分享：锰元素对铜基CuZnNi合金钎料性能的影响

顾天亮,闫焉服,张绍棋

(河南科技大学材料科学与工程学院,高纯材料研究中心,洛阳 ４７１０２３)

摘 要:通过在 CuZnNi合金钎料中添加不同含量的锰元素,研究了锰元素对 CuZnNi合金钎料的液相线温度、润湿性能和钎料与接头力学性能的影响.结果表明:随着钎料中锰含量的增加,钎料的液相线温度逐渐降低,当锰的质量分数为４．５％时,钎料的液相线温度下降了５４ ℃;钎料的铺展面积随钎料中锰含量的增加而逐渐增大,当锰的质量分数为４．５％时,钎料的铺展面积达到了２９８mm２;随着钎料中锰含量的增加,钎料的抗拉强度逐渐增大,而伸长率呈先上升后略下降的趋势;钎焊接头的抗剪强度随钎料中锰含量的增加而显著提高,当锰的质量分数为４．５％时,抗剪强度达到了２２１MPa,比基体钎料的提高了１６．１％.

关键词:CuZnNi合金钎料;润湿性能;抗拉强度;抗剪强度

中图分类号:TG４５４ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００８１Ｇ０４

０ 引 言

目前,硬质合金已广泛用于制造各种刀具、石油钻井和耐磨机械零件等.由于硬质合金本身成本较高,因此绝大多数硬质合金工具均为非整体式,即采用镶嵌的方法将小块硬质合金固定到工具钢上[１Ｇ３].长期的研究表明,钎焊是将硬质合金牢固连接到钢基体上最成功的方法之一.在钎焊过程中,钎料性能对钎焊接头的质量具有决定性的作用.

铜基钎料是钎焊硬质合金与钢常用的一种硬钎料,对钢及硬质合金都具有较好的润湿性和填缝能力[４].但是一般铜基钎料的熔点较高,会导致钎焊时的温度升高,这会对母材的组织及性能产生不良的影响[５].在钎焊过程中,钎料中锌元素的挥发会使接头钎缝产生气孔、裂纹等缺陷;简单二元铜基钎料使接头钎缝中产生脆性相,导致其性能难以满足工艺的需求.因此,通常采用在铜基钎料的基础上添加其他元素的方法来改善基体钎料的性能[６].马向阳等[７]在 CuMn合金钎料中加入镍、锡等元素,制备了低熔点铜基钎料,并对其性能进行了测试,结果表明:锡的加入降低了钎料的熔点;镍元素的加入提高了钎料的强度;新钎料合金的润湿性能较基体钎料的有明显提升.黄俊兰等[８]在 CuＧ６．５P合金钎料中加入锡元素,结果表明:一定量的锡与铜和磷形成低熔点相,极大地降低了钎料的熔化温度;锡与铜形成固溶体,提高了钎料的润湿性能.

CuZnNi合金钎料具有中等钎焊强度,耐腐蚀性好,加工性能好,能根据实际需要制成丝状或者薄板状.然而,CuZnNi钎料的熔点为 ９２０~９３０ ℃,属于高熔点钎料,因此钎焊温度较高,在钎焊过程中容易对钢的组织造成不利影响.锰元素能够在铜中无限固溶,且可改善铜基钎料在硬质合金及钢上的润湿性能,提高接头强度并降低钎料熔点.因此,为了提高铜 基 钎 料 的 性 能,作 者 在 综 合 性 能 较 好 的CuZnNi钎料基体中添加锰元素,研究了锰元素对钎料液相线温度、润湿性能、拉伸性能和接头抗剪强度等的影响,并对钎料的显微组织进行了观察,深入分析了锰元素的作用机理.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验所用原材料包括纯度为９９．９％的电解锰,纯度为９９．９５％、粒径为７４μm 的铜粉,纯度为９９．９３％、

粒径为４mm 的无砷锌粒,纯度为９９．９６％、直径为２mm 的 镍 丝.钎 料 中 锰 元 素 的 添 加 量 (质 量 分数/％,下同)分别为０,１．５,２．５,３．５,４．５.铜、锌、镍元素按添加锰元素后余量的５９∶３４∶７(质量比)进行配制.采用ZGJL０．０１Ｇ４０Ｇ４型真空中频感应炉进行熔炼,９８０℃保温１０min,熔炼过程中采用氩气保护并以木炭作为覆盖剂.将反复熔炼后的液态钎料浇铸到经５００ ℃预热过的自制金属模具中,冷却后取出待用.

钎焊母材为４５钢和 YG１６硬质合金,其规格均为６０mm×２５mm×２．５mm,采用 VDBFＧ２５０型真空钎焊炉,钎焊时将加工成１~２mm 的薄片状钎料放置 在 两 种 母 材 之 间,钎 焊 温 度 为 ９５０ ℃,保 温１０min,连接方式为搭接.

１．２ 试验方法

取质量为０．３g的钎料,然后采用 STA４０９PC型差分扫描热量仪对钎料的液相线温度进行测试,升温速率为１０℃??min－１,最高温度为９５０ ℃,测试过程中采用氩气保护.根据 GB/T１１３６４－２００８«钎料铺展性及填缝

试验方法»,采用 VDBFＧ２５０型真空钎焊炉进行钎焊,试件为４５钢,其规格为４０mm×４０mm×２mm.将５~６g的 QJ３０８钎剂加入水中调制成糊状,然后将糊状的钎剂均匀地涂覆在打磨后的 ４５ 钢板表面.将０．２５g含不同质量分数锰的钎料放置于４５钢基板中央,然后放入钎焊炉中,快速升温至９５０ ℃,保温５~６min后取出空冷.对铺展后的试样进行拍照,将照片导入到 AutoCAD中并求其铺展面积,每组试验验做３次,取其平均值.

利用线切割设备对钎料合金进行取样,加工成合适尺寸并进行镶嵌(环氧树脂与乙二胺质量比为１０∶１).分别用 ４００＃ 、６００＃ 、８００＃ 、１０００＃ 、１２００＃ 、１５００＃ 、２０００＃ 金相水砂纸进行打磨,然后在抛光机上进行抛光,直到在高倍显微镜下基本看不到划痕.

使用质量分数６％三氯化铁盐酸腐蚀液对抛光后的试样进行腐蚀,并用卡尔蔡司 AxioVertA１型光学显微镜对试样进行观察.

依据 GB/T１１３６３—１９８９,采用自制专用 金 属模具制备拉伸试样,在 AGＧI２５０KN 型万能试验机上进行拉伸试验,拉伸速度为 ２ mm??min－１.拉伸试样的形状与尺寸如图１所示.

按照 GB/T１１３６３－２００８«钎焊接头强度试验方法»进行钎焊接头抗剪强度的测试,所用设备为岛津 AGＧI２５０ KN 型 万 能 试 验 机,拉 伸 速 度 为２mm??min－１.

２．１ 锰含量对钎料液相线温度和铺展面积的影响

     由图２可以看出:随着锰含量的增加,钎料的液 相线温度明显降低;当锰含量为４．５％时,钎料的液相 线温度下降了５４ ℃左右.由 CuＧMn二元相图可以 看出,在铜中添加少量锰元素时,钎料的液相线逐渐 下降[９],熔点也随之降低,因此钎料能够在较短的时 间内发生熔化并润湿母材,并且钎料的熔点越低,钎 焊加热的温度就越低,对母材性能的影响也就越小. 由图２还可以看出:随着锰含量的增加,钎料的 铺展面积逐渐增大,润湿性明显提高;当锰含量达到 ２．５％时,铺展面积增大的趋势略缓.锰的加入降低 了钎料的液相线温度,液态钎料的流动性增强.由 杨氏润湿方程[１０]可知,凡是能使固/液相界面张力

    减小的因素都可提高其润湿性能.由于锰在铁中有很高的溶解度,能形成无限固溶体,钎料中的锰原子向钎料和母材间的固液界面运动,导致固/液相界面张力减小,钎料在母材上的润湿角减小,使钎料的润湿性能提高、铺展面积增大.

２．２ 锰含量对钎料显微组织的影响

    钎料的铸态显微组织如图３所示,其中灰白色部分为α相,这是加入的锰元素在铜中完全固溶[１１]后生成的 CuＧMn固溶体,深色部分为β(β′)相,主要是以 CuZn为基体的固溶体.由图可知:随着锰含量的 增 加,α 固 溶 体 的 数 量 增 多;当 锰 含 量 小 于２．５％时,钎料的显微组织分布不均匀,尖锐部位较多,易导致应力集中;随着锰含量的增加,组织分布越来越均匀,这是由于锰元素与镍元素的相互作用促进了钎料显微组织的均匀化,有利于提高钎料的强度,改善钎料的塑性.

２．３ 锰含量对钎料拉伸性能的影响

    由图４可以看出:随着钎料中锰含量的增加,钎料的抗拉强度逐渐增大;当钎料中锰含量为４．５％时,钎料的抗拉强度为５６３MPa,比基体钎料的提高了１４％左右;随着钎料中锰含量的增加,钎料的断后伸长率呈先升后降的趋势;当锰含量增加到３．５％时,伸长率达到最大值１７．８％.这是由于随着锰含量的增加,钎料的显微组织变得比较均匀,固溶体数量增多,因此钎料的强度提高,伸长率略有增加.

２．４ 锰含量对钎焊接头抗剪强度的影响

    由图５可以看出:随着钎料中锰含量的增加,钎焊接头的抗剪强度得到显著提高;当锰含量为４．５％时,钎焊接头的抗剪强度达到了２２１MPa,比基体钎料的提高了１６．１％.适量锰元素的加入改善了钎料的显微组织,可在一定程度上提高钎焊接头的力学性能.另外,锰元素的加入使钎料在母材上的润湿性能提高,钎焊时液态钎料与母材充分接触,减少了气孔、夹渣等缺陷的产生,降低了应力集中的发生,从而提高了接头的抗剪强度.

    由上述试验结果得出,在 CuZnNi钎料中添加适量的锰元素能够显著提高钎焊接头的力学性能,在试验的研究范围内,锰元素的最佳添加量为４．５％.

３ 结 论

    (１)随着 CuZnNi钎料中锰含量的增加,钎料的液相线温度逐渐降低,铺展面积逐渐增大,润湿性能得到明显的提高,当锰含量为４．５％时,液相线温度约为８７０ ℃,比基体钎料的降低了５４ ℃.

    (２)随 着CuZnNi钎 料 中 锰 含 量 的 增 加 ,钎 料的抗拉强度逐渐增大,而伸长率呈先上升后略下降的趋势;钎焊接头的抗剪强度得到显著提高,当锰含量为４．５％时,钎焊接头的抗剪强度达到２２１ MPa,比基体钎料的提高了１６．１％.

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