铝质材料的固液连接方法
【专利摘要】本发明公开了一种铝质材料的固液连接方法，包括如下步骤：对待连接的固态铝合金预置材料进行表面锌层保护处理；熔化待浇注铝合金并精炼，得液态浇注铝合金；将经过表面锌层保护处理的待连接的固态铝合金预置材料预置在模具型腔内；将液态浇注铝合金浇入模具型腔内，使两种待连接的铝合金材料之间形成冶金结合，即完成异种铝合金固液连接。本发明方法利用表面锌层保护后固液连接的工艺手段，解决了传统焊接方法连接铝合金时经常出现的氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等一系列的问题，克服了表面氧化膜阻碍冶金结合形成的困难，复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、无需气体保护。
【专利说明】铝质材料的固液连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及两种金属间的连接方法，具体涉及一种铝质材料的固液连接方法。
【背景技术】
[0002]铝及其合金材料由于其优良的特性，密度小、比强度高、比刚度高、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、良好的加工成型性及高回收再生性等，被广泛应用在车辆、船舶、建筑、机械、宇航及电力电子行业。随着工业的快速发展与科技的不断进步，单一材料已很难满足各领域对于材料综合性能的要求，异种铝合金复合材料可以在设计上综合各组元的优点，使其拥有良好的综合性能，而且适用面广，受到越来越多的关注。相比于单一金属材料，其优点具体表现在以下三个方面:1.优良的综合性能；2.良好的经济效益；3.广泛的可设计性。所以被广泛应用在航空航天、军事兵器、交通运输和电子信息等多个领域。
[0003]不过，由于铝合金独特的物理化学特性，在利用传统焊接方法连接铝合金时经常出现氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等一系列的问题。经对现有技术的检索发现，除焊接外还有固液连接、固固连接和液液连接等三类连接方式。有研究人员通过轧制、扩散焊、爆炸焊挤压及搅拌摩擦焊等固固连接方法将两种铝合金连接在一起，不过由于铝及其合金材料在大气环境下很容易氧化，尤其高温条件下，铝合金表面会形成一层厚且致密的氧化膜，严重阻碍了两种金属之间的相互作用，此外，表面上的油污、杂质等也会影响结合过程，使铝合金之间很难形成冶金结合，导致达不到理想的连接强度，同时，固固连接经常受到设备的限制，对于材料的外形、尺寸都有非常严格的要求，在一定程度上限制了铝铝双金属材料的推广和应用。另外也有研究人员利用液液复合机理，将两种铝合金通过两次浇注方法连接在一起，不过对设备要求较高，同时生产工艺非常复杂。
[0004]相比于其他两种方法，固液复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、生产效率较高，是连接异种铝合金的理想方法。经对现有技术的检索发现，此种方法已经被广泛的应用在钢(固态)一铸铁(液态)，铸铁(固态)一铝合金(液态)，钢(固态)一铝合金(液态)，铝合金(固态)一镁合金(液态)，铜(固态)一铸铁(液态)等体系中，制备的双金属复合材料被广泛应用在各个工业领域当中，比如破碎机锤头、铝包钢芯脚线、汽车歧管、汽车结构材料等等，被证明是制备双金属复合材料非常经济有效的方法。不过，在铝合金作为预置固态材料的条件下应用很少，因为铝合金表面的氧化膜会影响固态预置铝合金和液态材料直接的作用，导致其在工业上的应用受到阻碍。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝质材料的固液连接方法，解决现有铝合金连接技术中经常导致结合区域形成氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析，同时氧化膜的存在会严重影响两种金属之间的相互作用以及连接件的性能等一系列问题，使两种铝合金之间形成冶金结合，具有优良的力学性能。
[0006]本发明的是通过以下技术方案实现的:
[0007]本发明提供一种铝质材料的固液连接方法，所述方法包括如下步骤:
[0008]步骤一、对待连接的固态铝合金进行表面锌层保护处理，然后预置于模具型腔内；
[0009]步骤二、熔化待连接的另一铝质材料并精炼，得液态浇注铝质材料；
[0010]步骤三、将步骤二所得液态浇注铝质材料浇入模具型腔内，铸造使两种待连接的铝质材料之间形成冶金结合，即完成铝质材料的固液连接。
[0011]优选地，步骤一中，所述固态铝质材料包括纯铝、铸造铝合金、变形铝合金或铝基复合材料等。
[0012]优选地，步骤一中，所述表面锌层保护处理的方法包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等。
[0013]优选地，步骤一中，所述表面锌层保护处理的锌层厚度0.1?40 μ m。
[0014]优选地，步骤二中，所述铝质材料包括纯铝、铸造铝合金或变形铝合金等。
[0015]优选地，步骤三中，所述铸造包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造、尚心铸造等。
[0016]优选地，所述挤压铸造的温度为600°C?750°C，所述挤压的压力为O?120MPa。
[0017]优选地，所述金属型铸造的温度为600?750°C。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0019](I)与传统焊接方法相比，避免了氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等一系列的问题的出现；
[0020](2)与固固连接方法相比，受外形条件约束小，理论上可以实现任何形状的异种铝合金之间的连接。和液液连接方法相比，技术工序简单、工艺设备要求简单；
[0021](3)本发明方案利用镀锌工艺，很好的解决了表面氧化膜的问题，能够使异种铝合金之间的连接强度达到较高水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0023]图1为实施例1种拉伸强度实验式样示意图；
[0024]其中，I和2是夜态浇注铝质材料，3是固态铝质材料；
[0025]图2为实施例1中6101铝合金和A356铝合金界面区域金相图；
[0026]其中，4是6101铝合金和A356铝合金界面
[0027]图3为实施例2中6101铝合金和工业纯铝界面区域金相图；
[0028]其中，5是6101铝合金和工业纯铝交界面；
[0029]图4为实施例3中6101铝合金和6101铝合金界面区域金相图；
[0030]其中，6是6101铝合金和6101铝合金界面；
[0031]图5为实施例5中6101铝合金和A356铝合金界面区域金相图；
[0032]其中，7是6101铝合金和A356铝合金界面；
[0033]图6为实施例6中6101铝合金和A356铝合金界面区域金相图；
[0034]其中，8是6101铝合金和A356铝合金界面。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0036]实施例1
[0037]本实施例涉及一种变形铝合金和铸造铝合金的连接方法，包括如下步骤:
[0038]步骤一、对待连接的固态6101铝合金(变形铝合金)预置材料表面进行电镀锌处理，镀锌层厚度为5μπι;
[0039]步骤二、熔化待浇注Α356铝合金和(铸造铝合金)并精炼；
[0040]步骤三、将步骤一所得经过电镀锌处理的6101铝合金预置材料预置在模具型腔内；
[0041]步骤四、利用金属型铸造方法，在700°C下将Α356铝合金浇注到模具型腔内。使两种铝合金材料之间形成冶金结合，即完成异种铝合金固液连接。
[0042]图2为该条件下6101招合金和A356招合金固液结合后界面区域图，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，A356枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试(拉伸强度示意图见图1，其中3是固态铝质材料，将其预置于模具内腔，然后浇注液态铝质材料1、2即可)，抗拉强度为144MPa，断裂位置在强度较低的A356基体内，界面区域没有发生开裂现象，说明连接强度大于144MPa。
[0043]实施例2
[0044]本实施例涉及一种变形铝合金和纯铝的连接方法，包括如下步骤:
[0045]步骤一、对待连接的固态6101铝合金预置材料表面进行电镀锌层处理，镀锌层厚度为5μ-- ;
[0046]步骤二、熔化待浇注纯铝并精炼；
[0047]步骤三、将步骤一所得经过电镀锌处理的6101铝合金预置材料预置在模具型腔内；
[0048]步骤四、利用挤压铸造方法，在700°C下将纯铝浇注到模具型腔内，挤压压力20MPa。使两种铝合金材料之间形成冶金结合，即完成异种铝质材料固液连接。
[0049]图3为该条件下6101铝合金和工业纯铝界面区域图，从图中可以观察到，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，抗拉强度为65MPa，断裂位置在强度较低的纯铝基体内，界面区域没有明显的开裂现象，说明连接强度大于65MPa。
[0050]实施例3
[0051]本实施例涉及一种变形铝合金和变形铝合金的连接方法，包括如下步骤:
[0052]步骤一、对待连接的固态6101铝合金预置材料表面进行热喷涂锌处理，锌层厚度为 20 μ m ;
[0053]步骤二、熔化待浇注6101铝合金并精炼；
[0054]步骤三、将步骤一所得经过热喷涂锌处理的6101铝合金预置材料预置在模具型腔内；
[0055]步骤四、利用挤压铸造方法，在700°C下将6101铝合金浇注到模具型腔内，挤压压力50MPa。使两种铝合金材料之间形成冶金结合，即完成同种铝合金固液连接。
[0056]图4为该条件下6101铝合金和6101铝合金界面区域图，该条件下6101铝合金和61016铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，抗拉强度为210MPa，断裂位置在固态预置铝合金6101基体内，界面区域没有明显的开裂现象，说明连接强度大于210MPa。
[0057]实施例4
[0058]本实施例涉及一种铸造铝合金和变形铝合金的连接方法，包括如下步骤:
[0059]步骤一、对待连接的固态A356铝合金预置材料表面进行电镀锌处理，锌层厚度为10 μ m ；
[0060]步骤二、熔化待浇注6101铝合金并精炼；
[0061]步骤三、将步骤一所得经过电镀锌处理的6101铝合金预置材料预置在模具型腔内；
[0062]步骤四、利用挤压铸造方法，在700°C下将6101铝合金浇注到模具型腔内，挤压压力70MPa。使两种铝合金材料之间形成冶金结合，即完成异种铝合金固液连接。
[0063]结果显示，该条件下6101铝合金和A356铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，抗拉强度为180MPa，断裂位置在强度较低的A356基体内，界面区域没有明显的开裂现象，说明连接强度大于180MPa。
[0064]实施例5
[0065]本实施例涉及一种变形铝合金和铸造铝合金的连接方法，包括如下步骤:
[0066]步骤一、对待连接的固态6101铝合金预置材料表面进行电镀锌处理，镀锌层厚度为 10 μ m ;
[0067]步骤二、熔化待浇注A356铝合金并精炼；
[0068]步骤三、将步骤一所得经过电镀锌处理的6101铝合金预置材料预置在模具型腔内；
[0069]步骤四、利用挤压铸造方法，在700°C下将A356铝合金浇注到模具型腔内，挤压压力30MPa。使两种待连接的铝合金材料之间形成冶金结合，即完成异种铝合金固液连接。
[0070]图5为该条件下6101招合金和A356招合金固液结合后界面区域图，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，A356枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，连接强度强度为160MPa。
[0071]实施例6
[0072]本实施例涉及一种铝合金固液连接方法，具体方案与实施例5相同，不同之处仅在于:
[0073]步骤一中，镀锌层厚度为I μ m ;
[0074]步骤四中，浇注的条件为700°C、0MPa。
[0075]图6为该条件下6101铝合金和A356铝合金固液结合后界面区域图，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，A356枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，连接强度为159MPa。
[0076]实施例7
[0077]本实施例涉及一种铝合金固液连接方法，具体方案与实施例5相同，不同之处仅在于:
[0078]步骤二中，待浇注合金为ZL109铝合金；
[0079]步骤四中，浇注的条件为600°C、20MPa。
[0080]结果显示，该条件下6101铝合金和ZL109铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，ZL109铝合金枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，连接强度为195MPa。
[0081]实施例8
[0082]本实施例涉及一种铝合金固液连接方法，具体方案与实施例5相同，不同之处仅在于:
[0083]步骤一中，镀锌层厚度为20μπι;
[0084]步骤四中，浇注的条件为750°C、120MPa。
[0085]结果显示，该条件下6101铝合金和A356铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，A356枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，连接强度为162MPa。
[0086]实施例9
[0087]本实施例涉及一种铝合金固液连接方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于:
[0088]步骤二中，待浇注合金为ZL109铝合金；
[0089]步骤四中，在600°C下进行浇注。
[0090]结果显示，该条件下6101铝合金和ZL109铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，ZL109枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，连接强度为180MPa，断裂位置在强度较低的ZL109基体内，界面区域没有发生开裂现象，说明连接强度大于180MPa。
[0091]实施例10
[0092]本实施例涉及一种铝合金固液连接方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于:
[0093]步骤一中，镀锌层厚度为18μπι;
[0094]步骤四中，在750°C下进行浇注。
[0095]结果显示，该条件下6101铝合金和A356铝合金固液结合后在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种铝合金之间没有明显的界面，形成了冶金结合，A356枝晶直接从6101基体上开始生长；利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经拉伸测试，断裂强度为146MPa，断裂位置在强度较低的A356基体内，界面区域没有发生开裂现象，说明连接强度大于146MPa。
[0096]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种铝质材料的固液连接方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤一、对待连接的固态铝质材料进行表面锌层保护处理，然后预置于模具型腔内； 步骤二、熔化待连接的另一铝质材料并精炼，得液态浇注铝质材料； 步骤三、将步骤二所得液态浇注铝质材料浇入模具型腔内，铸造使两种待连接的铝质材料之间形成冶金结合，即完成铝质材料的固液连接。
2.根据权利要求1所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，步骤一中，所述铝质材料包括纯铝、铸造铝合金、变形铝合金或铝基复合材料。
3.根据权利要求1所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，步骤一中，所述表面锌层保护处理的方法包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂或气相沉积。
4.根据权利要求3所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，所述表面锌层保护处理的锌层厚度0.1?40 μ m。
5.根据权利要求1所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，步骤二中，所述铝质材料包括纯招、铸造招合金或变形招合金。
6.根据权利要求1所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，步骤三中，所述铸造包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造或离心铸造。
7.根据权利要求6所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，所述挤压铸造中的浇注温度为600?750°C，挤压的压力为O?120MPa。
8.根据权利要求6所述的铝质材料的固液连接方法，其特征在于，所述金属型铸造中的浇注温度为600?750°C。
【文档编号】B22D19/04GK104275469SQ201410472036
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】刘腾, 王渠东, 刘平, 孙景旺 申请人:上海交通大学