镁/钢异种金属接触反应钎焊研究

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镁合金作为最轻的金属工程材料,以密度低,比强度、比刚度高,可再回收利用等优点被广泛应用在汽车、航空航天等重要领域。而钢以其低廉的价格、可靠的性能,仍然是现代社会的物质基础,也是世界上使用最多的材料之一。如果实现镁与钢的连接,能够使二者发挥各自的优势,在减轻结构重量和节约资源等方面无疑具有重大意义。但由于镁、钢之间巨大的物理化学差异,实现二者之间的连接难度很大,因此也吸引了众多学者们关注。接触反应钎焊是能有效连接异种金属的可靠的先进连接技术,可根据不同基体成分选择合适的中间层材料,实现具有良好接头性能的异种金属的连接。本文采用AZ31B变形镁合金和Q235低强钢作为基体材料,采用接触反应钎焊的方法,填加不同成分的中间层进行镁/钢异种金属的连接。通过对不同工艺条件下接头组织和力学性能变化的分析,以及不同中间层成分对接头性能的影响,对所形成的接头进行了连接机理的探讨。通过在Q235钢板表面热浸镀纯锌中间层,实现了对AZ31/Zn/Q235的接触反应钎焊连接,得到最大剪切强度是:连接温度为355℃,平均加热速度为110℃/min,保温30s时得到的57MPa。对具有最佳剪切强度的接头断口进行XRD相成分分析得出,Fe11Zn40相的存在成为接头薄弱环节,而纯锌中间层中硬脆的Fe-Zn金属间化合物相的出现又不可避免,因此直接影响了AZ31/Zn/Q235接头的性能。在纯锌镀液中填加Al元素,形成了Zn-3Al, Zn-5Al, Zn-8Al三种不同的中间层成分。所形成的接头最佳剪切强度均高于AZ31/Zn/Q235接头,是因为Zn-xAl中间层与钢基体结合的过渡层是Fe2Al5化合物层,性能优于Fe-Zn过渡层;且AZ31/Zn-xAl/Q235接头断裂位置均为含有软质的铝基固溶体的MgZn2区。而AZ31/Zn-5Al/Q235接头由于具有合理的硬夹软结构区,即铝基固溶体大小均匀且弥散分布在MgZn2基底上,因而接头性能最高,为96MPa。通过对最佳工艺参数下AZ31/Zn-5Al/Q235接头界面元素固态扩散、液相生成及扩展、凝固等过程的分析,探讨了接头的连接机理。在液相生成及扩展阶段,中间层中铝基固溶体颗粒相随着Al元素的扩散开始溶解,尺寸变小。因此若想获得性能良好的接头,必须严格控制这个阶段中铝基固溶体颗粒相的尺寸。
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