AM60-A390液-固復(fù)合雙金屬材料的界面結(jié)合研究.pdf

1、鋁合金作為輕質(zhì)金屬，以其較高的導(dǎo)熱性、吸收沖擊力強(qiáng)、易于回收、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在研究汽車輕量化的道路上，鋁合金成為替代鋼的首選材料。鎂合金由于密度比鋁合金更小、比強(qiáng)度高、比剛度高、尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好以及減震和降噪效果，在汽車應(yīng)用方面也逐漸得到應(yīng)用。但鎂合金的不耐磨、熱蠕變性大等缺點(diǎn)，使得汽車的很多零部件無(wú)法單獨(dú)使用鎂合金，所以研究鎂/鋁復(fù)合材料，將汽車的鎂合金部件與鋁合金部件進(jìn)行連接，既減輕了整車的重量，又能夠滿足使用強(qiáng)度的要

2、求，具有重要的意義。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車上最重的部件，減輕其重量顯得尤為重要，鎂合金在高溫下蠕變強(qiáng)度和熱強(qiáng)度低、耐蝕性較差，不能直接接觸冷卻水等缺點(diǎn)，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的工作面的工作性能要求。因而，近年來(lái)寶馬公司將過(guò)共晶的鋁硅合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套，然后在固體缸套外部使用液態(tài)鎂合金進(jìn)行鑄造來(lái)生產(chǎn)曲軸箱，這種則稱之為“液/固復(fù)合”的工藝有效的將鎂和鋁進(jìn)行連接，在滿足強(qiáng)度的前提下減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。
　　鎂/鋁異種焊接的難點(diǎn)之一就是鋁合金極其

3、容易被氧化，在鋁表面形成一層致密的自然氧化層;其次，鎂和鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)大，容易產(chǎn)生熱裂紋和氣孔，而且形成的金屬間化合物多為脆性相，這些脆性相會(huì)導(dǎo)致焊接接頭性能惡化。目前的鎂/鋁焊接手段大致分為熔化焊（激光焊，TIG焊）和固相焊（攪拌摩擦焊，固態(tài)擴(kuò)散焊），但它們依然無(wú)法完全消除氧化鋁層的影響，并且焊接擴(kuò)散區(qū)依然會(huì)存在大量的金屬間化合物。本文針對(duì)以上問(wèn)題決定采用“液/固復(fù)合”工藝進(jìn)行鎂/鋁異種金屬的焊接。研究結(jié)果表明:鋁合金表面處理和鎂/鋁

4、“液/固復(fù)合”能夠有效的消除鋁合金表面氧化層的影響，并且形成良好的冶金結(jié)合，金屬間化合物層亦得到很好的控制。本文主要進(jìn)行了以下工作:
　　(1)對(duì)固體A390鋁合金進(jìn)行表面處理，重點(diǎn)研究鋅酸鹽處理對(duì)A390鋁合金表面氧化膜的效果以及去膜機(jī)制，利用自制的“高真空液/固復(fù)合裝置”將AM60鎂合金與經(jīng)過(guò)表面處理的A390鋁合金進(jìn)行液/固復(fù)合。通過(guò)調(diào)整A390的預(yù)熱溫度以及預(yù)熱時(shí)間，研究不同的預(yù)熱溫度和時(shí)間對(duì)AM60/A390“液固復(fù)合”

5、界面組織結(jié)構(gòu)的影響，最終獲得良好的冶金結(jié)合。XPS測(cè)試結(jié)果表明:鋅酸鹽工藝不僅能夠有效的去除A390鋁合金表面的氧化層，而且在液固復(fù)合之前，鋅膜能一直保護(hù)A390基體不被二次氧化，從而保證了鎂和鋁能夠形成連續(xù)的冶金結(jié)合界面。抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明:在700℃加熱溫度中，鋁合金基體隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，AM60/A390復(fù)合界面的抗剪強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)預(yù)熱時(shí)間達(dá)到120s時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值60.6MPa。針對(duì)界面中出現(xiàn)的連續(xù)帶狀Mg2Si

6、進(jìn)行了固溶處理，結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)420℃，固溶3h后，連續(xù)的帶狀Mg2Si相團(tuán)球化，彌散的Mg2Si相強(qiáng)化了界面，使界面的抗剪強(qiáng)度提高了23％，達(dá)到了74.5MPa。
　　(2)為了改善電鍍Zn層對(duì)AM60/A390液固復(fù)合的影響，則在電鍍過(guò)程中加入了La2O3。研究結(jié)果表明:采用的鋁合金表面處理工藝有效地去除了A390鋁合金表面的氧化膜，同時(shí)在其表面形成一層含La2O3的包覆層。包覆層一方面可保護(hù)鋁合金表面，避免再次被氧化;另一方

7、面包覆層中的La2O3又可以改善液態(tài)AM60/固態(tài)A390復(fù)合界面的組織，液相AM60/固相A390結(jié)合界面處的鎂合金晶粒細(xì)化，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。AM60/A390的液固復(fù)合界面的抗剪強(qiáng)度最高可達(dá)78.4MPa。經(jīng)過(guò)團(tuán)球化熱處理之后，可將強(qiáng)度提高到84MPa。
　　(3)利用稀土元素來(lái)細(xì)化晶粒和抑制金屬間化合物的產(chǎn)生。由于在AM60/A390液固復(fù)合的過(guò)程中，鋁元素與鎂元素不可避免的互相擴(kuò)散，因此會(huì)形成均勻的金屬間化合物層。這種金