·142 北京科技大学学报 2006年第2期 少量Fe-Al金属间化合物，使接头变脆，降低了 界面结合强度6].图5也证实了这一结论 界面结合强度 根据本实验研究，认为不锈钢和铝合金中间 3,3中间层介质的作用和工艺参数的影响 层介质液相扩散连接的最佳扩散连接温度是615 通过对液相扩散连接界面的结构分析和强度 ℃，保温时间少于10min(7min可以达到最高界 测试，证明加热到610~620℃，保温5~7min的 面结合强度) 条件下，采用铝硅合金、界面活性剂和粘合剂配制 4 成的中间层介质能够有效连接钢和铝这两种物理 结论 和化学性能差别较大的金属.中间层介质具有决 (1)连接异种金属的中间层介质必须具有狭 定性的作用，这是因为在同种或异种材料液相扩 窄的熔化温度区间，并和基体金属有良好的冶金 散连接过程中，在材料被连接表面和结合界面区 相容和电化学相容性.与其他铝二元共晶合金相 发生了复杂的治金和化学反应，界面液化及其控 比，铝硅共晶合金熔化时具有良好的流动性和润 制是实现界面冶金结合的重要条件.首先，在610 湿性；A1-Si共晶合金与铝的电极电位差小，电化 一620℃时，A1-Si共晶合金熔化为流动性良好的 腐蚀小，结合界面抗腐蚀性比其他铝二元共晶合 液体，界面活性剂具有强去膜能力和活性，能够 金好，并且价格低廉.因此是中间层介质主要成 在极短的时间内去除铝基体表面的氧化膜，降低 分的最佳选择. 液态铝硅合金与基体间界面张力，使得铝硅合金 (2)在加热温度为610~620℃，保温时间5~ 在不锈钢和铝合金被连接表面产生充分的润湿. 7min时，利用中间层介质的冶金反应产生液相， 基体被液态中间层润湿是保证它们紧密接触并形 通过液相与钢铝两种基体金属的润湿、熔解和和 成良好连接的必备条件，这种现象的驱动因素是 互扩散，304不锈钢板和3003铝合金蜂窝夹芯板 表面自由能和液相扩散连接过程化学反应生成相 结合界面形成了牢固的冶金结合.扫描电镜和能 形成的自由能.在润湿条件建立以后，毛细现象 谱分析表明：结合界面附近存在较为明显的扩散 导致液态中间层流动并致密地填满被连接基体的 特征，界面呈镶嵌状互相咬合，没有发现空洞、裂 缝隙，从而使不锈钢和铝合金基体和中间层的原 纹等微观缺陷，因此钢/铝界面结合比较紧密；界 子进一步互相扩散，最终在连接界面形成冶金 面区由a(Al)固溶体、Al-Si共晶相和少量Fe一 结合. Si一A1金属间化合物组成 合理的液相扩散连接工艺是获得良好结合界 (3)不锈钢和铝合金的中间层介质液相扩散 面的重要保证.本实验对不锈钢和铝合金中间层 连接对工艺参数是敏感的.加热温度为615℃ 介质液相扩散连接的工艺步骤作了初步的探讨. 时，保温时间应少于l0min,可以避免脆性Fe-Al (1)实际的固体材料表面总是粗糙不平的，覆 金属间化合物层形成.使用N2保护，可以减小金 盖着难以清除的气体吸附层和氧化层[15].吸附 属表面氧化对界面复合的不利影响. 层和氧化层会形成污染，将两种复合金属基体隔 开，严重阻碍原子间的结合；因此连接前必须对钢 参 考文献 板和铝蜂窝芯待连接表面进行化学脱脂处理和机 [1 张广平，戴干策.复合材料蜂窝夹芯板及其应用.纤维复合 械清刷，除去表面吸附层和氧化层，造成粗糙表 材料.2000,25(2)：18 面，提高中间层在基体表面的润湿性和流动性，保 [2] 胡亚民，王志强，钱进浩.金属复合成形技术的新进展，现 代制造工程，2002,10：94 证原子间能进行充分的扩散 [3]Kawanami.夕テyド材)制造技術现状上展银.塑性上 (2)加热炉采用N2保护.流动的N2可以带 加工，2001,42(3)：168 走氧化物附近积聚的分解出的氧，有助于保持容 [4]Takeuchi E,Zeze M,Tanaka H,et al.Continuous casting of 器内低的氧分压，保证氧化物完全分解， clad steel lab with levei magnetic field brake//Steel.making (3)加热温度和保温时间对中间层熔化和界 Conference Proceedings.Pittsburgh,1996:225 面反应具有显著影响.根据Fick定律和扩散系 [5]Bhadeshia H K D H.Joining of commercial aluminum alloys// Proceedings of International Conference on Aluminium IN- 数方程，温度提高能加快原子扩散和界面反应的 CAL'03).Aluminium Association of India,2003:195 进行；但温度过高，会造成铝合金基体的熔化或熔 [6]Liu Y,Naoe H,Tadatama S.TEM investigation of stainless/ 蚀.保温时间过长，中间层介质和不锈钢结合界 aluminum interface created by the surface activated bonding 面区的Fe-一Si一Al金属间化合物层会增厚，降低 method.Nucl Instrum Metbods Phys Res B,1997,121:519北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 6 年第 2 期 少量 F e 一 iA 金 属 间 化合物 , 使 接头 变脆 , 降低 了 界 面结合强度 . 3 . 3 中间层介 质的作 用和工艺参数的影响 通过 对液相 扩散连 接界面 的结构分析和强 度 测试 , 证 明加 热到 6 1 0 一 6 2 0 ℃ , 保温 5 一 7 m i n 的 条件下 , 采用 铝硅合金 、 界面 活性剂和 粘合剂配 制 成的 中间层介质能够有 效连接钢和铝 这两种物理 和化学性能差别较大的金属 . 中间 层介 质具有 决 定性 的作用 , 这是因为 在 同种或 异 种材 料液 相 扩 散连 接过 程中 , 在 材料 被连接表面和 结合界 面 区 发生 了复杂的冶金 和 化学 反 应 , 界 面液化及 其控 制是 实现界面 冶金结合 的重要 条件 . 首先 , 在 6 10 一 6 2 0 ℃ 时 , iA 一iS 共晶合金熔化 为 流动性 良好的 液体 . 界面 活性剂 具 有强 去 膜能力 和 活性 , 能 够 在极 短 的时间 内去 除 铝基 体表面 的氧化膜 , 降低 液态铝硅合金 与基 体间界 面 张 力 , 使得 铝 硅合金 在不锈钢 和铝合金 被连接表 面 产生 充分 的润 湿 . 基体被液态 中间层润湿 是保证它们 紧密接触并形 成 良好连接的必 备条件 . 这种现象 的驱 动因 素是 表面 自由能和液 相扩散连接过 程化学 反应 生成相 形成 的 自由能 . 在 润湿 条 件建立 以后 , 毛细 现 象 导致液 态 中间层 流动并 致密地 填满被 连接基体的 缝 隙 , 从 而使不 锈钢和 铝合金 基 体和 中间层 的原 子进 一 步 互 相 扩 散 , 最 终 在连 接 界 面 形 成冶 金 结合 . 合理 的液相 扩散连接工艺是获得 良好结 合界 面的重要 保证 . 本实验 对不 锈钢和铝 合金 中 间层 介质液相 扩散连 接的工 艺步骤 作了初 步的探讨 . ( 1) 实际 的固体材料表面 总是粗糙 不平的 , 覆 盖 着 难 以 清 除的 气体 吸 附层 和 氧 化层 〔` 5〕 . 吸 附 层和 氧化层会 形 成 污 染 , 将两 种复合金 属基 体隔 开 , 严重阻 碍原子 间的结合 ; 因此连接前必须对钢 板 和铝蜂 窝芯待连接表 面进行化 学脱脂处理和 机 械清 刷 , 除去 表 面 吸 附层 和 氧化层 , 造 成 粗糙表 面 , 提 高 中间层 在基体表 面的润湿 性和 流动性 , 保 证原 子 间能进行 充分的 扩散 . ( 2 )加热 炉采 用 N : 保护 . 流 动的 N : 可以 带 走氧化物附近 积 聚 的分解 出 的氧 , 有 助 于保持容 器 内低 的氧分压 , 保证氧 化物完 全分解 . ( 3 )加热 温 度和 保 温时间 对 中间层熔 化 和 界 面反应具 有显 著影 响 . 根 据 iF ck 定律和 扩散 系 数方 程 , 温 度提 高能加快原 子 扩散和 界 面反 应 的 进行 ; 但温度过 高 , 会造 成铝合金基体的熔化或熔 蚀 . 保温 时间过 长 , 中间层介质和 不锈 钢结合界 面区 的 eF 一is 一lA 金属 间化合物 层会 增厚 , 降低 界面结合强度 〔` 6〕 . 图 5 也证实了这一结论 . 根据本实验 研究 , 认为 不 锈钢和 铝 合金 中 间 层介质液 相扩散连接的最佳扩散连接温度是 61 5 ℃ , 保温 时间少 于 10 m in( 7 m in 可 以达到 最 高界 面结 合强度 ) . 4 结论 ( 1) 连接异 种金属 的中间层 介 质必 须 具 有狭 窄的熔 化温度区 间 , 并和 基体金 属 有 良好的冶金 相容和 电化学 相容性 . 与其他铝 二 元共 晶合金相 比 , 铝硅共晶合金 熔 化时 具 有 良好的流 动性 和润 湿性 ; iA 一 is 共晶合金 与铝 的电极 电位 差 小 , 电化 腐蚀小 , 结合界面 抗腐蚀 性 比其他铝二 元 共晶合 金好 , 并且 价格 低廉 . 因此 是中间层介质主要 成 分的最佳选择 . ( 2 )在加热温度为 6 10 一 6 2 0 ℃ , 保温 时间 5 一 7 m in 时 , 利 用 中 间层 介质的 冶 金反 应 产 生液 相 , 通过液相 与钢铝 两种基体金 属 的润湿 、 熔 解和和 互扩散 , 3 04 不锈钢板和 3 0 0 3 铝合金 蜂窝夹 芯板 结合界 面形成了牢固的冶金 结合 . 扫描 电镜和能 谱分析表明 : 结合界面 附近 存在较 为 明显 的扩散 特征 , 界面 呈镶 嵌 状 互相 咬合 , 没 有发 现 空洞 、 裂 纹等微观缺陷 , 因此 钢/ 铝 界 面结合 比较 紧密 ; 界 面 区 由 a( lA ) 固溶体 、 lA 一 is 共晶相 和 少 量 eF 一 iS 一iA 金属 间化合物组 成 . ( 3 ) 不锈钢和 铝合金 的 中 间层 介质液 相 扩散 连接对 工 艺 参 数是 敏 感的 . 加热 温 度为 6 15 ℃ 时 , 保温时 间应 少于 10 m in , 可 以避免脆性 eF 一 lA 金属 间化合物层形成 . 使用 N : 保护 , 可 以减 小金 属表面 氧化对界面复合的不利影响 . 参 考 文 献 【1 」 张广平 , 戴干策 . 复合材料蜂窝夹芯板及其应用 . 纤维盆合 材料 , 2 0() 0 , 2 5 ( 2 ) : 1 8 〔2 〕 胡亚民 , 王志强 , 钱进 浩 . 金属 复合成形技术 的新进 展 . 现 代制造工程 , 20 02 , 1 0 : 9 4 【3] K a 一 . 夕 于 少 卜材内 制造技衍刃 现 状 七展 望 . 塑性 七 加工 , 2 0 0 1 , 4 2 ( 3 ) : 16 8 [ 4 1 T a k e u e h i E , z ez e M , T an k a H , e t al . C冶n t谊ou us e as t i gD o f 。 l a d s t e el lab w it h l e ve l m a g n e t i e f i e ld b ar k e / S t e e l . m a ki叱 oC n fe r en e e P ocr e e d i n g s . P i t t s b u 唱h , 19 9 6 : 2 2 5 [ 5 ] B h a d e s ih a H K D H . J o i n 又飞 o f co nue r e i a 一已u nu u m al o y s / P ocr e e d i飞 5 o f I nt e m at i oan l oC nf er e cn e on 川u rm n i u m ( IN - CA工 ’ 0 3 ) 月u ml n i uzn sA ocs i a t ion of I n d i a , 2 0 0 3 : 19 5 [ 6 」 L i u Y , N ao e H , T a dat am 5 . 花M i n ves t 云g a t io n o f s t a i n l es / al urn i n u m i n t e 讨ac e e r e at de b y t h e s u arf e e a e t i v a t e d ob n di昭 m e t h o d . N o e l I ns 扮口口 M e ht 曰5 P b y s R es B , 1 9 9 7 , 12 1 : 5 19