的需求。
实施例3
一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为:Sn:1.5t.%,In:0.6wt.%,Cd:3.2wt.%,Pb:1.4wt.%,Ag:0.2wt.%,Sb:5.8wt.%,Bi:1.2wt.%,B:0.1wt.%,Al:32.0wt.%,余量为Zn。
上述焊接材料的制备和使用方法，包括如下的加工和使用步骤：（a）按照配方中的合金重量百分含量配料后，放入到氩气保护感应炉中进行感应熔炼，并采用石墨坩埚；在740度内利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后倒入铸铁模具中进行浇铸；（b）将所得铸锭进行冷轧，每道次的轧下量为6%,且每两道次后要进行一次中间退火，工艺为110度1.2小时；重复以上步骤，直到最终的箔材厚度为40微米；（c）在氩气保护的热处理炉中进行扩散焊接，将待焊接工件中间放置如上所得的焊接箔材；将温度升高到320度后加压4MPa并保温12分钟；然后停止加热并将工件取出。
该焊接材料熔点为392度。相比而言，常见的低铝含量锌铝阻尼合金的熔点为470-480度。在工作温度下（320度），本专利申请保护材料处于液-固两相区，且液相的含量为35vol.%。该焊接材料的比热容只有0.3KJ/Kg﹒K，相比传统的低铝含量锌铝合金的热容而言比较低（约为0.5KJ/Kg﹒K）。在小的热流下，该焊接材料便可以有大的温度提升效应，在320度的温度下经过12分钟便可以完成焊接的过程。传统低铝含量锌铝阻尼合金的屈服强度为140-160MPa，抗拉强度为230-250MPa，延伸率为5-6%。采用本专利申请保护的焊接材料形成的焊接接头，屈服强度为160MPa，抗拉强度为250MPa，延伸率维持在6%。此外，传统低铝含量锌铝合金的内耗Q-1（×10-3）为5-6。本专利申请保护的焊接用材料的内耗可以达到Q-1（×10-3）=11。因而焊接后的减振构件完全可以满足工业减振降噪的需求。

Claims (2)

1.一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料及其工艺；按重量百分比计，该合金组成为：Sn:1.0-2.0wt.%,In:0.5-0.8wt.%,Cd:3.0-4.0wt.%,Pb:1.0-1.5wt.%,Ag:0.1-0.4wt.%,Sb:5.0-8.0wt.%,Bi:1.0-2.0wt.%,B:0.1-0.2wt.%,Al:30.0-35.0wt.%,余量为Zn。
2.权利要求1所述一种低铝含量锌铝阻尼合金的焊接材料，其特征在于包括如下加工和使用步骤：（a）按照配方中的合金重量百分含量配料后，放入到氩气保护感应炉中进行感应熔炼，并采用石墨坩埚；在700-750度内利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后倒入铸铁模具中进行浇铸；（b）将所得铸锭进行冷轧，每道次的轧下量为5-8%,且每两道次后要进行一次中间退火，工艺为100-120度1.0-1.5小时；重复以上步骤，直到最终的箔材厚度为30-50微米；（c）在氩气保护的热处理炉中进行扩散焊接，将待焊接工件中间放置如上所得的焊接箔材；将温度升高到300-320度后加压3-5MPa并保温10-15分钟；然后停止加热并将工件取出。
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