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1、第 14 卷 第 3 期 1998年9 月农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSAEVol. 14 No. 3 Sept.1998收稿日期: 1997-12-30 1998-07-20 修订* 吉林省科委和机械部教育司发展基金资助项目( 95AJ0102) 徐德生, 工学硕士, 讲师, 长春市人民大街 142 号 吉林工业大学焊接教研室, 130025铝共晶接触反应钎焊界面形成 及腐蚀机理研究*徐德生 邱小明 孙大谦 吴山力(吉林工业大学)摘 要 用电子探针和扫描电镜研究了铝共晶接触反应钎焊时钎缝界面的形成及其抗电化学腐蚀性能。 试验结果表明, 在Al-Zn共晶
2、接触反应钎焊钎缝中加入Cu可有效地破坏母材Al表面的氧化膜, 避免 Zn 对 Al 的溶蚀, 并形成润湿性良好的 Al-Zn- Cu 共晶反应钎缝; 钎缝的腐蚀过程是沿晶界进行的。关键词 铝 钎焊 电化学腐蚀 共晶反应铝导热性能优良、 比重轻、 价格低, 在生产中应用愈来愈广, 用铝代替铜是目前国内外的 主要发展趋势 1。铝及铝合金与其它金属相比钎焊比较困难。铝合金硬钎焊时, 由于钎料的 熔点同铝及铝合金的熔点相差不大, 因而钎焊质量难以控制; 铝及铝合金软钎焊时, 由于钎料和母材之间电极电位相差悬殊, 给钎缝的抗腐蚀性能带来不利影响。 铝合金钎焊问题一直 影响着铝及铝合金在工业生产中的应用。
3、 共晶接触反应钎焊是利用异种金属形成共晶的特点, 在界面接触良好的条件下加热到 共晶温度以上, 依靠金属间的相互扩散, 在界面处形成共晶体作为钎料把金属钎焊起来的方 法。 此种钎焊温度低, 不用钎剂且钎缝再熔化温度高, 近年来引起了广泛重视, 是一个飞速发 展的新钎焊方法。 铝和许多金属可以形成共晶, 利用铝的共晶接触反应钎焊可以在较低的钎焊温度下获得优质的钎缝, 是非常有开拓前景的方法。 铝共晶接触反应钎焊的主要问题是钎 缝界面形成及电化学腐蚀问题, 对此进行研究对促进铝共晶接触反应钎焊的实际生产应用 意义十分重大。1 试验方法试验用的母材为工业纯 Al, 有两种规格: 25 mm10 mm
4、1 mm 和 25 mm10 mm 3 mm。 中间共晶反应层分别选用: Ag、 Ni、 Si、 Zn、 Cu、 Ti。 钎焊前所有试验材料都进行化学去 除氧化膜。 全部钎焊试验是在石英管中的高频感应加热炉中进行的。为了防止试件在加热过程中氧化, 在石英管内通入纯度为 99. 99 % 的氩气。试件放在圆形高纯石墨套中加热, 以保证加热均匀和准确控制加热温度。接触反应钎焊时, 对钎焊接头施加一定的压力, 确保母材与反 应层接触良好, 有利于共晶接触反应熔化的进行; 同时, 加压又可使形成的液相从间隙内挤 出, 有利于提高接头质量。钎焊温度为共晶温度+ 10 。2 结果讨论2. 1 钎缝的形成A
5、l 可以和许多金属形成共晶, 但是由于各自的原因, 或者是共晶温度高, 或者是形成的 共晶液相比较脆, 因而, 很难获得优质的钎焊接头。Al 和 Zn 形成共晶, 共晶温度为 382 , 且 Al-Zn 在很大范围内生成固溶体, 因此, Al- Zn 特别适合共晶接触反应钎焊。但在实际钎 焊时发现, 只用 Zn 作共晶反应层, 不能实现共晶接触反应钎焊。形成的液相不润湿母材, 而图 1 共晶反应接头Fig. 1 Eutectic reaction joint是被挤出接头外部形成钎料珠。 对母材Al 表面进行扫描 电镜和 X 射线衍射分析, 发现 Al 表面已经滋生出一层 致密的氧化膜。 因此要
6、实现 Al-Zn 共晶接触反应钎焊, 必 须破坏 Al 表面的氧化膜。考察 Al 和其它金属的共晶接触反应钎焊, Al-Cu 是 最易进行共晶接触反应的 2, 且 Al-Zn-Cu 可形成三元共 晶。 在Al 和 Zn 之间夹一很薄的铜箔便可实现 Al-Zn- Cu 共晶接触反应钎焊。 此时, 形成的共晶液相不但润湿母材Al, 并可在接头处形成很好的钎焊圆角, 如图 1示。 2. 2 界面分析 图 2为 Al-Zn-Cu 共晶接触反应钎焊的界面照片。 钎图 2 钎缝界面Fig. 2 Brazed seam interface缝由连续分布的黑块区和弥散区组成, 为典型的共晶组 织。 利用电镜对贯
7、穿整个钎缝含锌量进行的线扫描表明, 锌的含量分布极不均匀, 特别是在靠近母材处急剧减少。 这说明钎缝组织并非通常的一次结晶形成的。 实际上, 未 钎焊前在接头部位存在两种类型的界面, 即 Al-Cu 界面 和 Al-Cu 与 Zn 界面。试验表明, 该两种界面都可以较容 易地实现共晶反应, 只是所需要的最低温度不同。 可以通过如下几个阶段来描述钎缝界面形成过程。 第一阶段: 在 400 左右, Cu 优先沿 Al 表面晶界扩 散和富集( 图 3) 。 第二阶段: 在 420 548 以内, Zn 熔化; Cu 沿 Al 表面晶界扩散加快, 在加热至 530 左右, Al 表面氧化膜开始龟裂,
8、在 548 , 扩散达到 Al-Cu 共晶成份后, 便会发生共晶反 应, 形成共晶液相。随着共晶液相的不断增多、 推移, 在表面张力和界面张力的作用下, 就会 把浮在其上的氧化膜抬起、 推移并破碎。此时, 试验中看到, Zn 开始向 Al-Cu 共晶液相中溶 解, 在铝的整个钎缝表面润湿铺展。第三阶段: 经过一段时间, 随着 Cu 的扩散溶解, 在 Al 表面形成的 Al-Cu 共晶液相逐渐 与第二阶段形成的液相 Zn 汇合溶解, 形成 Al-Zn-Cu 共晶液相界面, 铺展于母材 Al 的表 面。61第 3 期 徐德生等: 铝共晶接触反应钎焊界面形成及腐蚀机理研究 图 3 Cu 沿 Al 表
9、面晶界扩散与分布Fig. 3 Cu diffusion and distribution along the interface of the Al surface由此可见, 难以实现的 Al-Zn 共晶反应钎焊在加入 Cu 过渡层后得以顺利实现。这里 Cu 的主要作用是破坏 铝表面的氧化膜, 使共晶反应液相在整个界面润湿, Zn 也在整个界面进行冶金反应, 避免了 Zn 对 Al 的溶蚀; 形 成 Al-Zn-Cu 共晶反应液相钎缝。 2. 3 钎缝界面腐蚀 共晶接触反应钎焊时, 由于共晶反应层与母材的成份和性能截然不同, 其电极电位不同, 所形成的共晶体的 电极电位也不同。 在接头中相互接
10、触时, 如果有电解质存 在, 在钎料 母材界面处就会形成微电池, 使接头发生电 化学腐蚀, 电极电位低的金属或合金作为阳极将被腐蚀 掉。 表1 为所测出的几种金属及铝共晶系统的电极电位。 由此可以分析钎缝界面的腐蚀情况。 由表 1 结果可知, 用 Cu-Zn 作夹层钎焊时, 母材与共晶体的电极电位相差不大, 优于用图 4 腐蚀的界面Fig. 4Corroded interfaceCu 作中间反应层的 Al- Cu 共晶接触反应钎焊的抗电化 学腐蚀性能 3。 试验结果表明, 随着Cu 箔的加厚, 接头的 抗电化学腐蚀性能下降, 腐蚀优先沿母材 Al 晶界富 Cu 区进行的, 如图 4 所示, 钎
11、缝及共晶体晶界腐蚀较严重。 按 Cu 与 Al 及 Al-Zn- Cu 共晶系统的电极电位分析, Cu 的电极电位最高, 发生电化学腐蚀时应腐蚀 Al 及共晶 体, 而非富集 Cu 的晶界。 这种情况可按Dowd J. D. 的说法解释 4, 认为电极电位出现反常, 即在晶界处出现了比 铝及共晶体更负的电极电位, 致使界面处产生强烈腐蚀。表 1 几种金属及铝共晶反应层的电极电位Tab. 1 Electrode potential of some metals and Al eutectic reaction layers金属或共晶系AlZnCuAl-ZnAl-CuAl-Zn-Cu电极电位/V-
12、 0. 83- 1. 10- 0. 20- 0. 78- 0. 49- 0. 703 结 论1) 铝共晶接触反应钎焊时, 在铝锌之间加入铜可有效地破坏铝表面的氧化膜, 避免锌对铝的溶蚀, 使锌在整个钎缝界面铺展, 并可形成优质的 Al-Zn-Cu 共晶反应钎缝界面。 2) Al- Zn-Cu 共晶接触反应钎焊的抗电化学腐蚀性能优于 Al-Cu 共晶接触反应钎焊,其腐蚀是沿钎缝晶界富 Cu 区进行的。参考文献1 陈定华, 钱乙余, 黄继华.Al/Cu接触反应钎焊中反应铺展现象和氧化模行为. 金属学报, 1989, 25( 1) : 42472 邱小明等. Al- Al 接头共晶接触反应钎焊的研究
13、. 汽车工程, 1996, 18( 2) : 12012362农业工程学报 1998年3 Dowd J D. Soldering of aluminum. Weld J, 1954, 33( 3) : 6668Investigation on Formation and Corrosion of the Interface in Aluminum Eutectic Reaction Brazing Xu Desheng Qiu Xiaoming Sun Daqian Wu Shanli (Jilin University of T echnology, Changchun)Abstract I
14、n this paper, some problems about the formation of the brazed seam interface and its electrochemical corrosion resistance properties were investigated by using a scan- ning electron microscope and an electron probe. T he results showed that, if only using Zn as the layer in Al eutectic reaction braz
15、ing, the eutectic liquid phase can not make the par- ent metal wet and can not form a good brazed seam interface and that Zn can cause erosionto Al. It also showed that, if adding Cu between Al and Zn, Cu can take priority of gather- ing and diffusing in the surface crystal boundary of the parent me
16、tal and take the eutectic reaction with Al to form an Al-Cu eutectic liquid phase. Furthermore the Al-Cu eutectic liquid phase can make the surface Al oxide film rise, move, break and wet, spread on the all brazed seam surface, then Zn can be dissolved into the Al-Cu eutectic liquid phase and the Al-Zn-Cu eutectic liquid phase interface can be gradually formed and wetted, spread on the all Al brazed seam surface as the temperature increases an
