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ZA合金的连接及接头组织与性能研究

刘秀忠  
【摘要】: ZA合金是以Zn为基,添加了Al、Cu、Mg等合金元素,具有强度高、塑性好、耐磨性优良、摩擦系数低及较高的比强度、低的熔点、无磁性等特点的环保材料,广泛应用于制造轴承、轴瓦、压板、涡轮等机械零件及模具等,但由于连接问题没有解决限制了ZA合金在一些领域的应用,也因此成为ZA合金急亟待解决的问题之一。本文以新型ZA合金为研究对象,对ZA合金的熔焊、钎焊机制及接头的组织和性能进行了系统的研究,并重点对ZA合金连接材料、连接技术与实践应用和连接理论等进行了深入探讨。 对ZA合金熔化焊的研究结果表明,影响其焊接性的主要因素是Zn的蒸发、氧化、塌陷、气孔及夹杂,其中Zn的蒸发是最主要的因素。通过使用所研制的TIG焊剂,采用左焊法,并严格控制焊接工艺参数及焊接热输入,可有效地减少和防止焊接过程中Zn的蒸发,很好地解决了ZA合金焊接的技术难题。 论文首次研究了TIG焊剂及其在焊接ZA合金时的作用机理。研究结果表明,TIG焊剂使焊接电弧的截面积增加,阳极斑点凸出,焊缝表面成型优良,焊缝中Zn的损失减少。TIG焊剂减少Zn损失的作用机制:一是通过冶金反应向焊缝中过渡Zn;二是在熔池表面形成液态薄膜,起到“锅盖”效应,保护熔池,阻挡Zn的蒸发和氧化损失;三是在熔池表面形成的液态薄膜,阻止电弧热量向熔池输入,使熔池的温度降低,减少了Zn的蒸发。 对ZA合金TIG焊接头微观组织特征、组织结构和性能研究表明,ZA合金焊缝组织主要由细长的柱状晶、粗大的树枝状晶和层片状组织组成,层片组织间距小于1μm,排列呈细密规则的“类珠光体”形态。熔合区组织主要由柱状树枝晶、共晶和化合物等组成。HAZ主要由重结晶区和部分重结晶区组成,没有粗大的过热组织。ZA合金焊接接头的组织主要是由六方晶格的η-Zn、面心立方晶格的α-Al、体心立方晶格的β′-CuZn和Al_4Cu_9、Al_7Cu_3Mg_6、CuTi_2等金属间化合物组成。η-Zn颗粒内存在许多细小的呈多边形的亚晶粒,其尺寸为0.1~0.3μm。在焊缝和熔合区中的α-Al颗粒内存在大量的位错和尺寸较小的位错环,部分η-Zn颗粒内也有少量的位错与位错环。η-Zn晶界或晶内存在条状的化合物为立方结构的Al_4Cu_9,其点阵常数为a=0.8704 nm,Al_4Cu_9和η-Zn之间有固定的晶体取向关系,即[211]_(Al4Cu9)∥[212]_(η-Zn),(011)_(Al4Cu9)∥(101)_(η-Zn),(111)_(Al4Cu9)∥(120)_(η-Zn);黑色颗粒状分布的化合物为体心立方结构的β′-CuZn,其点阵常数a=0.295 nm,β′-CuZn为有序相,硬脆无塑性,会使焊缝脆化。焊缝中还存在体心立方的Al_7Cu_3Mg_6(点阵常数a=1.212 nm),及少量的四方结构的CuTi_2(点阵常数a=0.297 nm,c=1.090 nm)。 对ZA合金的钎焊性研究结果表明,这种合金的钎焊性较差,但本研究通过采用研制的钎剂,配合选用合适的低熔点、高强度、润湿性优良的软钎料,采用合理的钎焊工艺情况下,可以获得质量好、结合强度高、力学性能优良的钎焊接头,满足使用性能要求。对钎焊接头的组织和性能研究发现,钎缝主要由Cd、Sn、Zn固溶体及一些氧化物SnO、SnO_2、CdO和金属化合物MgZn、Mg_2Sn、CdSn_(1.9)等组织组成;界面区的相组成主要由Cd、Sn、Zn、Al固溶体及一些氧化物SnO、SnO_2、CdO和金属化合物MgZn、Mg_2Sn、Al_4Cu_9、Mg_2Cu_6Al_5等。Cd与Mg_2Cu_6Al_5具有一定晶相学关系,即[102]_(Cd)∥[111]_(Mg2Cu6Al5)。钎焊时,钎料和母材间的相互扩散促进了界面处较宽扩散层的形成,提高了ZA合金钎缝和母材的结合强度和钎焊接头的力学性能。


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