采用CuMnNi 钎料真空钎焊40Cr钢与YG8硬质合金的工艺研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇采用CuMnNi 钎料真空钎焊40Cr钢与YG8硬质合金的工艺研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要:选用CuMnNi 钎料,对40Cr钢与YG8硬质合金进行了真空钎焊工艺研究。通过润湿性试验、三点弯曲试验、金相分析、SED等方法探究了钎焊温度和Ni中间层厚度对钎焊接头性能的影响。研究结果表明,钎料对两种母材有良好的润湿性;采用0.2mmNi中间层在1040℃下钎焊时,可获得最优钎焊接头,强度可达到660MPa。
Abstract: Selects the cumnni solder, has conducted the vacuum brazing technical study to the 40Cr steel and the YG8 hard alloy. Through methods and so on wettability experiment, three spot bend tests, metallography analysis, SED inquired into the braze welding temperature and Ni intermediate level thickness to the braze welding attachment performance influence. The findings indicated that the solder has the good wettability to two kind of parent metals; Uses the 0.2mmNi intermediate level when 1040℃ under the braze welding, may obtain the most superior braze welding attachment, the intensity may achieve 660MPa.
关键词:钎焊硬质合金钎料显微组织
key words: Braze welding Hard alloySolder Microstructure
一、试验材料及试验方法
试验用40Cr钢与YG8硬质合金尺寸均为:5 mm×16 mm×15.5mm(其中5 mm×16 mm面为焊接面,16 mm×15.5mm面为铺展面);Ni片作为中间层,厚度有0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm和0.4mm;自制钎料CuMnNi中w(Mn) = (23.00～31.00)%, w(Ni) = (2.00～4.00)%,w(Cu)余量。
焊前,将YG8硬质合金待用部位置于涂有金刚石(w3.5)研磨膏的铸铁块上打磨,直至光亮无污为止;对40Cr钢进行表面处理:先后在水砂纸(w150)和(w40)砂纸上打磨;钎料在砂纸(w150)上打磨,除去氧化层,使表面洁净。然后,将40Cr钢、YG8硬质合金及钎料放入丙酮中清洗,去除表面油污等。最后,将钎料置于硬质合金与40Cr钢之间,如图1所示,并放入专用夹具(如图2)中,用两块耐热钢作为加载块将其压稳。
本钎焊试验在WZS.20型双室真空烧结炉中进行,在加热及冷却过程中,真空度保持在5 ×10-2Pa左右。
由DTA测得钎料的熔化温度范围为920℃～950℃,与通过CuMnNi三元相图[2]查得的熔点基本一致。故确定本试验的钎焊温度为980℃～1080℃,每20℃一个间隔,共6个钎焊温度测试点。并在各温度下进行钎料(约0.15g)与母材的铺展性试验,用测角仪测得相应的润湿角。
加热速度是钎焊过程中的重要参数,加热速度过快导致真空度急剧下降,易使硬质合金及钎料氧化。本试验中,加热方法为:从室温以10℃/min的速率升至800℃,保温30分钟。再以9℃/min的速率升至设定温度,保温10分钟,然后随炉冷却。
钎焊完毕后,将试样线切割为5mm×5mm×32mm的矩形块,做三点弯曲强度试验。同时将试样经砂纸打磨,并用研磨膏精磨,最后用K3Fe(CN)6和NaOH溶液混合配置的腐蚀液[3]腐蚀硬质合金,用3%～5%硝酸酒精腐蚀钢,以备显微组织分析用。
二、结果分析与讨论
2.1 钎焊温度对钎焊接头强度的影响
不同温度下钎料在两种母材上的润湿角如表1所示。由表可知,钎料在各温度下对母材的润湿角均小于15°,具有良好的润湿性;随着温度升高,润湿角减小,润湿性提高;钎料在40cr上的润湿性好于yg8硬质合金。
表2为不同焊接温度下(添加0.2mm的Ni中间层片)所得钎焊接头的三点弯曲试验结果。由表可知,接头抗弯强度随着温度的升高先增大后减小,在1040℃钎焊接头强度达到最高665MPa。观察发现,断口多在靠近钎缝的硬质合金一侧。这是由于硬质合金与40Cr钢的线膨胀系数差异较大,在接头的冷却过程中,由于钢的膨胀系数较大,收缩较快,在硬质合金侧形成了较大的残余拉应力所致。
综合表1、2,确定本试验的最佳钎焊温度为1040℃。
图1为1040℃钎焊接头的显微组织。结合图2知,40Cr钢与钎缝界面处,钎料与母材相互作用明显,形成了清晰均匀的扩散反应区,钎料中元素与40Cr钢中元素相互溶解,形成了一定宽度的固溶体相区。钎缝在硬质合金一侧有明显的分界面,说明钎料与YG8的结合没有与40Cr钢的好,这与铺展性试验的结果一致。Ni中间层与钎料的界面模糊,说明两者结合良好。
由于Fe、Co、Ni在元素周期表中位置接近,易形成置换固溶体。相关资料易表明[4]:这三种元素可在很宽范围内形成单相固溶体。由此可推断,40Cr钢与钎料界面形成一定宽度的固溶体相区为Fe-Co-Ni基单相固溶体。单相固溶体具有较高强度和良好塑性,有利于提高钎焊接头强度。
2.2 中间层厚度对钎焊接头组织性能的影响
表3为在1040℃,不同中间层厚度下三点弯曲的试验结果。可知,当Ni中间层厚度为0.2mm时,钎焊接头的抗弯强度最大为660MPa。中间层厚度过小时,有利于元素的扩散,能形成良好的冶金结合,但中间层对接头应力的释放较差,接头性能较差;随着中间层厚度的增大,其释放接头应力的能力增大,但毛细作用下降,钎焊时易发生钎料流失,难以填满焊缝间隙;并且中间层过厚影响Fe、Co等元素的长程扩散,从而影响接头性能[5]。
三、结论
(1)CuMnNi钎料在40Cr与YG8上均具有良好的润湿性,但在40Cr上的润湿性更好。随着温度升高,润湿角均下降,润湿性提高。
(2)接头强度随着钎焊温度的提高,先上升后下降。钎焊温度为1040℃时(Ni中间层厚度为0.2mm),可获得最优钎焊接头,接头抗弯强度达660MPa。由于Fe、Co的长程扩散,在钎焊界面处形成Fe-Co-Ni基单相固溶体,是焊接接头强度提高的重要原因。
(3)中间层厚度对钎焊接头强度有重要影响。厚度过小,中间层释放接头应力的能力差;厚度过大,两侧母材中Fe、Co等元素的长程扩散受影响,从而影响钎缝组织和接头的冶金结合。最佳中间层厚度为0.2mm。
参考文献:
[1] 吉田邦彦.硬质合金工具[M].北京:冶金工业出版社.1987:158-160
[2] 胡德林,张帆. 三元合金相图[M].西安:西北工业大学出版社.1995:228
[3] Hubert I Aaronson, John K Abraham, N.R. Adsit eta.Metal Handbook Ninth Editoin[M]. American Society for Metal.1978:274
[4] ASM Internationa1.Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams[M].1995
[5] 任耀文.真空钎焊工艺[M】.北京:机械工业出版社,1993:1-7