ZA合金的连接及接头组织与性能研究

论文摘要

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Al4Cu9、Al7Cu3Mg6、CuTi2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Al4Cu9，其点阵常数为a=0.8704 nm，Al4Cu9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Al7Cu3Mg6（点阵常数a=1.212 nm），及少量的四方结构的CuTi2（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、SnO2、CdO和金属化合物MgZn、Mg2Sn、CdSn1.9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、SnO2、CdO和金属化合物MgZn、Mg2Sn、Al4Cu9、Mg2Cu6Al5等。Cd与Mg2Cu6Al5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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 ZA合金及其研究现状
• 1.2.1 锌及其合金
• 1.2.2 ZA合金研究现状
• 1.3 ZA合金连接研究现状
• 1.3.1 ZA合金熔化焊及接头组织和性能的研究
• 1.3.2 ZA合金钎焊及界面区微观组织特征和组织结构研究
• 1.4 本课题研究的目的和主要内容
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 试验母材
• 2.2 熔化焊试验材料及方法
• 2.2.1 熔化焊试验材料
• 2.2.2 熔化焊试验方法
• 2.3 钎焊试验材料及方法
• 2.4 接头组织及性能研究方法及设备
• 2.4.1 耐蚀性试验
• 2.4.2 接头的力学性能试验
• 2.4.3 金相、成分及TEM试验
• 本章小结
• 第三章 ZA合金连接性分析及工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 ZA合金连接性理论分析
• 3.2.1 ZA合金的焊接性分析
• 3.2.2 ZA合金钎焊性分析
• 3.3 ZA合金熔化焊特性
• 3.3.1 ZA合金的熔化焊工艺
• 3.3.2 ZA合金的熔焊技术及难点
• 3.4 ZA合金钎焊工艺
• 3.4.1 炉中钎焊
• 3.4.2 火焰钎焊
• 本章小结
• 第四章 TIG焊剂及作用机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 ZA合金焊剂的研制
• 4.2.1 ZA合金焊剂主要组分的确定
• 4.2.2 焊剂成分的确定
• 4.3 焊剂对焊接工艺性的影响
• 4.4 焊剂对焊缝成型及焊接电弧的影响
• 4.5 焊剂对焊接接头成分和组织形态的影响
• 4.5.1 焊剂对焊接接头成分的影响
• 4.5.2 焊剂对焊接接头组织及结晶形态的影响
• 4.6 焊剂在焊接过程中化学冶金反应
• 本章小结
• 第五章 ZA合金焊接接头微观组织和性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 ZA合金焊接接头组织特征
• 5.2.1 ZA合金焊缝的显微组织形态
• 5.2.2 ZA合金焊接熔合区的组织特征及结晶特点
• 5.2.3 ZA合金焊接热影响区组织特征
• 5.3 ZA合金焊接接头的微观组织结构
• 5.3.1 ZA合金焊接接头的微观组织相结构分析
• 5.3.2 焊接接头的TEM组织分析
• 5.4 焊接接头的性能
• 5.4.1 焊接接头的耐蚀性
• 5.4.2 焊接接头的力学性能
• 5.4.3 焊接接头的硬度
• 本章小结
• 第六章 ZA合金钎焊材料和界面区组织与接头性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 ZA合金钎料的选择
• 6.3 钎剂的研究
• 6.3.1 钎剂的配方设计及配制
• 6.3.2 钎剂的性能
• 6.4 钎缝及界面区的组织特征及相结构
• 6.4.1 钎焊接头的宏观及微观组织特征
• 6.4.2 钎焊接头的精细微观结构及相组成
• 6.5 界面区的成分分布及合金元素扩散
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢