工業(yè)純鐵與不銹鋼爐中釬焊工藝及性能研究

劉 威，王禹博

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)液壓電磁閥部件由GDT30電工純鐵與1Cr18Ni9Ti不銹鋼異種材料采用爐中釬焊連接而成。GDT30電工純鐵為軍工用純鐵，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)、精密儀器等多個(gè)領(lǐng)域[1]。采用H62黃銅作為釬料釬焊GDT30/1Cr18Ni9Ti時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)不銹鋼母材開裂現(xiàn)象，分析發(fā)現(xiàn)是由于釬料中的銅元素滲入到不銹鋼晶界而導(dǎo)致的裂紋。晶界滲入也稱晶界滲透，是指液相金屬和固相金屬接觸時(shí)，液相金屬向固相金屬晶界處產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象[2-3]。釬料中銅和鋅與1Cr18Ni9Ti不銹鋼中的主要元素鎳、鉻、鈦等在液態(tài)和固態(tài)都有較大的互溶度，因而最易產(chǎn)生晶間滲透。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為這是由于熔態(tài)釬料與固態(tài)母材的界面能比母材大,而且多晶體晶的界面能小，因而銅易滲入晶界。1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面氧化物主要是Cr2O3和TiO2[5]，這兩種氧化物比較穩(wěn)定，難以在釬焊過(guò)程中去除，在空氣爐中釬焊時(shí)，必須采用活性強(qiáng)的釬劑才能清除這些氧化物。因此,采用在不銹鋼表面化學(xué)鍍銅，利用釬焊時(shí)形成的CuO和Cu2O兩種氧化物易于去除的特點(diǎn)，然后再進(jìn)行不銹鋼和電工純鐵的釬焊，為解決電工純鐵/不銹鋼釬焊滲透開裂和不銹鋼表面氧化膜去除問(wèn)題提出新的工藝途徑。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為電工純鐵(GDT30)和奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 母材化學(xué)成分 wt.%

釬料為H62黃銅，化學(xué)成分和熱處理制度[4]見(jiàn)表2。

表2 H62化學(xué)成分和熱處理制度

所用釬劑組成為脫水硼砂(Na2B4O7)14.5%，硼酸(H3BO3)80%和氟化鈣(CaF2)5.5%，黏結(jié)釬劑為凡士林膏體。電工純鐵和不銹鋼尺寸均為50 mm×10 mm×3 mm，接頭型式采用搭接方式，間隙0.2 mm。

將奧氏體不銹鋼試樣放入裝有活化劑的塑料燒杯浸泡10 min，去除鈍化膜，再放入盛銅鍍液的玻璃燒杯中于室溫下保持60 min ，表面鍍銅厚度約0.1 mm，然后取出烘干。采用CJX0-13-4型箱式電阻爐對(duì)奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti和工業(yè)純鐵GDT30進(jìn)行釬焊工藝試驗(yàn)，釬焊溫度分別為1 050 ℃和1 100 ℃，保溫時(shí)間10 min和15 min。焊后用線切割沿釬縫橫向截取分析測(cè)試樣品，采用LEICA DIM3000金相顯微鏡觀察與分析釬縫形貌和顯微組織，D/MAX2000/PC XRD測(cè)定釬縫相結(jié)構(gòu)， JSM-5500LV電子顯微鏡表征母材與釬料元素的分布與擴(kuò)散，利用FM700顯微硬度計(jì)對(duì)釬縫接頭各區(qū)測(cè)定顯微硬度，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為載荷25 g，保載時(shí)間15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 釬焊接頭的微觀組織

釬縫和不銹鋼側(cè)界面、釬縫和電工純鐵側(cè)界面的顯微組織分別如圖1和圖2所示。

(a) 1 050 ℃,10 min

(b) 1 050 ℃,15 min

(c) 1 100 ℃,10 min

(d) 1 100 ℃,15 min

(a) 1 050 ℃,10 min

(b) 1 050 ℃,15 min

(c) 1 100 ℃,10 min

(d) 1 100 ℃,15 min

由圖1和圖2可見(jiàn)，釬料和母材之間結(jié)合良好，說(shuō)明H62黃銅釬料對(duì)電工純鐵和鍍銅后的不銹鋼均具有良好的潤(rùn)濕性，釬縫無(wú)明顯的孔洞、未焊合和裂紋等缺陷，未見(jiàn)銅滲入不銹鋼晶界，也未見(jiàn)由于釬料中Zn元素蒸發(fā)而引起的燒蝕缺陷。工藝參數(shù)為1 050 ℃，保溫10 min時(shí)，電工純鐵側(cè)近釬縫表面發(fā)現(xiàn)灰色球狀物(見(jiàn)圖1(a))，可能由于液態(tài)釬料溢出后被氧化形成的金屬球。保溫時(shí)間延長(zhǎng)至15 min時(shí)，釬縫凝固后晶粒粗大，晶界有過(guò)燒傾向。釬焊參數(shù)為1 100 ℃，保溫分別為10 min和15 min時(shí)，釬縫內(nèi)出現(xiàn)少量夾渣，可能是由于釬焊溫度高，釬劑被氧化嚴(yán)重，液態(tài)釬料填縫時(shí)未將氧化物從釬縫間隙中排除而形成的。從圖1可以看出，釬縫寬度隨著保溫時(shí)間和溫度增加而變寬，主要是由于元素的擴(kuò)散程度隨溫度升高而增加所致。從圖1(a)～(c)可見(jiàn),不銹鋼與釬縫界面出現(xiàn)15～17 μm，2～3個(gè)晶粒厚的細(xì)小網(wǎng)狀等軸晶過(guò)渡層，圖1(d)未出現(xiàn)。由于不銹鋼鍍銅層熔點(diǎn)低,發(fā)生了少量溶解與熔融的釬料發(fā)生冶金反應(yīng)，靠近母材散熱快，過(guò)冷度大，另外，1Cr18Ni9Ti含有一定量的 Ti和C元素，可在鋼的凝固中形成一定數(shù)量的細(xì)小彌散Ti(C)化合物，可促進(jìn)形核，并抑制晶粒長(zhǎng)大，在一定的過(guò)冷條件下形成網(wǎng)狀細(xì)小等軸狀組織[6]，存在一定的過(guò)冷度和形核數(shù)量，是形成等軸晶的必要條件，而母材組織未發(fā)生變化為奧氏體。當(dāng)溫度達(dá)到1 100 ℃，保溫時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，冷卻速度變慢，過(guò)冷度變小，導(dǎo)致界面層晶粒粗大，等軸晶層變薄至消失。由圖2可見(jiàn),電工純鐵側(cè)界面平直無(wú)過(guò)渡層，母材晶粒變化不大，組織未發(fā)生變異為鐵素體。圖2(a)、(b)可見(jiàn),電工純鐵界面釬料各組元擴(kuò)散不明顯，溫度升高至1 100 ℃，從圖2(c)、(d)可以看出,界面有微冶金反應(yīng)，形成了鋸齒形帶狀反應(yīng)層，而且隨著釬焊溫度升高，保溫時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)層厚度略有增加。

由圖1界面可以看出，經(jīng)過(guò)鍍銅處理后，不銹鋼界面區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)有銅原子擴(kuò)散至奧氏體晶界內(nèi)。為進(jìn)一步判定界面區(qū)域結(jié)構(gòu)，對(duì)釬焊接頭進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 釬焊接頭的XRD衍射圖譜

經(jīng)標(biāo)定，釬焊接頭主要物相為奧氏體和鐵素體，并有α固溶體和CuZn電子化合物生成。結(jié)合金相組織分析，電工純鐵母材、界面和擴(kuò)散區(qū)顯微組織為鐵素體，釬縫中心區(qū)組織為α(Cu)和β′(CuZn)固溶體，不銹鋼母材、界面和擴(kuò)散區(qū)組織為奧氏體，XRD驗(yàn)證了前述的金相分析結(jié)果。

2.2 釬焊接頭線掃描分析

為進(jìn)一步研究鍍銅后界面元素的擴(kuò)散與分布，對(duì)1 100 ℃，保溫10 min的釬焊接頭沿垂直接頭方向進(jìn)行線掃描，元素分布情況如圖4所示。

圖4 釬焊接頭線掃描分析結(jié)果(1 100 ℃,10 min)

從圖4可以看出,釬縫中心區(qū)的主要元素為Cu、Zn、Ti和少量的Fe；電工純鐵母材的擴(kuò)散區(qū)和界面區(qū)主要元素有Fe、Ti、Zn；不銹鋼母材的界面區(qū)主要元素有Fe、Cr、Zn、Ti和少量Cu、Ni，擴(kuò)散區(qū)主要元素有Fe、Cr、Zn、Ti、Ni，Cu元素的分布從界面到母材逐漸減少直至未檢測(cè)到，說(shuō)明不銹鋼側(cè)界面區(qū)存在的Cu是電鍍層帶入的，不是釬料中Cu的擴(kuò)散結(jié)果。釬料中的Zn和不銹鋼母材的Ti這兩種元素在釬縫和母材中發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)。結(jié)合前面的金相和XRD分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了釬縫中心區(qū)主要是α加β′固溶體，根據(jù)Cu-Fe和Cu-Ti相圖[7-8]， 銅鋼焊接并不產(chǎn)生金屬間化合[7]，Ti、Fe固溶于α中。工業(yè)純鐵側(cè)有Zn和Ti元素?cái)U(kuò)散，由Fe-Ti、Fe-Zn相圖[8]可知，Ti和Zn元素含量少時(shí)可以固溶于Fe中，形成富Ti和Zn的Fe基固溶體-鐵素體[8]。不銹鋼側(cè)界面區(qū)元素Cu、Zn可形成CuZn為基的固溶體，由Fe-Cr-Ni-Ti相圖[9]分析可知，元素Fe、Cr、Ni和Ti在不銹鋼界面和擴(kuò)散區(qū)形成鐵基固溶體-奧氏體，不銹鋼側(cè)界面組織為奧氏體加CuZn為基的固溶體，擴(kuò)散區(qū)組織為奧氏體。線掃描與前述的金相分析均未在不銹鋼側(cè)發(fā)現(xiàn)銅原子的滲入，表明不銹鋼經(jīng)過(guò)鍍銅工藝處理后，可以抑制釬料中的銅向不銹鋼擴(kuò)散，從而避免因銅的滲入導(dǎo)致不銹鋼側(cè)開裂。

2.3 釬焊接頭顯微硬度

不同工藝條件下的釬焊接頭硬度分布曲線如圖5所示。

圖5 不同工藝參數(shù)下的釬焊接頭硬度分布

分別測(cè)定擴(kuò)散區(qū)、界面區(qū)和焊縫中心區(qū)以及母材的硬度。從圖中可見(jiàn)，界面區(qū)到擴(kuò)散區(qū)硬度先增加后降低，焊縫中心區(qū)硬度為102～118 HV，電工純鐵側(cè)界面區(qū)硬度最高達(dá)到145 HV，擴(kuò)散區(qū)硬度逐步下降，過(guò)渡區(qū)(界面加擴(kuò)散區(qū))的平均硬度基本未變化。前述線掃描分析表明，電工純鐵界面區(qū)有 Zn和Ti元素?cái)U(kuò)散，溶入鐵基固溶體中形成固溶強(qiáng)化，所以在界面區(qū)硬度比擴(kuò)散區(qū)和母材略為升高。不銹鋼側(cè)界面層硬度為320～350 HV，硬度值較高，這是由于不銹鋼表面鍍銅，釬焊時(shí)溶解的Cu和釬料中擴(kuò)散的Zn 在界面處反應(yīng)，形成以CuZn為基的β′固溶體，使不銹鋼側(cè)界面區(qū)的硬度有較大程度的升高。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)不銹鋼表面經(jīng)鍍銅處理后，接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔和未焊合等缺陷，成形良好，未發(fā)現(xiàn)銅滲入不銹鋼晶界；合適的釬焊參數(shù)為1 050 ℃加熱，保溫15 min。

2)電工純鐵側(cè)過(guò)渡區(qū)及釬縫顯微硬度變化較小，不銹鋼側(cè)界面區(qū)硬度升高。

3)釬縫中心組織為α(Cu)+β′(CuZn)固溶體，電工純鐵側(cè)過(guò)渡區(qū)組織為鐵素體；不銹鋼側(cè)擴(kuò)散區(qū)和界面區(qū)組織為奧氏體+β′(CuZn)固溶體。