简介概要

不同碳含量对银钎料钎焊性能的影响

来源期刊：稀有金属2015年第6期

论文作者：张冠星龙伟民何鹏崔艳艳佘春

文章页码：527 - 532

关键词：残留碳;润湿性;抗拉强度;游离碳;碳化物;

摘要：通过不同的轧制工艺获得表层含碳量不同的钎料合金,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等分析手段对其进行钎焊性能研究。结果表明,有油轧制的钎料会在其表面残留一层厚度约为0.5~7.0μm含碳层;碳在钎料表面主要以游离的碳分子和Zn C8,C2Cd O4形式存在;随着碳含量的增加(0%~1%),钎料在基体上的润湿及抗拉强度逐渐降低,润湿面积由356.8 mm2降低到65.3mm2,抗拉强度由387.2 MPa降低到89.5 MPa,得出钎料中的碳含量应控制在0.005%以下;观察钎料润湿和焊接后界面,钎料表面的含碳层存在几种不同的形式,部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部,在其内部成为游离的碳分子;部分碳分子随着钎料的熔化开始上浮,处于钎料周围,随着钎料的熔化铺展,这些碳分子颗粒被液态钎料推到了铺展的最前沿,在液态钎料周围形成一个包围圈;还有部分碳原子扩散到钢基体中,与钢中的铬、镍、铁等形成碳化物。

详情信息展示

稀有金属 2015,39(06),527-532 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.06.009

不同碳含量对银钎料钎焊性能的影响

张冠星龙伟民何鹏崔艳艳佘春

郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室

哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室

河南质量工程职业学院

摘要：

通过不同的轧制工艺获得表层含碳量不同的钎料合金,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等分析手段对其进行钎焊性能研究。结果表明,有油轧制的钎料会在其表面残留一层厚度约为0.5~7.0μm含碳层;碳在钎料表面主要以游离的碳分子和Zn C8,C2Cd O4形式存在;随着碳含量的增加(0%~1%),钎料在基体上的润湿及抗拉强度逐渐降低,润湿面积由356.8 mm2降低到65.3mm2,抗拉强度由387.2 MPa降低到89.5 MPa,得出钎料中的碳含量应控制在0.005%以下;观察钎料润湿和焊接后界面,钎料表面的含碳层存在几种不同的形式,部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部,在其内部成为游离的碳分子;部分碳分子随着钎料的熔化开始上浮,处于钎料周围,随着钎料的熔化铺展,这些碳分子颗粒被液态钎料推到了铺展的最前沿,在液态钎料周围形成一个包围圈;还有部分碳原子扩散到钢基体中,与钢中的铬、镍、铁等形成碳化物。

关键词：

残留碳;润湿性;抗拉强度;游离碳;碳化物;

中图分类号： TG425

收稿日期：2014-01-10

Brazing Properties of Silver Based Filler Metal with Different Carbon Contents

Zhang Guanxing Long Weimin He Peng Cui Yanyan She Chun

State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals and Technology,Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering

State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology

Henan Quality Polytechnic

Abstract：

Brazing properties of silver based brazing filler metal with different carbon contents obtained by different rolling technologies were researched using optical microscopy( OM),scanning electron microscopy( SEM),X-ray diffraction( XRD),etc. The results showed that the carbon-containing layer was about 0. 5 ~ 7. 0 μm on the surface of brazing filler metal rolled with oil; the existing forms of carbon on the surface were mainly free carbon molecules,Zn C8 and C2Cd O4; with the carbon content increasing from 0% to1. 1%,the wetting area decreased from 356. 8 to 65. 3 mm2,and the tensile strength decreased from 387. 2 to 89. 5 MPa. The carbon content in the brazing filler metal should be controlled below 0. 005%. There were several existing forms for surface carbon-containing layer after brazing. Some carbon molecules which had no enough time to rise to the surface were wrapped inside the brazing filler metal; some carbon molecules which floated with the melt of brazing filler metal were around the brazing filler metal,and then were pushed to the spreading forefront to form an annular ring; some diffused into the steel matrix to form carbides with Cr,Ni,Fe,etc.

Keyword：

residual carbon; wettability; tensile strength; free carbon; carbide;

Received： 2014-01-10

银焊料具有优良的钎焊工艺性能,适宜的熔化温度范围,良好的润湿性和填充间隙的能力,并且强度高、塑性好,导电性和耐蚀性优良,可以用来钎焊除铝、镁及其他低熔点金属以外的黑色和有色金属。对于片状钎料,在其轧制过程中要用到轧制油,而这些油在不完全燃烧的情况下的残留物在反复退火的过程中会附在钎料表层。国家标准《GB10046-2008,银基钎料》中规定杂质元素总量不应超过0.15%,而对杂质元素的种类及其含量未作出规定,目前对银基钎料杂质元素的研究集中在铅、铋、铝、铁、硫、钙和氧元素^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9]},国内外对碳元素的研究主要集中在钢铁材料、钛合金等^{[10,11,12,13,14,15]}。文中试验以银基钎料为例,主要研究碳在钎料表面的存在状态及其对钢基体焊接工艺性能的影响,初步界定碳对钎焊性能的影响。

1实验

实验选用银、铜、锌和镉等原材料按Ag₁₈Cu_39.5Zn₂₆Cd_16.5的配比关系,采用中频熔炼浇铸成直径为90 mm的铸锭,采用卧式挤压机挤压成3.5 mm×40.0 mm×L mm(L是长度)块体,而后采用不同次数的有油轧制工艺进行轧制,最后制得0.2 mm×40.0 mm×L mm的碳含量不同的钎料,所得碳含量的结果如表1所示。

将所需钎料进行超声波酸洗后观察钎料的微观组织,并在惰性气体保护的手套箱中进行润湿和抗拉强度检测试验的焊接。

试验过程中将在钢基体上润湿和抗拉后的试样剖面镶样,先在砂带机上进行粗磨,而后用不同粒度的水砂纸进行逐级细磨,分别用2.5和1.5μm的金刚砂抛光膏进行抛光,采用金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)检测焊缝区域的微观组织及元素分布。

表1 不同试样的碳含量值Table 1 Carbon content of samples(%,mass fraction)

通过对材料表层进行X射线衍射(XRD,铜靶,Kα射线,衍射角10°~90°),分析其衍射图谱,获得材料表层物相组成等。

2结果与讨论

2.1钎料润湿性

将不同碳含量的钎料在316LN不锈钢板上进行润湿试验,所得试验结果如图1所示。

从图1的润湿结果上可以看出,随着碳含量的增加,钎料在基体上的润湿能力逐渐降低,润湿面积由无碳时的356.8 mm²降低到碳含量1.1%时的65.3 mm²。

2.2钎焊抗拉强度

用不同碳含量的钎料焊接316LN不锈钢,所得抗拉强度的结果如图2所示,随着碳含量的增加,抗拉强度明显下降,由无碳时的387.2 MPa降低到碳含量1.1%时的89.5 MPa。

2.3微观组织

为了进一步探究钎料性能改变的原因,对钎料进行微观分析,图3为碳含量为1.1%使钎料的微观形貌,从图3可以看出,在钎料的两个端面有一层含碳层。整个实验过程中钎料表层含碳层的厚度在0.5~7.0μm变化。图4是钎料表层的XRD图谱,从图4(a)上可以看出有油轧制后的钎料表层含有游离的碳分子;含碳的化合物C₂Cd O₄和Zn C₈;Cu O,Ag O,Cd O氧化物;Cu Zn,Ag Cd等物相。

图1 不同碳含量在钢基体上的润湿面积Fig.1 Wetting area of brazing filler metal with different carbon contents on steel

图2 不同碳含量焊接钢的抗拉强度Fig.2 Tensile strength of brazing steel with different carbon contents

图3 碳含量为1.1%时的钎料微观组织Fig.3 OM image of brazing filler metal with 1.1%carbon content

将有油轧制钎料在钢基体上润湿后的试样从中间剖开,观察其断面组织并进行能谱分析,结果如图5和表2所示。可以看出,钎料在钢基体表面润湿后,钎料表面的含碳层将存在几种不同的形式。部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部,在其内部成为游离的碳分子,如图5中A,C点所示。图5(a)中的A点接近钢基体处,而图5(b)中C点碳分子随着钎料的熔化开始上浮,但还没有逸出表面因钎料凝固而遗留在钎料内部,形成了断续的含碳物质层;部分碳分子随着钎料的熔化开始上浮,处于钎料周围,随着钎料的熔化铺展,这些碳分子颗粒被液态钎料推到了铺展的最前沿,在液态钎料周围形成一个包围圈,而碳是一种常用的阻流剂,它将阻碍钎料的铺展,从而导致钎料的铺展性能下降;还有一部分形成C₂Cd O₄等复杂化合物,当这些化合物与液相相接触时,只有满足自由能减少这一热力学条件,液相对其润湿的过程才能发生,而液态金属与这些复杂氧化物之间存在一个相当大的界面能,液态金属对氧化物的润湿能力相当差,都将明显降低钎料对钢基体的润湿性,也将影响后续的焊接强度等,如图5(a)中B点所示。

图4 碳含量1.1%钎料表面的XRD能谱分析Fig.4 XRD patterns(a)of surface of filler metal with 1.1%carbon content and magnification(b)of Area A in(a)

图5 碳含量1.1%钎料润湿316LN的显微组织Fig.5 OM images of brazing filler metal with 1.1%carbon content wetting 316LN for different regions

表2 图5中A,B,C能谱分析Table 2Energy spectrum analysis of Points A,B,C in Fig.5(%,mass fraction)

图6是钎料焊接316LN钢基体后的高倍组织,发现两者的集合界面处存在含碳物质,钎料中的碳元素与钢中的铬、镍、锰、铁等形成了一些碳化物,但结合界面处的组织比较疏松,存在孔洞,致使接头的抗拉强度显著降低。

因此在钎料的生产过程中应采用无油轧制,在无法避免的情况下尽量减少有油轧制的次数,将残留碳的含量降低到最小程度,减少残留含碳层对后期钎料焊接性能的影响,提高钎料的品质,钎料中杂质碳含量应控制在0.005%以下。

图6 碳含量1.1%时钎料焊接钢基体的显微组织及A,B点能谱分析Fig.6 Microstructure of brazing filler metal with 1.1%carbon content brazing 316LN(a)and energy spectrum analysis of Points D(b),E(c)