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        8. 關于不銹鋼的釬焊知識
          admin 2017-05-26 1701次

            不銹鋼定義是主要加鉻元素使鋼處鈍化狀態,就是具有不銹特性的鋼。不銹鋼是主要為Cr-Fe系和Cr-Fe-Ni系三元合金。鐵是基體,鉻是主要的合金元素。為了使鋼具有不銹的特性,ω(Cr)必須高于12%。此時,鋼的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜,使鋼的電極電位和氧化介質中的耐腐蝕性發生突變性提高。在非氧化介質(HCl、H2SO4)中,其實鉻的作用并不明顯,除鉻外,不銹鋼中還須加入能使鋼鈍化的Ni、Mo等元素,加入合金元素基本上分為兩類:一類是形成或者穩定奧氏體的元素:如碳。鎳、錳、氮等,其中碳和氮使用程度最大;另一類是縮小或者封閉γ相即形成鐵素體的元素:如鉻、硅、鉬、鈦、鈮、鋁等。由于合金元素的不同,不銹鋼在溫室下呈現不同的組織。根據其組織不同,不銹鋼可分為鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

            在各種類型的不銹鋼中奧氏體不銹鋼的應用最為廣泛,品種也最多。由于奧氏體不銹鋼的Cr、Ni含量較高,因此在氧化性、中性以及弱還原性介質中均具有良好的耐腐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性優良,冷熱加工性能俱佳,因而廣泛應用于建筑裝飾、食品工業、醫療器械、紡織印染設備、石油、化工、原子能、航空和航天等工業領域。

            為突出對比性,特列出鋼碳的相應的物理性能。碳鋼密度與不銹鋼差別不大。電阻率則按碳鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼順序遞增。奧氏體不銹鋼的電阻率可達碳鋼的5倍左右。奧氏體不銹鋼的線脹系數比碳鋼的約大50%,而馬氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的線脹系數大體上和碳鋼的相等。奧氏體不銹鋼的熱導率比碳鋼的低,僅為其1/3左右。另二類不銹鋼的熱導率為碳鋼的1/2左右。

            不銹鋼的釬焊性

            1.表明氧化膜。如上所述,不銹鋼除含主要合金元素鉻外,往往還含鎳、錳、鈦、鉬、鈮、鋁等元素。在表面上形成的主要氧化物有Me2O3(Me=Fe、Ni、Cr、Mn、Ti)和MeO?Me”2O3(Me’=Fe、Ni、Mn;Me”=Cr、Fe、Ni、Mn、Ti)兩大類。其中Cr2O3和TiO2相當穩定,比較難以去除。在空氣中釬焊時必須采用活性強的釬劑以清除這些氧化物;在保護氣氛中釬焊時,只有在低露點的高純氣氛和足夠高的溫度下氧氣膜才能被還原;真空釬焊時,要求良好的真空度(10-2Pa以上)和足夠高的溫度,才能取得良好的效果。

            2.釬焊加熱溫度。對鐵素體不銹鋼來說,只要釬焊加熱溫度不使其晶粒發生猛烈長大,即可認為合適。

            對馬氏體不銹鋼來說,釬焊加熱溫度對性能的影響極大,因為馬氏體不銹鋼是在淬火回火狀態下使用的。馬氏體不銹鋼的釬焊加熱溫度有兩種選擇:一種是釬焊加熱溫度與淬火溫度相匹配。例如對1Crl3和2Crl3不銹鋼來說,選擇1000~1050℃的釬焊加熱溫度,釬焊完畢后快速冷卻,達到母材淬火的目的,然后再進行回火,這樣可以獲得最佳的綜合力學性能。另一種是將釬焊溫度選擇在低于鋼的回火溫度,例如對lCrl3不銹鋼來說低于700℃。這樣,已淬火回火的母材在釬焊過程中也不會發生軟化現象,母材仍保持原有的綜合性能。

            對奧氏體不銹鋼來說釬焊加熱溫度不宜過高。當釬焊溫度高于1150℃時,晶粒開始猛烈長大。奧氏體不銹鋼晶粒一旦長大,就不能再用熱處理方法使其晶粒細化。所以在選擇釬料和釬焊工藝參數時,應避免在1150℃以上長時間加熱。不含穩定元素鈦或鈮而含碳量又較高的奧氏體不銹鋼,如lCrl8Ni9、2Crl8Ni9等,當停留在500~750℃范圍內時,碳化鉻將沿晶界析出,造成晶界貧鉻,在腐蝕介質中使用極易產生晶間腐蝕。因此這類鋼應避免在此溫度區間內釬焊。

            奧氏體-鐵素體鋼的釬焊加熱溫度同樣不宜過高,以免晶粒長大。

            沉淀硬化不銹鋼的釬焊加熱溫度的選擇原則上與馬氏體不銹鋼相同,即釬焊加熱溫度必須與鋼的熱處理制度相匹配,以獲得最佳力學性能。

            3.奧氏體不銹鋼有應力開裂的傾向,應在去除內應力的狀態下進行釬焊。

            不銹鋼的表面準備。不銹鋼表面的清洗方法包括氣相除油;溶劑氫氧化鈉除油;噴吵或噴丸;用鋼絲刷或不銹鋼棉擦拭或砂布打磨和酸洗等。對于批量生產的工件可以用以下酸洗液清洗(質量分數):

            1.10%H2SO4,15%HCl,5%HNO3,余量水。酸洗溫度100℃,酸洗時間30s。然后用15%HNO3水溶液作為光澤處理,溶液溫度100℃,時間約10s。

            2.10%HNO3,6%H2SO4,50g/LHF的水溶液,酸洗溫度20℃,酸洗時間10min。酸洗后用60~70℃的熱水仔細洗滌10min,然后在60~70℃的熱空氣中干燥。

            3.15%HNO3,50g/LNaF,85%的H2O溶液,室溫下浸蝕5~10min,然后用熱水洗滌,再在100~120℃溫度下烘干。

            第一種溶液適用于厚件表面的厚氧化皮。后兩種溶液用于薄件表面的薄氧化膜。酸洗應嚴格按工藝規程進行以免產生過腐蝕。

            不銹鋼的軟釬焊:軟釬焊的釬焊溫度低,對不銹鋼性能本身的影響極小。軟釬焊主要用錫鉛釬料,以錫含量高的錫鉛釬料為宜,如HLSn63Pb、HLSn60Pb、HLSn50Pb和HLSn40Pb,因為這些釬料的潤濕性好。也可用錫銀釬料。釬劑的選擇是關鍵。必須采用活性強的釬劑以去除表面的氧化膜。常用的釬劑有兩種:一種是正磷酸水溶液(H3PO4960g,H2O445g);另一種是氯化鋅鹽酸水溶液(ZnCl21360gNH4C1140g,HCl85g,H2O4L)。磷酸水溶液的活性時間短,必須采用快速加熱的釬焊方法。釬劑殘渣具有強腐蝕性,釬焊后必須清洗干凈。

            不銹鋼的硬強化:硬釬焊是不銹鋼的主要釬焊方法。

            銀釬料

            在選用銀釬料時應注意以下幾點:

            1.銀釬料的絕大部分(BAg92CuLi,BAg13釬料除外),其釬焊溫度全部落在奧氏體不銹鋼的有效敏化溫度(538~871℃)區間內。在該溫度內將發生碳化物沉淀,從而降低母材的耐腐蝕性;碳化物沉淀不但與溫度有關,而且停留時間也有影響。如果對工作時的防腐蝕能力要求高,則應采用超低碳的、鈦穩定化的或鈮穩定化的奧氏體不銹鋼。

            2.釬焊含量少鎳和不含鎳的鐵素體和馬氏體不銹鋼時,優先選用含鎳的釬料。

            3.含銅和鋅的銀釬料在加熱溫度過高和加熱時間過長時將導致銅和鋅大量滲入晶界,從而使釬焊接頭變脆。

            4.含鎘的釬料也有滲入晶界的傾向,當工件拉應力時會加速這種作用,故加熱溫度不宜過高,時間不宜過長。含鎘釬料加熱時形成的鎘煙霧有劇毒,焊工必須采取各種措施,避免吸入。建議選用無鎘釬料。

            5.含鎘的釬料不能用于氣保護釬焊和真空釬焊。對于含鋅的釬料只有在鋅含量少的情況下可用于氣體保護釬焊。

            6.熔化間隔范圍大的釬料如BAg35CuZnCd(BAg-2),BAg50CuZnCdNi(BAd-3)等,應采用快速加熱的釬焊方法,如火焰釬焊、感應釬焊等,以免在熔化釬料流入接頭間隙時發生偏析現象。

            7.要求釬縫顏色與不銹鋼顏色匹配的場合,應選用含高銀的釬料,如BAg9、BAg10、BAg56CuZnSn等。

            8.釬焊高真空器件應選用不含鋅和鎘的釬料,如BAg72Cu、BAg60CuSn等,以免發生污染。

            在保護氣氛中釬焊時最好使用自釬劑釬料。

            自釬劑釬料是指自身含有能起還原作用的微量或一定量元素的釬料。其中的還原劑與母材表面氧化物用后生成的產物,其熔點應低于釬焊溫度,或者還原產物能與母材表面氧化物形成熔點低于釬焊溫度的復合化合物;而且還原產物或所形成的復合化合物的黏度要小,能被液態釬料排開,不妨礙釬料鋪展。

            在所有還原劑中鋰是最理想的元素,從熱力學來說都能還原Cr2O3。但其中大部分元素的還原產物,即它們的氧化物的熔點都大大高于釬焊溫度,妨礙釬料的鋪展。B2O3的熔點雖然很低,但它的黏度極大,同樣不利于釬料的鋪展。鋰的氧化物LiO2的熔點雖然很高,但它能于許多氧化物形成低熔復合化合物,如Li2CrO4的熔點為517℃,大大低于釬焊溫度;而且氧化鋰對水的親和力極大,它同周圍氣氛中的水分作用,形成熔點為450℃的LiOH,這層熔化的氫氧化鋰幾乎能溶解所有的氧化物。它呈薄膜覆蓋在金屬表面上,又能起保護作用。此外,鋰是表面活性物質,能提高釬料的潤濕性;鋰在銀中的溶解度很大,鋰的加入不會在銀中形成脆性相,所以以鋰是最理想的元素。

          高溫銅釬料

          牌號

          化學成分(質量分數,%)

          熔化溫度
               /℃

          釬焊溫度
               /℃

          Ni

          Si

          B

          Fe

          Mn

          Co

          Cu

          HlCuNi30-2-0.2

          27~30

          1.5~2.0

          ≤0.5

          <1.5

          余量

          1080~1120

          1175~1200

          Cu69NiMnCoSiB

          18

          1.75

          0.2

          1

          5

          5

          余量

          1053~1084

          1090~1110

          Cu58MnCo

          31.5

          10

          余量

          940~950

          1000~1050

          Cu40MnNi

          20

          40

          余量

          950~960

          1000~1050

          ∏M38M∏

          4~6

          1.5~2.5

          1.5~2.5

          36~40

          <0.15Li

          余量

           

          920~950

          BIIP-2

          5~6

          0.8~1.2

          22~26

          余量

           

          980~1000

          BIIP-4

          28~30

          0.8~1.2

          0.8~1.2

          1~1.5

          27~30

          4~6

          余量

           

          1000~1050

            HlCuNi30-2-0.2釬料含較多的鎳。鎳可提高釬料的高溫強度,但鎳又使釬料的熔化溫度明顯提高。為了降低熔化溫度加入了適量的硅和少量的硼。硅和硼同時又能改善釬料的潤濕性,提高釬料在不銹鋼上的鋪展能力,HlCuNi30-2-0.2釬料在室溫和高溫下都幾乎與1Cr18Ni9Ti不銹鋼等強度,

            釬料在600℃以下的抗氧化性也與1Cr18Ni9Ti不銹鋼很近。它填充間隙的能力強,對接頭間隙要求不嚴。同時具有良好的延性,可加工成絲或片。但該釬料的釬焊溫度過高(1175~1120℃)。爐中釬焊時不銹鋼晶粒猛烈長大,火焰釬焊時近縫區也有晶粒長大現象。并且火焰釬焊時由于釬劑在高溫下與不銹鋼起作用,在近縫區易產生麻面等缺陷。

            Cu69NiMnCoSiB釬料為HlCuNi30-2-0.2釬料的改進型。Cu69NiMnCoSiB釬料的含鎳量明顯下降,但添加5%Co。釬料的Ni+Co總量有所下降,故釬料的熔化溫度降低。由于添加了Co,釬料的高溫強度變化不大。此外在釬料中又添加了ω(Mn)5%的Mn,使釬料的熔化溫度進一步下降,達到1053~1084℃,釬焊溫度則比HlCuNi30-2-0.2釬料低了80~100℃,釬焊不銹鋼時不會產生晶粒長大現象和麻面等缺陷;由于釬料含錳量不高,可用火焰釬焊和真空釬焊。釬料延性良好,可加工成絲或片。釬料具有與HlCuNi30-2-0.2釬料相似的高溫強度和抗氧化性。

            另一種高溫銅基釬料為Cu58MnCo。當含ω(Mn)=35%時形成熔點為868℃的低熔固溶體。為了提高銅錳合金的室溫和高溫強度又加入了鈷。根據不銹鋼對接釬焊試樣的抗拉強度試驗得知,當ω(Co)=10%的釬料,其液相線為943℃,釬焊溫度為1000℃,正好同馬氏體不銹鋼的淬火溫度相匹配,可將釬焊和淬火處理合并進行。Cu58MnCo釬料延性好,可加工成片狀。這種釬料使用于釬焊在538℃以下工作的接頭。由于釬料的錳含量高,而錳既易氧化有易發揮,因此不適用于火焰釬焊和真空釬焊,主要用于保護氣氛爐中釬焊。

            Cu40MnNi釬料的性能與Cu58MnCo釬料相似,但強度和抗氧化性較差,加工性能稍好,價格稍低。

            Cu-Mn-Ni合金中熔點最低和強度最高的合金為ω(Mn)=32%~39%和ω(Ni)=5%。該合金由γ+α以及NiMn相組合,隨著含鎳量的提高,Cu-Mn-Ni合金的熔點升高,偏析傾向也加大。為了進一步降低Cu-Mn-Ni合金的熔點,可加入少量的硅[ω(Si)=1.5%~3.5%],加硅又可強化Cu-Mn-Ni合金,這是形成Ni3Si加強相的緣故,硅同時可提高Cu-Mn-Ni合金的耐熱性?!荕38M∏即屬于此種釬料,它在950℃溫度下就能很好地潤濕不銹鋼。

            在Cu-Mn-Ni合金中加入少量的Fe可促進它在鋼上的鋪展性。但是鐵的加入量不能多,否則將形成鐵的獨立相,降低合金的耐腐蝕性。

            


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