一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于镁合金焊接连接技术领域，涉及一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合 金钎料及其制备方法，具体涉及一种Mg-Gd-Nd-Ni-Zn合金钎料，。
【背景技术】
[0002] 镁合金是目前实际工程应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度 高，铸造、减震、切削加工性优良以及尺寸稳定性好等特点，使其在实现轻量化、降低能源消 耗、减少环境污染等方面具有显著作用，在汽车、国防军工、航空航天、电子、机械等工业领 域以及家庭用品和运动器材等领域正得到日益广泛应用。镁合金主要合金元素为Al、Zn和 稀土 RE。由此，镁合金主要有Mg-Al系、Mg-Zn系以及Mg-RE系稀土镁合金。稀土 RE比Al、 Zn有着更高的熔点和时效强化作用，因而Mg-RE系稀土合金有着比Mg-AUMg-Zn系合金更 高的强度和耐热性能，属于高性能镁合金。然而，目前已报道用于镁合金钎焊的钎料主要合 金元素为Al或Zn元素。比如，美国焊接学会编写的《钎焊手册》列举的目前可用于镁合金钎 焊的商业钎料BMg-l、BMg-2a (美国试验材料学会牌号分别是AZ92A和AZ125);成分非常 接近于美国的BMg-I的日本MC3标准镁合金钎料；日本新研发的In-Mg-Zn-Al钎料；中国 机械工程学会焊接学会编写的《焊接手册》中有关镁合金的钎焊仅列举的Mg-Al-Zn钎料； 申请号为200910092586. 8的专利发明的Mg-Zn合金钎焊材料；申请号为200910184466. 0 的专利发明的Mg-Zn基合金钎料；申请号为200810116505. 9的专利发明的Mg-Al-Zn钎焊 材料；申请号为201110205638. 5专利发明的含少量稀土 Er的Mg-Zn-Al合金钎料。显然， 这些钎料主要与Mg-Al系或Mg-Zn系合金相匹配，而这些焊料应用于Mg-RE稀土镁合金钎 焊会显著降低稀土镁合金基体材料的整体强度和耐热性能，不适用于Mg-RE系稀土镁合金 的钎焊连接。
[0003] 因此，开发适用于Mg-RE系稀土镁合金钎焊的钎料，并极大限度发挥稀土镁合金 的高强度和耐热性能是镁合金钎焊领域急需解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有研究的不足，提供一种适用于稀土镁合金钎焊的耐热 镁合金钎料及其制备方法，使其解决现有镁合金钎料强度低、耐热性能差的问题，为高强度 耐热镁合金的钎焊提供技术支持。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎 料，是一种Mg-Gd-Nd-Ni-Zn合金钎料，其特征在于：重量百分数组成为15~21% Gd，9~ 15% Nd，5. 5 ~6. 3% Ni，2 ~I. 7% Zn，其余为 Mg。
[0006] 本发明所述一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料的制备方法，其特征在 于：包括如下两个步骤： 第一步、按照合金成分15~21% Gd，9~15% Nd，5. 5~6. 3% Ni，2~L 7% Zn，其余为 Mg，准备原料； 第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电 流由200安培逐渐增加至500安培，实现对原料的缓慢加热，直至熔化，随后合金熔体在 石墨坩埚中自然冷却，得到镁合金钎料。
[0007] 本发明第一步中，所述Gd、Nd、Ni、Zn以及Mg原料均为纯度在99. 9 %以上。
[0008] 本发明第二步中，所述熔炼过程时间为60分钟：前10分钟电流为200安培， 之后20分钟电流为300安培，最后30分钟电流为500安培。
[0009] 本发明第二步中，所述熔炼在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大于 99. 99%的纯氩气氛，气氛压力为1个大气压。
[0010] 本发明具有以下有益效果：本发明所提供的耐热镁合金钎料熔化温度范围为 470~495°C，钎焊温度范围为530~545°C，适合于固相线温度在545°C以上的Mg-RE系稀 土镁合金钎焊。所提供耐热镁合金钎料用于GW103K(Mg-10Gd-3Y-0.4Zr)稀土镁合金钎焊， 其钎焊搭接接头室温抗剪强度在125~133 MPa之间，钎焊对接接头抗拉强度在132~141 MPa之间；在200°C时抗剪强度在103~112 MPa之间，钎焊对接接头抗拉强度在111~ 122 MPa之间。在室温和20(TC高温，其强度均优于现有镁合金钎料钎焊所得钎焊接头性 能，表现出优良的强度和耐热性能。此外，本发明提供的镁合金钎料制备方法，工艺简单，过 程容易控制，成分控制比较好，无成分污染，适合高质量钎料合金的批量生产。
[0011] 本发明所提供的Mg-Gd-Nd-Ni-Zn镁合金钎料中，各种元素的作用如下： Gd :主要合金元素，具有显著固溶强化和时效强化作用，有效提高钎料合金的强度和 耐热性能。
[0012] Nd :主要合金元素，具有显著固溶强化和时效强化作用，有效提高钎料的强度；同 时，比Gd元素更低的熔点，可降低钎料合金的熔点。
[0013] Ni :少量添加元素，可明显降低钎料合金的熔点，提高钎料的流动性；同时，可使 钎料合金形成一种长周期结构，有效增加钎料的强度和耐热性能。
[0014] Zn :少量添加元素，可进一步降低钎料合金的熔点，提高钎料的流动性，并改善润 湿性；同时，具有固溶强化效果，增加钎料合金强度和耐热性能。
【具体实施方式】
[0015] 以下结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。
[0016] 实施例1 : Mg-Gd-Nd-Ni-Zn镁合金钎料，该钎料合金包含下列组分(按重量百分 比）：15% Gd，9% Nd，5. 5% Ni，2% Zn，其余为 Mg。
[0017] 第一步，按照合金成分，15% Gd，9% Nd，5. 5% Ni、2% Zn和68. 5% Mg准备原料，所用 原料均为纯度在99. 9%以上。
[0018] 第二步，将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在 纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99. 99%，气氛压力为1个大气压。前10分钟电 流为200安培，之后20分钟电流为300安培，最后30分钟电流为500安培，由此实现 对原料的缓慢加热，直至熔化。随后合金熔体在石墨坩埚中自然冷却，得到镁合金钎料。
[0019] 采用实施例1的镁合金钎料对GW103K (Mg-10Gd-3Y-0. 4Zr)稀土镁合金进行钎焊。 首先，将GW103K稀土镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎 料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中 氩气流量为0. 5 L/min，升温速度为200°C /min，钎焊温度范围为530~545°C，保温90s 后，冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表1中。
[0020] 实施例2 : Mg-Gd-Nd-Ni-Zn镁合金钎料，该钎料合金包含下列组分(按重量百分 比）：18% Gd，12% Nd，5. 9% Ni，I. 9% Zn，其余为 Mg。
[0021] 第一步，按照合金成分 18% Gd，12% Nd，5· 9% Ni，I. 9% Zn 和 62. 2% Mg，准备原料， 所用原料均为纯度在99. 9%以上。
[0022] 第二步，将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在 纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99. 99%，气氛压力为1个大气压。前10分钟电 流为200安培，之后20分钟电流为300安培，最后30分钟电流为500安培，由此实现 对原料的缓慢加热，直至熔化。随后合金熔体在石墨坩埚中自然冷却，得到镁合金钎料。
[0023] 采用实施例2的镁合金钎料对GW103K (Mg-10Gd-3Y-0. 4Zr)稀土镁合金进行钎焊。 首先，将GW103K稀土镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎 料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中 氩气流量为〇. 5 L/min，升温速度为200°C /min，钎焊温度范围为530~545°C，保温90s 后，冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表1中。
[0024] 实施例3 : Mg-Gd-Nd-Ni-Zn镁合金钎料，该钎料合金包含下列组分(按重量百分 比）：21% Gd，15% Nd，6. 3% Ni，I. 7% Zn，其余为 Mg。
[0025] 第一步，按照合金成分21% Gd，15% Nd，6. 3% Ni，I. 7% Zn和56% Mg，准备原料，所 用原料均为纯度在99. 9%以上。
[0026] 第二步，将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，整个熔炼在 纯氩气氛密封腔室下进行，气氛纯度大于99. 99%，气氛压力为1个大气压。前10分钟电 流为200安培，之后20分钟电流为300安培，最后30分钟电流为500安培，由此实现 对原料的缓慢加热，直至熔化。随后合金熔体在石墨坩埚中自然冷却，得到镁合金钎料。
[0027] 采用实施例3的镁合金钎料对GW103K (Mg-10Gd-3Y-0. 4Zr)稀土镁合金进行钎焊。 首先，将GW103K稀土镁合金试样进行砂纸打磨、并使用丙酮清除表面污物。然后，镁合金钎 料置于接头处，将夹具固定接头，将接头放入氩气保护装置进行高频感应钎焊。钎焊过程中 氩气流量为〇. 5 L/min，升温速度为200°C /min，钎焊温度范围为530~545°C，保温90s 后，冷却至室温。对钎焊后接头的力学性能进行测试，其结果列于表1中。
[0028] 表1、实施例1-3中制备的钎料的成分及钎焊接头力学性能
【主权项】
1. 一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料，其特征在于重量百分数组成为15~ 21% Gd，9 ~15% Nd，5. 5 ~6. 3% Ni，2 ~I. 7% Zn，其余为 Mg。2. -种权利要求1所述用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料的制备方法，其特征在 于：包括如下两个步骤： 第一步、按照合金成分15~21% Gd，9~15% Nd，5. 5~6. 3% Ni，2~L 7% Zn，其余为 Mg，准备原料； 第二步、将第一步的原料放入石墨坩埚中，采用高频感应加热炉熔炼，高频感应加热电 流由200安培逐渐增加至500安培，实现对原料的缓慢加热，直至熔化，随后合金熔体在 石墨坩埚中自然冷却，得到镁合金钎料。3. 根据权利要求2所述一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料的制备方法，其特 征在于：第一步中，所述Gd、Nd、Ni、Zn以及Mg原料均为纯度在99. 9 %以上。4. 根据权利要求2所述一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料的制备方法，其特 征在于：第二步中，所述熔炼过程时间为60分钟：前10分钟电流为200安培，之后20 分钟电流为300安培，最后30分钟电流为500安培。5. 根据权利要求2所述一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料的制备方法，其特 征在于：第二步中，所述熔炼在密封腔室中进行，使用石墨坩埚，气氛为纯度大于99. 99%的 纯氩气氛，气氛压力为1个大气压。
【专利摘要】本发明公开了一种用于稀土镁合金钎焊的耐热镁合金钎料及其制备方法；该镁合金钎料重量百分数组成为15～21%Gd，9～15%Nd，5.5～6.3%？Ni，2～1.7%Zn，其余为Mg。该镁合金钎料制备是按照所需元素配比在石墨坩埚中混合，在氩气保护下熔化并自然冷却获得Mg-Gd-Nd-Ni-Zn镁合金钎料。本发明所提供的镁合金钎料适合于固相线温度在545℃以上的Mg-RE系稀土镁合金钎焊，具有高强度和较高的耐热性能。本发明提供的镁合金钎料制备方法，工艺简单，过程容易控制，成分控制比较好，无成分污染，适合高质量钎料合金批量生产。
【IPC分类】B23K35/28, B23K35/40
【公开号】CN105033499
【申请号】CN201510530501
【发明人】尹健, 袁柯
【申请人】南昌航空大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月26日