CN114559180A - 碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料及其制备方法和应用，属于镁合金焊接技术领域，本发明中碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的化学组成及其质量百分比为：Al：24~26%，Zn：4~6%，Mn：0.3~0.5%，Y:0.9~1.1%，纳米碳化硅颗粒：0.1~0.3%，其余为Mg。并且提供了碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料用于镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为500~510℃。本发明提供的钎焊钎料含纳米碳化硅、钎焊温度合适、工艺简单、合金成本低、钎焊工艺性能优良，可以用于镁合金保护气氛钎焊、感应钎焊、炉中钎焊等工艺及Mg‑Al系Mg‑Zn系镁合金及其构件的钎焊。
Description
技术领域
本发明属于镁合金焊接技术领域，具体涉及一种碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料及其制备方法和应用。
背景技术
作为工业中可应用的最轻的金属结构材料，镁合金具有密度低、比强度比刚度高、导电导热性好、阻尼减震性能优异、电磁屏蔽效果佳、机械加工性能好、易回收等优点，在航空航天、国防军工、汽车制造、电子产品等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。由于产品轻量化的需求，迫切需要对应用广泛的一些镁合金进行钎焊，这就需要对镁合金钎焊所需的钎料进行研究和开发。
但是，目前商业应用的镁合金钎料品种很少，如美国的BM-1（美国试验材料学会牌号AZ92A）、BM-2a（美国试验材料学会牌号AZ125A）钎料钎焊温度范围分别为604~616℃和582~610℃，钎焊温度过高。日本的MC3标准镁合金钎料的成分非常接近于美国的BM-1，该钎料钎焊温度范围是605~615℃，此钎焊温度也过高。除此之外，还存在以下问题或者不足，如含有贵重金属，导致钎料成本较高；熔化温度过高，导致钎焊温度过高；适用范围较窄，并不适于钎焊广泛应用的Mg-Al系、Mg-Zn系等镁合金。为了解决上述问题或者不足，通过向传统合金钎料中添加一定量的高温合金、陶瓷颗粒、碳纤维等增强相，构成复合钎料，复合效应中往往能发挥出多方面的优势，而不单纯是合金钎料和增强体机械混合增强。纳米碳化硅耐磨性好，热力学稳定，与镁基体极好的润湿性，是钎料中十分适合的一种增强体。因此，研究和开发制备一种含纳米碳化硅、钎焊温度合适、工艺简单、合金成本低、钎焊工艺性能优良、接头综合性能良好的钎料，就成为镁合金结构件焊接连接制造中急需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术部分所述的不足，提供一种碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料及其制备方法和应用。
本发明通过以下技术方案予以实现。
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其化学组成及其质量百分比为：Al：24~26%，Zn：4~6%，Mn：0.3~0.5%，Y: 0.9~1.1%，纳米碳化硅颗粒：0.1~0.3%，其余为Mg。
本发明中镁合金钎焊钎料的组分为SiCp/Mg-Al-Zn-Mn-Y：
Al的加入量选为24~26 wt%，位于Mg-Al合金的共晶成分附近，可降低钎料熔炼及浇铸温度，提高钎料强度、硬度和流动性；
Zn的加入量选为4~6%，可通过固溶强化和时效强化作用提高钎料的强度；
Mn的加入量选为0.3~0.5%，有利于抗腐蚀性能的提高；
Y的加入量选为0.9~1.1%，可以提高钎料的流动性，通过固溶强化提高钎料强度；
SiC加入量选为0.1~0.3 wt %，可进一步细化钎料合金晶粒尺寸，改善钎料活性和润湿性，提高钎焊接头强度。
进一步地，所述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的化学组成及其质量百分比为：Al：25%，Zn：5%，Mn：0.5%，Y: 1%，纳米碳化硅颗粒：0.1%，其余为Mg。
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照化学组成及其质量百分比称取原料，将Mg-Mn-Y合金与纯铝锭共同加热到750~780℃，加热过程中持续通入保护气体，待固体物料完全熔化后保温静置10分钟，制得熔融合金液；
S2、将熔融合金液降温至720℃后加入锌粒，与此同时，将纳米碳化硅颗粒预热至450~460℃，留待后步使用；
S3、沿着顺时针方向搅拌加入锌粒后的熔融合金液，搅拌速度为25r/min~30r/min，熔融合金液形成涡流，直至加入锌粒后的熔融合金液冷却至半固态温度450~460℃；然后，保持半固态温度并向半固态熔融合金液中加入步骤S2预热好的纳米碳化硅颗粒，继续沿着顺时针方向搅拌25min~30min；
S4、保持半固态温度并沿着逆时针方向搅拌15min~20min，搅拌速度为25r/min~30r/min；然后，保持逆时针方向搅拌的同时升温至550℃~560℃，搅拌10min~15min；
S5、模具预热至300℃~350℃，将步骤S4制得的金属熔液倒入预热好的模具中压铸成型，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料。
进一步地，在所述步骤S5中，压铸成型包括以下步骤：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s。
进一步地，在所述步骤S1中，保护气体为CO2和SF6的混合气体，保护气体中SF6的体积分数为5%~6%。
进一步地，在所述步骤S2中，纳米碳化硅颗粒的粒径为50~60nm。
进一步地，在所述步骤S4中，升温过程在电阻炉中进行。
上述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料用于镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为500~510℃。
进一步地，所述镁合金为固相线温度在510℃以上的镁合金。
进一步地，所述镁合金为AZ31B镁合金。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明镁合金钎焊钎料的熔化温度范围为431-451℃，钎焊温度范围为500-510℃。在钎焊温度下，钎料具有良好的铺展性和间隙填充性，可用于固相线温度在510℃以上的镁合金的钎焊。采用炉中钎焊工艺钎焊AZ31B镁合金接头时，钎焊搭接接头强度在30-36MPa之间，钎焊对接接头抗拉强度在40-46MPa之间。
本发明镁合金钎焊钎料可以用于保护气氛钎焊、感应钎焊、炉中钎焊等工艺，可以用于Mg-Al系Mg-Zn系镁合金及其构件的钎焊，应用的范围较广，应用前景广阔。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
实施例1
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其化学组成及其质量百分比为：Al：25%，Zn：4%，纳米碳化硅颗粒：0.1%，Mn：0.3%，Y：0.9%，其余为Mg。
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照化学组成及其质量百分比称取原料，将Mg-Mn-Y合金与纯铝锭共同加热到750℃，加热过程中持续通入保护气体，保护气体为CO2和SF6的混合气体，保护气体中SF6的体积分数为5%，待固体物料完全熔化后保温静置10分钟，制得熔融合金液；
S2、将熔融合金液降温至720℃后加入锌粒，与此同时，将纳米碳化硅颗粒预热至450℃，留待后步使用，纳米碳化硅颗粒的粒径为50nm；
S3、沿着顺时针方向搅拌加入锌粒后的熔融合金液，搅拌速度为25r/min，熔融合金液形成涡流，直至加入锌粒后的熔融合金液冷却至半固态温度450℃；然后，保持半固态温度并向半固态熔融合金液中加入步骤S2预热好的纳米碳化硅颗粒，继续沿着顺时针方向搅拌25min；
S4、保持半固态温度并沿着逆时针方向搅拌15min，搅拌速度为25r/min；然后，保持逆时针方向搅拌的同时升温至550℃，升温过程在电阻炉中进行，搅拌10min；
S5、模具预热至300℃，将步骤S4制得的金属熔液倒入预热好的模具中压铸成型，压铸成型包括以下步骤：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料。
上述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料用于AZ31B镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为500℃。
实施例2
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其化学组成及其质量百分比为：Al：26%，Zn：5%，纳米碳化硅颗粒：0.2%，Mn：0.4%，Y：1%，其余为Mg。
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照化学组成及其质量百分比称取原料，将Mg-Mn-Y合金与纯铝锭共同加热到760℃，加热过程中持续通入保护气体，保护气体为CO2和SF6的混合气体，保护气体中SF6的体积分数为5%，待固体物料完全熔化后保温静置10分钟，制得熔融合金液；
S2、将熔融合金液降温至720℃后加入锌粒，与此同时，将纳米碳化硅颗粒预热至450℃，留待后步使用，纳米碳化硅颗粒的粒径为55nm；
S3、沿着顺时针方向搅拌加入锌粒后的熔融合金液，搅拌速度为27r/min，熔融合金液形成涡流，直至加入锌粒后的熔融合金液冷却至半固态温度450℃；然后，保持半固态温度并向半固态熔融合金液中加入步骤S2预热好的纳米碳化硅颗粒，继续沿着顺时针方向搅拌27min；
S4、保持半固态温度并沿着逆时针方向搅拌17min，搅拌速度为27r/min；然后，保持逆时针方向搅拌的同时升温至555℃，升温过程在电阻炉中进行，搅拌13min；
S5、模具预热至325℃，将步骤S4制得的金属熔液倒入预热好的模具中压铸成型，压铸成型包括以下步骤：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料。
上述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料用于AZ31B镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为500℃。
实施例3
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其化学组成及其质量百分比为：Al：24%，Zn：6%，纳米碳化硅颗粒：0.3%，Mn：0.5%，Y：1.1%，其余为Mg。
碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照化学组成及其质量百分比称取原料，将Mg-Mn-Y合金与纯铝锭共同加热到780℃，加热过程中持续通入保护气体，保护气体为CO2和SF6的混合气体，保护气体中SF6的体积分数为6%，待固体物料完全熔化后保温静置10分钟，制得熔融合金液；
S2、将熔融合金液降温至720℃后加入锌粒，与此同时，将纳米碳化硅颗粒预热至460℃，留待后步使用，纳米碳化硅颗粒的粒径为60nm；
S3、沿着顺时针方向搅拌加入锌粒后的熔融合金液，搅拌速度为30r/min，熔融合金液形成涡流，直至加入锌粒后的熔融合金液冷却至半固态温度460℃；然后，保持半固态温度并向半固态熔融合金液中加入步骤S2预热好的纳米碳化硅颗粒，继续沿着顺时针方向搅拌30min；
S4、保持半固态温度并沿着逆时针方向搅拌20min，搅拌速度为30r/min；然后，保持逆时针方向搅拌的同时升温至560℃，升温过程在电阻炉中进行，搅拌15min；
S5、模具预热至350℃，将步骤S4制得的金属熔液倒入预热好的模具中压铸成型，压铸成型包括以下步骤：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料。
上述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料用于AZ31B镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为510℃。
对比例
本对比例中镁合金钎焊钎料的化学组成及其质量百分比为：Al：25%，Zn：5%，Mn：0.4%，Y：0.8%，余量为Mg。本对比例与实施例1~3的区别在于镁合金钎焊钎料中未添加SiC颗粒。
本对比例中镁合金钎焊钎料的制备方法包括以下步骤：将Mg-Mn-Y合金和纯铝锭共同加热到780℃熔融，通入CO2和SF6保护气体，熔化后静置保温十分钟，降温到720℃，加入锌粒，搅拌速度为25r/min且沿着顺时针方向旋转以形成涡流，顺时针方向旋转搅拌25min，改变螺旋桨旋转方向，然后在逆时针方向旋转搅拌的条件下降温至550℃，在温度为550℃的条件下且沿着逆时针方向旋转搅拌10min，将金属熔液倒入预热至300℃的模具中，在温度为300℃的条件下保温压铸成型，压铸成型的过程为：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s，得到镁合金钎焊钎料。
实施例1-3及对比例中制得的钎料对AZ31B薄板（3mm厚）进行炉中钎焊，测定钎焊接头抗剪强度和抗拉强度，结果如表1所示。
本发明的镁合金钎焊钎料，经过熔炼、压铸制得，制备工艺简单，钎焊工艺性能优异，接头抗剪强度30-36MPa，抗拉强度40-46MPa，综合性能良好，在镁合金的焊接连接中有着广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其特征在于：所述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的化学组成及其质量百分比为：Al：24~26%，Zn：4~6%，Mn：0.3~0.5%，Y: 0.9~1.1%，纳米碳化硅颗粒：0.1~0.3%，其余为Mg。
2.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料，其特征在于：所述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的化学组成及其质量百分比为：Al：25%，Zn：5%，Mn：0.5%，Y:1%，纳米碳化硅颗粒：0.1%，其余为Mg。
3.如权利要求1所述碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、按照化学组成及其质量百分比称取原料，将Mg-Mn-Y合金与纯铝锭共同加热到750~780℃，加热过程中持续通入保护气体，待固体物料完全熔化后保温静置10分钟，制得熔融合金液；
S2、将熔融合金液降温至720℃后加入锌粒，与此同时，将纳米碳化硅颗粒预热至450~460℃，留待后步使用；
S3、沿着顺时针方向搅拌加入锌粒后的熔融合金液，搅拌速度为25r/min~30r/min，熔融合金液形成涡流，直至加入锌粒后的熔融合金液冷却至半固态温度450~460℃；然后，保持半固态温度并向半固态熔融合金液中加入步骤S2预热好的纳米碳化硅颗粒，继续沿着顺时针方向搅拌25min~30min；
S4、保持半固态温度并沿着逆时针方向搅拌15min~20min，搅拌速度为25r/min~30r/min；然后，保持逆时针方向搅拌的同时升温至550℃~560℃，搅拌10min~15min；
S5、模具预热至300℃~350℃，将步骤S4制得的金属熔液倒入预热好的模具中压铸成型，制得碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料。
4.根据权利要求3所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S5中，压铸成型包括以下步骤：先在载荷为150kN的条件下保持10s，然后在载荷为450kN的条件下保持180s。
5.根据权利要求3所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，保护气体为CO2和SF6的混合气体，保护气体中SF6的体积分数为5%~6%。
6.根据权利要求3所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S2中，纳米碳化硅颗粒的粒径为50~60nm。
7.根据权利要求3所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，升温过程在电阻炉中进行。
8.如权利要求1所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的应用，其特征在于：所述钎料用于镁合金的钎焊过程中，钎焊温度为500~510℃。
9.根据权利要求8所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的应用，其特征在于：所述镁合金为固相线温度在510℃以上的镁合金。
10.根据权利要求9所述的碳化硅颗粒增强型镁合金钎焊钎料的应用，其特征在于：所述镁合金为AZ31B镁合金。
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