鎂基金屬與鋁基金屬的連接方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬材料領域，具體涉及一種鎂基金屬與鋁基金屬的連接方法。
【背景技術】
[0002]鎂基金屬和鋁基金屬是應用廣泛的輕質有色金屬，實現鎂基金屬與鋁基金屬的連接有著十分重要的意義。這兩種異種金屬的焊接難點主要表現在以下幾個方面:1)鋁與鎂為活潑金屬，很容易與02化合而形成MgO和A1203氧化膜，尤其是A1203的結構致密且熔點很高(2050°C)，很難去除；氧化膜不僅阻礙兩種金屬的連接，而且易使接頭區產生夾雜、裂紋等缺陷，使接頭的力學性能變差;2)鎂為密排六方結構，鋁為面心立方結構，晶體結構的不同是鋁與鎂之間相互溶解度差的原因之一，較低的相互溶解度使兩種金屬形成熔合區十分困難，難以形成有效的結合;3)液態鋁和液態鎂中都可溶解大量的氫，這容易使熔合區在凝固時使氫來不及逸出而產生氣孔，使得熔合區塑性和韌性降低，焊縫性能差;4)焊接時，接頭區極易產生大量脆硬的鎂鋁金屬間化合物，致使接頭有較高的裂紋傾向，顯著降低接頭的韌塑性，這也是要實現鎂基金屬和鋁基金屬連接時所面臨的最難解決的問題。
[0003]為了避免鎂鋁金屬間化合物的生成，國內外許多學者都嘗試了添加中間層的擴散連接方法。例如，劉蒙恩等人在題目為“Mg/Al異種材料瞬間液相過冷連接工藝研究”一文中采用瞬間液相擴散焊，以非晶態Ag-Cu合金做中間層，從而實現了 AZ31鎂合金與5083鋁合金的有效連接。由于在焊接過程中出現了液相，液相的出現使液相兩側金屬的擴散速度過快導致鋁與鎂穿過中間層相互擴散形成大量鎂鋁金屬間化合物，影響接頭性能。趙麗敏等人在題目為“鎂合金與鋁合金的夾層擴散焊連接”一文中采用鋅夾層在356°C溫度下對鎂鋁異種金屬進行擴散焊連接，其原理是是先把鋅熱浸鍍到鋁合金表面進而再與鎂合金進行擴散連接。

【發明內容】

[0004]本發明的發明人想到，采用磁控濺射、熱浸鍍等方法在擴散面上沉積鍍層作為中間層，不僅工藝復雜、成本高，而且鍍層的附著量、均一性和堅實性難以得到保證，影響接頭的穩定性。因此，本發明所要解決的技術問題是提供一種新型的鎂基金屬與鋁基金屬的連接方法。
[0005]本發明解決上述技術問題所提出的技術方法是一種鎂基金屬與鋁基金屬的連接方法，所述鎂基金屬為純鎂或鎂基合金，所述鋁基金屬為純鋁或鋁基合金，鎂基金屬與鋁基金屬通過中間層連接，連接方法包括以下步驟:1)第一擴散過程:對鋁基金屬的擴散面和中間層的第一擴散面分別進行表面處理，然后利用真空擴散焊接工藝，在第一溫度下對表面處理后的鋁基金屬和中間層進行擴散連接;2)第二擴散過程:對鎂基金屬的擴散面和中間層的第二擴散面分別進行表面處理，然后利用真空擴散焊接工藝，在第二溫度下對表面處理后的鎂基金屬和中間層進行擴散連接，即得到通過中間層連接的鎂基金屬和鋁基金屬。由于鋁基金屬與中間層的擴散連接溫度高于鎂基金屬與中間層的擴散連接溫度，若使擴散連接溫度在鋁基金屬與中間層的擴散連接溫度區間內，會導致鎂基金屬與中間層之間析出大量的液相，且液相組織在擴散連接壓力下易被擠出中間層，中間層失去阻隔鋁基金屬與鎂基金屬的作用，使接頭處由于擴散而產生大量脆硬組織;若使擴散連接溫度在鎂基金屬與中間層的擴散連接溫度區間內，會導致鋁基金屬與中間層之間不能有效擴散連接，容易斷裂;因此，本發明采用分步擴散連接工藝，第一溫度高于第二溫度，所得接頭處無凝固(鑄造)組織，不生成氣孔、宏觀裂紋等熔焊時的缺陷，且接頭精度高、變形小、工藝穩定性強。
[0006]中間層由鋅基金屬、鎳基金屬或銀基金屬組成，其厚度為50-300μπι，其中，鋅基金屬為純鋅或鋅基合金，鎳基金屬為純鎳或鎳基合金，銀基金屬為純銀或銀基合金。當中間層的厚度在上述數值范圍內進一步減小，會導致鋁基金屬與鎂基金屬的擴散路徑過短以至于相互接觸形成脆硬的鎂鋁金屬間化合物；當中間層的厚度在上述數值范圍內進一步增大，會導致擴散連接后中間層殘余厚度較厚(>200μπι)，以至于發生剪切時接頭容易在強度較低的中間層金屬處發生斷裂，接頭強度約等于中間層金屬的強度，不利于接頭強度的提高。
[0007]當中間層由鋅基金屬組成時，第一溫度為350-380°C，第二溫度為320-340°C。第一擴散過程和第二擴散過程的保溫時間為30-240min，焊接壓力為2-12Mpa，真空度大于
2.0Pa，升溫速度為12-30°C/min，降溫速度為5-15°C/min。
[0008]在放入擴散焊爐中之前，需要對擴散面進行表面處理，表面處理包括打磨、拋光和有機溶劑超聲清潔處理，以去除擴散面上附著的氧化物或其他可能影響擴散工藝的雜質，并且使表面粗糙度達到要求。鋅基金屬的表面打磨依次采用800#、1200#、1500#砂紙，拋光采用粒度為W1.5的鉆石拋光膏。鋁基金屬與鎂基金屬的表面打磨依次采用400#、800#、1200#砂紙，拋光采用粒度為W1.5的鉆石拋光膏。所述有機溶劑超聲清潔處理過程中，有機溶劑為無水乙醇，超聲時間為5-15min。
【附圖說明】
[0009]圖1為實施例1中接頭處的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0010]實施例1
[0011 ] 本實施例中所使用的鋁基金屬為尺寸為20mm X 10mm X 6mm的5083型鋁合金，鎂基金屬為尺寸為20mm X 10mm X 3mm的ZK60型鎂合金，中間層為厚度為200μπι的純鋅，具體步驟如下:
[0012]對上述5083型鋁合金的擴散面依次使用400#、800#、1200#砂紙打磨，然后再使用粒度為W1.5的鉆石拋光膏進行拋光，拋光后放入無水乙醇中超聲清洗15min后將其吹干;對上述純鋅的第一擴散面依次使用800#、1200#、1500#砂紙打磨，然后再使用粒度為W1.5的鉆石拋光膏進行拋光，拋光后放入無水乙醇中超聲清洗15min后將其吹干;迅速將處理后的5083型鋁合金與純鋅放入擴散焊爐中，固定好之后開始抽真空并進行擴散連接，以15°C/min的升溫速度將溫度升至365°C，之后保溫120min，焊接壓力為4MPa，真空度為1.3Pa。保溫完成以后以5°C/min的降溫速度冷卻至100°C以下，停止抽取真空，打開爐子取出試件1-1。
[0013]采用與上述5083型鋁合金相同的表面處理工藝，對ZK60型鎂合金進行打磨、拋光和有機溶劑超聲清潔處理。采用與上述純鋅的第一擴散面相同的表面處理工藝，對其第二擴散面進行打磨、拋光和有機溶劑超聲清潔處理。迅速將處理后的ZK60型鎂合金與試件1-1放入擴散焊爐中，固定好之后開始抽真空并進行擴散連接，以15°C/min的升溫速度將溫度升至335°C，之后保溫120min，焊接壓力為4MPa，真空度為