分享：錳元素對銅基CuZnNi合金釬料性能的影響
顧天亮,閆焉服,張紹棋
(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,高純材料研究中心,洛陽 ４７１０２３)
摘 要:通過在 CuZnNi合金釬料中添加不同含量的錳元素,研究了錳元素對 CuZnNi合金釬料的液相線溫度、潤濕性能和釬料與接頭力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:隨著釬料中錳含量的增加,釬料的液相線溫度逐漸降低,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時(shí),釬料的液相線溫度下降了５４ ℃;釬料的鋪展面積隨釬料中錳含量的增加而逐漸增大,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時(shí),釬料的鋪展面積達(dá)到了２９８mm２;隨著釬料中錳含量的增加,釬料的抗拉強(qiáng)度逐漸增大,而伸長率呈先上升后略下降的趨勢;釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度隨釬料中錳含量的增加而顯著提高,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時(shí),抗剪強(qiáng)度達(dá)到了２２１MPa,比基體釬料的提高了１６．１％.
關(guān)鍵詞:CuZnNi合金釬料;潤濕性能;抗拉強(qiáng)度;抗剪強(qiáng)度
中圖分類號:TG４５４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００８１Ｇ０４
０ 引 言
目前,硬質(zhì)合金已廣泛用于制造各種刀具、石油鉆井和耐磨機(jī)械零件等.由于硬質(zhì)合金本身成本較高,因此絕大多數(shù)硬質(zhì)合金工具均為非整體式,即采用鑲嵌的方法將小塊硬質(zhì)合金固定到工具鋼上[１Ｇ３].長期的研究表明,釬焊是將硬質(zhì)合金牢固連接到鋼基體上最成功的方法之一.在釬焊過程中,釬料性能對釬焊接頭的質(zhì)量具有決定性的作用.
銅基釬料是釬焊硬質(zhì)合金與鋼常用的一種硬釬料,對鋼及硬質(zhì)合金都具有較好的潤濕性和填縫能力[４].但是一般銅基釬料的熔點(diǎn)較高,會(huì)導(dǎo)致釬焊時(shí)的溫度升高,這會(huì)對母材的組織及性能產(chǎn)生不良的影響[５].在釬焊過程中,釬料中鋅元素的揮發(fā)會(huì)使接頭釬縫產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷;簡單二元銅基釬料使接頭釬縫中產(chǎn)生脆性相,導(dǎo)致其性能難以滿足工藝的需求.因此,通常采用在銅基釬料的基礎(chǔ)上添加其他元素的方法來改善基體釬料的性能[６].馬向陽等[７]在 CuMn合金釬料中加入鎳、錫等元素,制備了低熔點(diǎn)銅基釬料,并對其性能進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:錫的加入降低了釬料的熔點(diǎn);鎳元素的加入提高了釬料的強(qiáng)度;新釬料合金的潤濕性能較基體釬料的有明顯提升.黃俊蘭等[８]在 CuＧ６．５P合金釬料中加入錫元素,結(jié)果表明:一定量的錫與銅和磷形成低熔點(diǎn)相,極大地降低了釬料的熔化溫度;錫與銅形成固溶體,提高了釬料的潤濕性能.
CuZnNi合金釬料具有中等釬焊強(qiáng)度,耐腐蝕性好,加工性能好,能根據(jù)實(shí)際需要制成絲狀或者薄板狀.然而,CuZnNi釬料的熔點(diǎn)為 ９２０~９３０ ℃,屬于高熔點(diǎn)釬料,因此釬焊溫度較高,在釬焊過程中容易對鋼的組織造成不利影響.錳元素能夠在銅中無限固溶,且可改善銅基釬料在硬質(zhì)合金及鋼上的潤濕性能,提高接頭強(qiáng)度并降低釬料熔點(diǎn).因此,為了提高銅 基 釬 料 的 性 能,作 者 在 綜 合 性 能 較 好 的CuZnNi釬料基體中添加錳元素,研究了錳元素對釬料液相線溫度、潤濕性能、拉伸性能和接頭抗剪強(qiáng)度等的影響,并對釬料的顯微組織進(jìn)行了觀察,深入分析了錳元素的作用機(jī)理.
１ 試樣制備與試驗(yàn)方法
１．１ 試樣制備
試驗(yàn)所用原材料包括純度為９９．９％的電解錳,純度為９９．９５％、粒徑為７４μm 的銅粉,純度為９９．９３％、
粒徑為４mm 的無砷鋅粒,純度為９９．９６％、直徑為２mm 的 鎳 絲.釬 料 中 錳 元 素 的 添 加 量 (質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)/％,下同)分別為０,１．５,２．５,３．５,４．５.銅、鋅、鎳元素按添加錳元素后余量的５９∶３４∶７(質(zhì)量比)進(jìn)行配制.采用ZGJL０．０１Ｇ４０Ｇ４型真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉,９８０℃保溫１０min,熔煉過程中采用氬氣保護(hù)并以木炭作為覆蓋劑.將反復(fù)熔煉后的液態(tài)釬料澆鑄到經(jīng)５００ ℃預(yù)熱過的自制金屬模具中,冷卻后取出待用.
釬焊母材為４５鋼和 YG１６硬質(zhì)合金,其規(guī)格均為６０mm×２５mm×２．５mm,采用 VDBFＧ２５０型真空釬焊爐,釬焊時(shí)將加工成１~２mm 的薄片狀釬料放置 在 兩 種 母 材 之 間,釬 焊 溫 度 為 ９５０ ℃,保 溫１０min,連接方式為搭接.
１．２ 試驗(yàn)方法
取質(zhì)量為０．３g的釬料,然后采用 STA４０９PC型差分掃描熱量儀對釬料的液相線溫度進(jìn)行測試,升溫速率為１０℃??min－１,最高溫度為９５０ ℃,測試過程中采用氬氣保護(hù).根據(jù) GB/T１１３６４－２００８«釬料鋪展性及填縫
試驗(yàn)方法»,采用 VDBFＧ２５０型真空釬焊爐進(jìn)行釬焊,試件為４５鋼,其規(guī)格為４０mm×４０mm×２mm.將５~６g的 QJ３０８釬劑加入水中調(diào)制成糊狀,然后將糊狀的釬劑均勻地涂覆在打磨后的 ４５ 鋼板表面.將０．２５g含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)錳的釬料放置于４５鋼基板中央,然后放入釬焊爐中,快速升溫至９５０ ℃,保溫５~６min后取出空冷.對鋪展后的試樣進(jìn)行拍照,將照片導(dǎo)入到 AutoCAD中并求其鋪展面積,每組試驗(yàn)驗(yàn)做３次,取其平均值.
利用線切割設(shè)備對釬料合金進(jìn)行取樣,加工成合適尺寸并進(jìn)行鑲嵌(環(huán)氧樹脂與乙二胺質(zhì)量比為１０∶１).分別用 ４００＃ 、６００＃ 、８００＃ 、１０００＃ 、１２００＃ 、１５００＃ 、２０００＃ 金相水砂紙進(jìn)行打磨,然后在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光,直到在高倍顯微鏡下基本看不到劃痕.
使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)６％三氯化鐵鹽酸腐蝕液對拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕,并用卡爾蔡司 AxioVertA１型光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行觀察.
依據(jù) GB/T１１３６３—１９８９,采用自制專用 金 屬模具制備拉伸試樣,在 AGＧI２５０KN 型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為 ２ mm??min－１.拉伸試樣的形狀與尺寸如圖１所示.
按照 GB/T１１３６３－２００８«釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法»進(jìn)行釬焊接頭抗剪強(qiáng)度的測試,所用設(shè)備為島津 AGＧI２５０ KN 型 萬 能 試 驗(yàn) 機(jī),拉 伸 速 度 為２mm??min－１.
２．１ 錳含量對釬料液相線溫度和鋪展面積的影響
由圖２可以看出:隨著錳含量的增加,釬料的液 相線溫度明顯降低;當(dāng)錳含量為４．５％時(shí),釬料的液相 線溫度下降了５４ ℃左右.由 CuＧMn二元相圖可以 看出,在銅中添加少量錳元素時(shí),釬料的液相線逐漸 下降[９],熔點(diǎn)也隨之降低,因此釬料能夠在較短的時(shí) 間內(nèi)發(fā)生熔化并潤濕母材,并且釬料的熔點(diǎn)越低,釬 焊加熱的溫度就越低,對母材性能的影響也就越小. 由圖２還可以看出:隨著錳含量的增加,釬料的 鋪展面積逐漸增大,潤濕性明顯提高;當(dāng)錳含量達(dá)到 ２．５％時(shí),鋪展面積增大的趨勢略緩.錳的加入降低 了釬料的液相線溫度,液態(tài)釬料的流動(dòng)性增強(qiáng).由 楊氏潤濕方程[１０]可知,凡是能使固/液相界面張力
減小的因素都可提高其潤濕性能.由于錳在鐵中有很高的溶解度,能形成無限固溶體,釬料中的錳原子向釬料和母材間的固液界面運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致固/液相界面張力減小,釬料在母材上的潤濕角減小,使釬料的潤濕性能提高、鋪展面積增大.
２．２ 錳含量對釬料顯微組織的影響
釬料的鑄態(tài)顯微組織如圖３所示,其中灰白色部分為α相,這是加入的錳元素在銅中完全固溶[１１]后生成的 CuＧMn固溶體,深色部分為β(β′)相,主要是以 CuZn為基體的固溶體.由圖可知:隨著錳含量的 增 加,α 固 溶 體 的 數(shù) 量 增 多;當(dāng) 錳 含 量 小 于２．５％時(shí),釬料的顯微組織分布不均勻,尖銳部位較多,易導(dǎo)致應(yīng)力集中;隨著錳含量的增加,組織分布越來越均勻,這是由于錳元素與鎳元素的相互作用促進(jìn)了釬料顯微組織的均勻化,有利于提高釬料的強(qiáng)度,改善釬料的塑性.
２．３ 錳含量對釬料拉伸性能的
影響
由圖４可以看出:隨著釬料中錳含量的增加,釬料的抗拉強(qiáng)度逐漸增大;當(dāng)釬料中錳含量為４．５％時(shí),釬料的抗拉強(qiáng)度為５６３MPa,比基體釬料的提高了１４％左右;隨著釬料中錳含量的增加,釬料的斷后伸長率呈先升后降的趨勢;當(dāng)錳含量增加到３．５％時(shí),伸長率達(dá)到最大值１７．８％.這是由于隨著錳含量的增加,釬料的顯微組織變得比較均勻,固溶體數(shù)量增多,因此釬料的強(qiáng)度提高,伸長率略有增加.
２．４ 錳含量對釬焊接頭抗剪強(qiáng)度的影響
由圖５可以看出:隨著釬料中錳含量的增加,釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度得到顯著提高;當(dāng)錳含量為４．５％時(shí),釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到了２２１MPa,比基體釬料的提高了１６．１％.適量錳元素的加入改善了釬料的顯微組織,可在一定程度上提高釬焊接頭的力學(xué)性能.另外,錳元素的加入使釬料在母材上的潤濕性能提高,釬焊時(shí)液態(tài)釬料與母材充分接觸,減少了氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生,降低了應(yīng)力集中的發(fā)生,從而提高了接頭的抗剪強(qiáng)度.
由上述試驗(yàn)結(jié)果得出,在 CuZnNi釬料中添加適量的錳元素能夠顯著提高釬焊接頭的力學(xué)性能,在試驗(yàn)的研究范圍內(nèi),錳元素的最佳添加量為４．５％.
３ 結(jié) 論
(１)隨著 CuZnNi釬料中錳含量的增加,釬料的液相線溫度逐漸降低,鋪展面積逐漸增大,潤濕性能得到明顯的提高,當(dāng)錳含量為４．５％時(shí),液相線溫度約為８７０ ℃,比基體釬料的降低了５４ ℃.
(２)隨 著CuZnNi釬 料 中 錳 含 量 的 增 加 ,釬 料的抗拉強(qiáng)度逐漸增大,而伸長率呈先上升后略下降的趨勢;釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度得到顯著提高,當(dāng)錳含量為４．５％時(shí),釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度達(dá)到２２１ MPa,比基體釬料的提高了１６．１％.
（文章來源：材料與測試網(wǎng)- 首頁 > 期刊論文 > 機(jī)械工程材料 > 41卷 > 9期）
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