專利名稱：一種含稀土元素Er的鎂合金釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含稀土元素Er的Mg-Al-Si-Er鎂合金釬料及其制備技術(shù)，屬于鎂合金連接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)90年代初開始，國際上主要金屬材料的應(yīng)用發(fā)展發(fā)生了顯著變化，鋼、 鐵、銅、鋁、鋅等傳統(tǒng)材料的應(yīng)用增長緩慢，而以鎂合金為代表的輕金屬材料異軍突起，以每年20%的速度持續(xù)增長。世界各國高度重視鎂合金的研究與開發(fā)，將鎂資源作為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，并加強(qiáng)了鎂合金在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)與研究。因此，鎂合金連接的研究也越來越得到重視。美國焊接學(xué)會編寫的《釬焊手冊》列舉的目前可用于鎂合金釬焊的商業(yè)釬料有 BMg-I、BMg-加(美國試驗(yàn)材料學(xué)會牌號分別是AZ92A和AZ125)。以上兩種釬料都適合于火焰釬焊、爐中釬焊和浸漬釬焊。但這兩種釬料熔點(diǎn)較高，配以的釬劑熔點(diǎn)溫度也較高(約 538°C )，超過大多鎂合金的燃點(diǎn)及熔點(diǎn)溫度，因此只適于釬焊AZ10A、K1A及MlA等少量幾種鎂合金，并不適于釬焊得到應(yīng)用的如Mg-Al-Si系等鎂合金。日本的MC3標(biāo)準(zhǔn)鎂合金釬料的成分非常接近于美國的BMg-Ι，但該釬料的溫度范圍是605 615°C，此釬焊溫度過高。日本新研發(fā)的h-Mg-Si-Al釬料，其釬料熔化溫度范圍在449 490°C。該釬料中含有大量的貴重金屬化，其中h的質(zhì)量百分比達(dá)到65%，大大提高了釬料成本。中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編寫的《焊接手冊》中有關(guān)鎂合金的釬焊僅列舉了 Mg-Al-Si釬料，其成分為A112%、 ZnO. 5 %、BeO. 005 %、Mg余量，其他相關(guān)內(nèi)容極少。申請?zhí)枮?00910092586.8的專利發(fā)明了一種Mg-Si鎂合金釬焊材料，申請?zhí)枮?00810116505.9的專利發(fā)明了一種鎂合金中溫釬焊材料，其釬料主要成分為Al 1 2. 5 %，Zn :46 52 %，余量為Mg,申請?zhí)枮?00910092580. 0的專利發(fā)明了一種Zn-Mg-Al鎂合金釬焊材料，申請?zhí)枮?00910092579. 8的專利發(fā)明了一種Si-Mg鎂合金釬焊材料。這幾種釬焊材料主要用于AZ系鎂合金的焊接，其焊接接頭的剪切強(qiáng)度不超過72MPa，與鎂合金本身的抗拉強(qiáng)度(約為^OMPa)相差較遠(yuǎn)。申請?zhí)枮?00910092578. 3的專利發(fā)明了一種含稀土 Nd的鎂合金釬焊材料，上述專利釬料均是在坩鍋中加熱合金錠，冷凝后得到釬料。由這種方法制得的釬料在加熱合金錠時(shí)，加熱溫度超過液相線的30 50°C，冷卻過程中由于各個(gè)元素熔點(diǎn)不同，凝固時(shí)有先后，會有嚴(yán)重的偏析現(xiàn)象，所制成的釬料在釬焊過程中存在釬焊質(zhì)量不穩(wěn)的問題。Er加入鎂合金中，可有效細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，可以不同程度地改善合金組織結(jié)構(gòu)、提高合金熱穩(wěn)定性以及不同狀態(tài)下的拉伸性能，與此同時(shí)對塑性影響不大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種添加稀土元素Er的Mg-Si-Al-Er鎂合金釬料，同時(shí)通過在合金錠熔體中施加超聲波的方法，解決了坩堝中制備鎂合金釬料偏析嚴(yán)重、晶粒粗大及
3微量元素在釬料中分布不均勻的問題，制備了一種晶粒細(xì)化且微量元素Er分布均勻的 Mg-Zn-Al-Er 系釬料。本發(fā)明所提供的制備方法還適用于其它鎂合金系釬料、鋁合金系釬料的制備。本發(fā)明所提供的制備方法中可以使用坩堝，也可以使用熔煉爐。本發(fā)明所提供的一種Mg-Zn-Al-Er系釬料，其特征在于，其各組分及所占重量百分比為Mg :40-55%, Zn :39-55%, Al :1-5%, Er :0. 1-1. 5，Er 分布均勻。本發(fā)明所提供含稀土元素Er的Mg-Si-Al-Er鎂合金釬料中，各種元素的作用如下Zn 顯著降低鎂合金釬料的熔點(diǎn)。增加Al在Mg中的溶解度，提高Al的固溶強(qiáng)化作用。Al =Al與Mg形成有限固溶體；降低鎂合金的熔煉溫度及澆注溫度；提高釬料的流動性并改善潤濕性。Er 加入含鎂合金中，增加鎂合金熱穩(wěn)定性以及強(qiáng)度、硬度。隨著Er含量增加，在保持塑性基本不變的前提下，合金強(qiáng)度、硬度提高。Er與鎂合金中的Al生成Al3Er粒子，這種初生的Al3Er粒子在凝固時(shí)作為非均質(zhì)形核核心，提高形核率，因而使晶粒細(xì)化，細(xì)小彌散的Al3Er質(zhì)點(diǎn)在晶界和晶內(nèi)析出強(qiáng)化效應(yīng)、由于細(xì)化晶粒所產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)以及在形變及熱處理過程中形成的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效應(yīng)使得合金強(qiáng)度、硬度強(qiáng)度增大；彌散分布的細(xì)小Al3Er質(zhì)點(diǎn)對位錯(cuò)和亞晶界具有的釘扎作用，能有效抑制再結(jié)晶，細(xì)化再結(jié)晶晶粒。本發(fā)明所提供的上述含稀土的鎂合金釬料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1、將坩堝預(yù)熱到100°C 300°C。2、將用于配制釬焊的合金錠置于經(jīng)過預(yù)熱的坩鍋中。3、在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至600°C 70(TC。保護(hù)性氣氛為SF6+N2 混合氣體。4、待合金錠完全熔化后，撈渣，對釬料攪拌2 10分鐘后，停止加熱釬料。繼續(xù)攪拌釬料，待釬料冷卻到380°C -600°C時(shí)，采用超聲波發(fā)生器對鎂合金熔融釬料施加超聲波。將預(yù)熱到300-70(TC的超聲波桿插入鎂合金熔融釬料液面下5 100mm，超聲波頻率為 18 22kHz，超聲波強(qiáng)度為0. 5 5ff/cm2,時(shí)間為10 150s。5、施加超聲波結(jié)束后移出超聲波桿，將合金液靜置5 50s。6、將熔融釬料液體澆注入不銹鋼模具中，空冷至室溫得到釬料。超聲波在熔體中傳播時(shí)通過其空化作用、破碎作用、過冷形核作用，可以起到增加形核質(zhì)點(diǎn)、增加等軸晶數(shù)量、抑制晶粒長大、過濾雜質(zhì)和除氣的作用。本發(fā)明利用超聲波的這一特性，在鎂合金釬料熔體中施加超聲波能量，通過超聲波的破碎作用，制備了細(xì)晶粒的 Mg-Zn-Al-Er系釬料，Mg-Zn-Al-Er系釬料中含有微量稀土?xí)r，還可促進(jìn)稀土元素的均勻分布，進(jìn)一步提高釬焊接頭強(qiáng)度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、與未施加超聲處理及未添加元素Er的Mg-Si-Al釬料相比，合金枝晶數(shù)量明顯減少，晶粒得到細(xì)化，韌性提高，釬料所釬焊搭接接頭剪切強(qiáng)度提高約5% 25%。2、與未施加超聲處理及未添加元素Er的Mg-Si-Al釬料相比，少量添加元素如Ar等元素分布更加均勻。3、與未施加超聲處理及未添加元素Er的Mg-Zn-Al釬料相比，微量添加元素Er在釬料中分布更加均勻，不會沉積于釬料的底部。4、與未施加超聲處理及未添加元素Er的Mg-Si-Al釬料相比，采用超聲處理后的鎂合金釬料靜置時(shí)間大大減少，不用進(jìn)行均勻化處理也可得到組織均勻的釬料。
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所使用的坩堝電阻爐為SG2A7. 5-10坩堝電阻爐。對比例將坩堝預(yù)熱到150°C。向坩堝中加入^Og鎂錠，306g鋅錠，20g鋁錠，20g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至700°C后保溫。 待合金完全熔化后攪拌3分鐘，靜置10分鐘后出爐，撈渣，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為660°C?？绽渲潦覝氐玫教砑釉谽r的Mg-Si-Al釬料。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。實(shí)施例1將坩堝預(yù)熱到100°C。向坩堝中放入270g鎂錠，295g鋅錠，15g鋁錠，28g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至700°C后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌2分鐘后降溫，熔體溫度降至600°C后保溫，將預(yù)熱到 300 V的超聲波桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約5mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為18kHz，超聲波強(qiáng)度為0. 5W/cm2，時(shí)間為10s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿， 將合金液靜置k，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為600°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al釬料。實(shí)施例2將坩堝預(yù)熱到150°C。在坩堝中放入^Og鎂錠和320g鋅錠，15g鋁錠，28g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至650°C 后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌4分鐘后降溫，熔體溫度降至550°C后保溫，將預(yù)熱到500°C的超聲桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約20mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為20kHz，超聲波強(qiáng)度為lW/cm2，時(shí)間為20s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿， 將合金液靜置40s，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為550°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al釬料。實(shí)施例3將坩堝預(yù)熱到180°C。在坩堝中放入MOg鎂錠，340g鋅錠，20g鋁錠，40g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至650°C后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌4分鐘后降溫，熔體溫度降至550°C后保溫，將預(yù)熱到 550°C的超聲桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約20mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為20kHz，超聲波強(qiáng)度為lW/cm2，時(shí)間為40s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿，將合金液靜置30s，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為550°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al釬料。實(shí)施例4將坩堝預(yù)熱到250°C。在坩堝中放入MOg鎂錠，340g鋅錠，20g鋁錠，40g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至600°C后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌7分鐘后降溫，熔體溫度降至450°C后保溫，將預(yù)熱到 680°C的超聲桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約30mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為22kHz，超聲波強(qiáng)度為2W/cm2，時(shí)間為60s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿，將合金液靜置50s，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為450°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al鎂合金釬料。實(shí)施例5將坩堝預(yù)熱到300°C。在坩堝中放入230g鎂錠，300g鋅錠，23g鋁錠，80g鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至700°C后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌8分鐘后降溫，熔體溫度降至400°C后保溫，將預(yù)熱到 400°C的超聲桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約60mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為21kHz，超聲波強(qiáng)度為3W/cm2，時(shí)間為100s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿， 將合金液靜置50s，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為400°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al鎂合金釬料。實(shí)施例6將坩堝預(yù)熱到300°C。在坩堝中放入220g鎂錠，310g鋅錠，25g鋁錠，IOOg鎂一鉺合金錠。鎂一鉺合金錠的含鉺量為30%。在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至700°C后保溫。待合金完全熔化后撈渣，攪拌10分鐘后降溫，熔體溫度降至380°C后保溫，將預(yù)熱到 300°C的超聲桿插入鎂合金熔融釬料中，超聲波桿浸入合金液面下約100mm，然后施加超聲波，超聲波頻率為22kHz，超聲波強(qiáng)度為5W/cm2，時(shí)間為150s。處理結(jié)束后，移出超聲波桿， 將合金液靜置50s，在不銹鋼模具中進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為380°C。在整個(gè)過程中均用SF6+N2 混合氣體對熔融釬料進(jìn)行保護(hù)。澆注完畢后，空冷至室溫得到添加元素Er的Mg-Si-Al鎂合金釬料。利用DSC200PC差熱分析儀來測定釬料的熔點(diǎn)。試驗(yàn)參數(shù)純氬氣保護(hù)，氣體流量 Ar = 15ml/min ；升溫速度為10. OK/min ；A1203為參照；樣品為10 15mg的釬料細(xì)小顆?；蚍勰１?列出了對比例及實(shí)施例的釬料熔點(diǎn)。將對比例和實(shí)施例1-6制備的釬料機(jī)械切割為塊狀，對3mm厚的AZ31B鎂合金薄板進(jìn)行感應(yīng)釬焊。釬焊前鎂合金工件經(jīng)砂紙打磨，丙酮清洗以去除表面的油污及氧化膜，釬焊接頭處撒步釬劑，釬料置于接頭處，將組配好的工作放入氬氣保護(hù)裝置進(jìn)行釬焊。釬焊過程中氬氣流量為lOL/min，升溫速度為2. 5°C /s，釬焊溫度380°C，保溫35s。釬焊后，對釬焊接頭進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試；其結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，采用本發(fā)明所制備的釬料進(jìn)行感應(yīng)釬焊后，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度均有提高，晶粒平均尺寸減小。
表1釬焊接頭剪切強(qiáng)度、晶粒尺寸及夾雜物尺寸統(tǒng)計(jì)
權(quán)利要求
1.一種含稀土元素Er的鎂合金釬料，其特征在于，其各組分及所占重量百分比為Mg 40-55%, Zn :39-55%, Al :1-5%, Er :0. 1-1. 5，Er 分布均勻。
2.權(quán)利要求1的一種含稀土元素Er的鎂合金釬料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將坩堝預(yù)熱到100°C 300°C；(2)將用于配制釬焊的合金錠置于經(jīng)過預(yù)熱的坩鍋中；(3)在保護(hù)性氣氛和機(jī)械攪拌條件下加熱至600°C 700°C，保護(hù)性氣氛為SF6+N2混合氣體；(4)待合金錠完全熔化后，撈渣，對釬料攪拌2 10分鐘后，停止加熱釬料，繼續(xù)攪拌釬料，待釬料冷卻到380°C -600°C時(shí)，采用超聲波發(fā)生器對鎂合金熔融釬料施加超聲波；將預(yù)熱到300-700°C的超聲波桿插入鎂合金熔融釬料液面下5 100mm，超聲波頻率為18 22kHz，超聲波強(qiáng)度為0. 5 5ff/cm2,時(shí)間為10 150s ；(5)施加超聲波結(jié)束后移出超聲波桿，將合金液靜置5 50s；(6)將熔融釬料液體澆注入不銹鋼模具中，空冷至室溫得到釬料。
全文摘要
一種含稀土元素Er的鎂合金釬料及其制備方法，屬于鎂合金連接技術(shù)領(lǐng)域。其各組分及所占重量百分比Mg40-55％，Zn39-55％，Al1-5％，Er0.1-1.5，Er分布均勻。制備方法將合金錠置于預(yù)熱坩鍋中，在保護(hù)氣氛和機(jī)械攪拌下加熱，完全熔化后撈渣，停止加熱釬料，繼續(xù)攪拌釬料，待釬料冷卻到380℃-600℃，對熔融釬料施加超聲波；將預(yù)熱到300-700℃的超聲波桿插入釬料液面下，超聲波頻率18～22kHz，超聲波強(qiáng)度為0.5～5W/cm2，時(shí)間為10～150s；結(jié)束后移出超聲波桿后靜置；釬料液澆注模具中，空冷至室溫。所得產(chǎn)品合金枝晶數(shù)量明顯減少，晶粒得到細(xì)化，強(qiáng)度及韌性提高。
文檔編號C22C23/04GK102294553SQ201110205638
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者李國棟, 栗卓新, 許有木, 閆鑫, 高麗脂 申請人:北京工業(yè)大學(xué)