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[摘 要] 采用组织分析和工况实验相结合的方法,研究了盐雾腐蚀对铜铝连接用新型钎料组织及性能的影响。结果表明:铝铜连接最好的方法是采用钎焊法,其钎料成分多为ZnAl15。锌铝钎料在盐雾腐蚀状态下铝组元被氧化,产生晶内拉应力,钎料会发生膨胀变形,应力加速腐蚀开裂。铜铝连接用锌铝钎料应避免放置于潮湿且盐雾较多的地方,要保持干燥,用前采用200℃、1.5h工艺进行烘干。
[关键词] 铜铝连接 钎料 盐雾腐蚀
铝代铜是目前工业中很有发展前景的一个方向。铜的资源性短缺和铜价的居高不下,促使科技工作者寻求铜的替代品。铝以其良好的性能及在地壳中较大的含量成为铜的替代品。在以铝代铜应用中,铜铝的连接成是目前的研究热点,铝-铜热管接头和铝-铜导管接头分别如图1中的a、b所示。
a)铝-铜热管接头 图1 铝铜连接产品
尽管铜和铝都是好的导电和导热体,但是铝与铜在物理性能及化学性能方面还存在较大的差异,其主要物理性能差别如表1所示。由于材料物理性能的不同以及连接时发生的冶金反应,连接异种金属比较困难。钎焊是最实用的方法。钎焊时钎料有很大的选择范围,所选的钎料必需能满足两种异种金属的要求,例如钎焊铝-铜时能同时润湿铝和铜,冶金反应恰当,力学性能良好,才可以满足钎焊的要求。目前可用于铜铝异种金属钎焊的钎料主要是锌铝钎料,其具有良好的填缝性和润湿性,焊接接头强度高,接头组织性能较好。锌铝钎料虽然有诸多优点,适宜用作铜铝钎焊,但是在存放的过程中,会随着放置时间而变脆,发生脆断。盐雾腐蚀是一个重要的影响因素[1-8]。
本文采用盐雾腐蚀法,结合扫描电镜、能谱分析,研究了其对锌铝钎料的组织和性能的影响,探讨了其脆断机理,为后期研究及工业生产提供了科学依据。
1、试验方法
1.1试验材料的制备
锌铝钎料的制备方法如图2所示,所得到的成品(药芯焊丝横断面)如图3所示。药芯边缘扫描形貌如图4所示。
1.2试验参数
本试验的设定是为了模拟夏天的实际环境。夏天高温多湿,并且盐分含量也较大。盐雾腐蚀拟定的试验时间为8~12d,具体时间可依实际试验情况做相应调整。盐雾腐蚀试验参数如表2所示。
注:盐雾沉降率是在75cm2/h情况下实施。
1.3表面处理
酸洗溶液是按一定比例配制的HF+HNO3+H2O(去离子水),酸洗时间为12s,以除去钎料表面的氧化膜,之后用去离子水漂洗干净,以清除试样表面残留的杂质。
1.4分析方法
腐蚀后的钎料经过抛光,用4%硝酸酒精腐蚀8s后在Quanta-200型扫描电镜上观察组织并进行能谱分析,在工况实验机上进行试验验证。
2、试验结果分析
2.1新制钎料形貌及能谱分析
新制钎料形貌及能谱分析如图5所示。
图5 新制钎料形貌及能谱分析
由图4可见,新制钎料中氧的质量分数为0.1%,铝为19.2%,锌为79.8%。
2.2盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析
盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析如图6所示。
由图6可见,盐雾腐蚀后的钎料中氧的质量分数为0.15%,铝为28.4%,锌为70.45%。
钎料腐蚀后有增重现象发生,说明在腐蚀的过程中,盐雾与锌铝钎料发生了电化学腐蚀,有腐蚀产物的生成。且铝的含量增加,锌的含量降低,说明盐雾腐蚀改变了锌铝钎料的化学成分。
图6 盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析
钎料在经盐雾腐蚀后容易发生脆断,是由晶間腐蚀引起的尺寸性能的不稳定现象。钎料在连接铜铝工件工作后不久,尤其是压铸的锌铝合金,容易在有盐雾的环境中发生膨胀、变形,严重的甚至开裂、破碎,放置时间的延长,钎料的组织形貌和相组成发生了变化,氧含量也慢慢增加,晶界变得模糊,抗拉强度和断后伸长率随放置时间延长而下降。
综上所述,铜铝连接用锌铝钎料应避免放置于潮湿且盐雾较多的地方,要保持干燥,用前采用200℃、1.5h的工艺进行烘干。
3、结论
1)铝铜连接最好的方法是采用钎焊法,其钎料成分多为ZnAl15。
2)锌铝钎料在盐雾腐蚀状态下铝组元被氧化,产生晶内拉应力,钎料会发生膨胀变形,应力加速腐蚀开裂。
3)铜铝连接用锌铝钎料应避免放置于潮湿且盐雾较多的地方,要保持干燥,用前采用200℃、1.5h的工艺进行烘干。
参考文献:
[1] Koyama K,Shinozaki K J,Lkeda K J,et al.Evaluation of brazing properties using Al-Si-Mg-Bi brazing alloy-development of brazing technique for Al-Cu dissimilar joint[J] .Journal of Light Metal Welding and Construction,2002,40(9):13~20.
[2] 龙伟民.药芯铝焊丝的研究及其应用[D].[硕士学位论文] .北京:清华大学,1998.
[3] 孙连超,田荣璋.锌及锌合物理冶金学[M].长沙:中南工业大学出版杜,1994,50~70.
[4] 汤宏群,曾建民,李会玲等. Zn-Al系二元相图的研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26(6):387~388.
[5] 龙伟民,张雷,程亚芳.铝与铜连接技术的研究[J].金属加工,2008,12:47~49.
[6] 孙德超,胡伟.Al-Cu接头钎焊研究[J].焊接技术,2002,31(2):18~19.
[7] 翟金昆.金属高温腐蚀[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994.20~64.
[8] 杨瑞鹏,蔡珣,李培祖等.铝铜直接钎焊的研究[J].焊接技术,1999,28(5):4~5.
注:
郑州大学2011年度大学生创新性实验计划项目“高熔敷强润湿铜铝连接用新型钎料的研制”
[关键词] 铜铝连接 钎料 盐雾腐蚀
铝代铜是目前工业中很有发展前景的一个方向。铜的资源性短缺和铜价的居高不下,促使科技工作者寻求铜的替代品。铝以其良好的性能及在地壳中较大的含量成为铜的替代品。在以铝代铜应用中,铜铝的连接成是目前的研究热点,铝-铜热管接头和铝-铜导管接头分别如图1中的a、b所示。
a)铝-铜热管接头 图1 铝铜连接产品
尽管铜和铝都是好的导电和导热体,但是铝与铜在物理性能及化学性能方面还存在较大的差异,其主要物理性能差别如表1所示。由于材料物理性能的不同以及连接时发生的冶金反应,连接异种金属比较困难。钎焊是最实用的方法。钎焊时钎料有很大的选择范围,所选的钎料必需能满足两种异种金属的要求,例如钎焊铝-铜时能同时润湿铝和铜,冶金反应恰当,力学性能良好,才可以满足钎焊的要求。目前可用于铜铝异种金属钎焊的钎料主要是锌铝钎料,其具有良好的填缝性和润湿性,焊接接头强度高,接头组织性能较好。锌铝钎料虽然有诸多优点,适宜用作铜铝钎焊,但是在存放的过程中,会随着放置时间而变脆,发生脆断。盐雾腐蚀是一个重要的影响因素[1-8]。
本文采用盐雾腐蚀法,结合扫描电镜、能谱分析,研究了其对锌铝钎料的组织和性能的影响,探讨了其脆断机理,为后期研究及工业生产提供了科学依据。
1、试验方法
1.1试验材料的制备
锌铝钎料的制备方法如图2所示,所得到的成品(药芯焊丝横断面)如图3所示。药芯边缘扫描形貌如图4所示。
1.2试验参数
本试验的设定是为了模拟夏天的实际环境。夏天高温多湿,并且盐分含量也较大。盐雾腐蚀拟定的试验时间为8~12d,具体时间可依实际试验情况做相应调整。盐雾腐蚀试验参数如表2所示。
注:盐雾沉降率是在75cm2/h情况下实施。
1.3表面处理
酸洗溶液是按一定比例配制的HF+HNO3+H2O(去离子水),酸洗时间为12s,以除去钎料表面的氧化膜,之后用去离子水漂洗干净,以清除试样表面残留的杂质。
1.4分析方法
腐蚀后的钎料经过抛光,用4%硝酸酒精腐蚀8s后在Quanta-200型扫描电镜上观察组织并进行能谱分析,在工况实验机上进行试验验证。
2、试验结果分析
2.1新制钎料形貌及能谱分析
新制钎料形貌及能谱分析如图5所示。
图5 新制钎料形貌及能谱分析
由图4可见,新制钎料中氧的质量分数为0.1%,铝为19.2%,锌为79.8%。
2.2盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析
盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析如图6所示。
由图6可见,盐雾腐蚀后的钎料中氧的质量分数为0.15%,铝为28.4%,锌为70.45%。
钎料腐蚀后有增重现象发生,说明在腐蚀的过程中,盐雾与锌铝钎料发生了电化学腐蚀,有腐蚀产物的生成。且铝的含量增加,锌的含量降低,说明盐雾腐蚀改变了锌铝钎料的化学成分。
图6 盐雾腐蚀后的钎料形貌及能谱分析
钎料在经盐雾腐蚀后容易发生脆断,是由晶間腐蚀引起的尺寸性能的不稳定现象。钎料在连接铜铝工件工作后不久,尤其是压铸的锌铝合金,容易在有盐雾的环境中发生膨胀、变形,严重的甚至开裂、破碎,放置时间的延长,钎料的组织形貌和相组成发生了变化,氧含量也慢慢增加,晶界变得模糊,抗拉强度和断后伸长率随放置时间延长而下降。
综上所述,铜铝连接用锌铝钎料应避免放置于潮湿且盐雾较多的地方,要保持干燥,用前采用200℃、1.5h的工艺进行烘干。
3、结论
1)铝铜连接最好的方法是采用钎焊法,其钎料成分多为ZnAl15。
2)锌铝钎料在盐雾腐蚀状态下铝组元被氧化,产生晶内拉应力,钎料会发生膨胀变形,应力加速腐蚀开裂。
3)铜铝连接用锌铝钎料应避免放置于潮湿且盐雾较多的地方,要保持干燥,用前采用200℃、1.5h的工艺进行烘干。
参考文献:
[1] Koyama K,Shinozaki K J,Lkeda K J,et al.Evaluation of brazing properties using Al-Si-Mg-Bi brazing alloy-development of brazing technique for Al-Cu dissimilar joint[J] .Journal of Light Metal Welding and Construction,2002,40(9):13~20.
[2] 龙伟民.药芯铝焊丝的研究及其应用[D].[硕士学位论文] .北京:清华大学,1998.
[3] 孙连超,田荣璋.锌及锌合物理冶金学[M].长沙:中南工业大学出版杜,1994,50~70.
[4] 汤宏群,曾建民,李会玲等. Zn-Al系二元相图的研究[J].特种铸造及有色合金,2006,26(6):387~388.
[5] 龙伟民,张雷,程亚芳.铝与铜连接技术的研究[J].金属加工,2008,12:47~49.
[6] 孙德超,胡伟.Al-Cu接头钎焊研究[J].焊接技术,2002,31(2):18~19.
[7] 翟金昆.金属高温腐蚀[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994.20~64.
[8] 杨瑞鹏,蔡珣,李培祖等.铝铜直接钎焊的研究[J].焊接技术,1999,28(5):4~5.
注:
郑州大学2011年度大学生创新性实验计划项目“高熔敷强润湿铜铝连接用新型钎料的研制”