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  • 关于不锈钢的钎焊知识
    admin 2017-05-26 1117次

      不锈钢定义是主要加铬元素使钢处钝化状态,就是具有不锈特性的钢。不锈钢是主要为Cr-Fe系和Cr-Fe-Ni系三元合金。铁是基体,铬是主要的合金元素。为了使钢具有不锈的特性,ω(Cr)必须高于12%。此时,钢的表面能迅速形成致密的Cr2O3氧化膜,使钢的电极电位和氧化介质中的耐腐蚀性发生突变性提高。在非氧化介质(HCl、H2SO4)中,其实铬的作用并不明显,除铬外,不锈钢中还须加入能使钢钝化的Ni、Mo等元素,加入合金元素基本上分为两类:一类是形成或者稳定奥氏体的元素:如碳。镍、锰、氮等,其中碳和氮使用程度最大;另一类是缩小或者封闭γ相即形成铁素体的元素:如铬、硅、钼、钛、铌、铝等。由于合金元素的不同,不锈钢在温室下呈现不同的组织。根据其组织不同,不锈钢可分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

      在各种类型的不锈钢中奥氏体不锈钢的应用最为广泛,品种也最多。由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高,因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐腐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良,冷热加工性能俱佳,因而广泛应用于建筑装饰、食品工业、医疗器械、纺织印染设备、石油、化工、原子能、航空和航天等工业领域。

      为突出对比性,特列出钢碳的相应的物理性能。碳钢密度与不锈钢差别不大。电阻率则按碳钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢顺序递增。奥氏体不锈钢的电阻率可达碳钢的5倍左右。奥氏体不锈钢的线胀系数比碳钢的约大50%,而马氏体不锈钢和铁素体不锈钢的线胀系数大体上和碳钢的相等。奥氏体不锈钢的热导率比碳钢的低,仅为其1/3左右。另二类不锈钢的热导率为碳钢的1/2左右。

      不锈钢的钎焊性

      1.表明氧化膜。如上所述,不锈钢除含主要合金元素铬外,往往还含镍、锰、钛、钼、铌、铝等元素。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)两大类。其中Cr2O3和TiO2相当稳定,比较难以去除。在空气中钎焊时必须采用活性强的钎剂以清除这些氧化物;在保护气氛中钎焊时,只有在低露点的高纯气氛和足够高的温度下氧气膜才能被还原;真空钎焊时,要求良好的真空度(10-2Pa以上)和足够高的温度,才能取得良好的效果。

      2.钎焊加热温度。对铁素体不锈钢来说,只要钎焊加热温度不使其晶粒发生猛烈长大,即可认为合适。

      对马氏体不锈钢来说,钎焊加热温度对性能的影响极大,因为马氏体不锈钢是在淬火回火状态下使用的。马氏体不锈钢的钎焊加热温度有两种选择:一种是钎焊加热温度与淬火温度相匹配。例如对1Crl3和2Crl3不锈钢来说,选择1000~1050℃的钎焊加热温度,钎焊完毕后快速冷却,达到母材淬火的目的,然后再进行回火,这样可以获得最佳的综合力学性能。另一种是将钎焊温度选择在低于钢的回火温度,例如对lCrl3不锈钢来说低于700℃。这样,已淬火回火的母材在钎焊过程中也不会发生软化现象,母材仍保持原有的综合性能。

      对奥氏体不锈钢来说钎焊加热温度不宜过高。当钎焊温度高于1150℃时,晶粒开始猛烈长大。奥氏体不锈钢晶粒一旦长大,就不能再用热处理方法使其晶粒细化。所以在选择钎料和钎焊工艺参数时,应避免在1150℃以上长时间加热。不含稳定元素钛或铌而含碳量又较高的奥氏体不锈钢,如lCrl8Ni9、2Crl8Ni9等,当停留在500~750℃范围内时,碳化铬将沿晶界析出,造成晶界贫铬,在腐蚀介质中使用极易产生晶间腐蚀。因此这类钢应避免在此温度区间内钎焊。

      奥氏体-铁素体钢的钎焊加热温度同样不宜过高,以免晶粒长大。

      沉淀硬化不锈钢的钎焊加热温度的选择原则上与马氏体不锈钢相同,即钎焊加热温度必须与钢的热处理制度相匹配,以获得最佳力学性能。

      3.奥氏体不锈钢有应力开裂的倾向,应在去除内应力的状态下进行钎焊。

      不锈钢的表面准备。不锈钢表面的清洗方法包括气相除油;溶剂氢氧化钠除油;喷吵或喷丸;用钢丝刷或不锈钢棉擦拭或砂布打磨和酸洗等。对于批量生产的工件可以用以下酸洗液清洗(质量分数):

      1.10%H2SO4,15%HCl,5%HNO3,余量水。酸洗温度100℃,酸洗时间30s。然后用15%HNO3水溶液作为光泽处理,溶液温度100℃,时间约10s。

      2.10%HNO3,6%H2SO4,50g/LHF的水溶液,酸洗温度20℃,酸洗时间10min。酸洗后用60~70℃的热水仔细洗涤10min,然后在60~70℃的热空气中干燥。

      3.15%HNO3,50g/LNaF,85%的H2O溶液,室温下浸蚀5~10min,然后用热水洗涤,再在100~120℃温度下烘干。

      第一种溶液适用于厚件表面的厚氧化皮。后两种溶液用于薄件表面的薄氧化膜。酸洗应严格按工艺规程进行以免产生过腐蚀。

      不锈钢的软钎焊:软钎焊的钎焊温度低,对不锈钢性能本身的影响极小。软钎焊主要用锡铅钎料,以锡含量高的锡铅钎料为宜,如HLSn63Pb、HLSn60Pb、HLSn50Pb和HLSn40Pb,因为这些钎料的润湿性好。也可用锡银钎料。钎剂的选择是关键。必须采用活性强的钎剂以去除表面的氧化膜。常用的钎剂有两种:一种是正磷酸水溶液(H3PO4960g,H2O445g);另一种是氯化锌盐酸水溶液(ZnCl21360gNH4C1140g,HCl85g,H2O4L)。磷酸水溶液的活性时间短,必须采用快速加热的钎焊方法。钎剂残渣具有强腐蚀性,钎焊后必须清洗干净。

      不锈钢的硬强化:硬钎焊是不锈钢的主要钎焊方法。

      银钎料

      在选用银钎料时应注意以下几点:

      1.银钎料的绝大部分(BAg92CuLi,BAg13钎料除外),其钎焊温度全部落在奥氏体不锈钢的有效敏化温度(538~871℃)区间内。在该温度内将发生碳化物沉淀,从而降低母材的耐腐蚀性;碳化物沉淀不但与温度有关,而且停留时间也有影响。如果对工作时的防腐蚀能力要求高,则应采用超低碳的、钛稳定化的或铌稳定化的奥氏体不锈钢。

      2.钎焊含量少镍和不含镍的铁素体和马氏体不锈钢时,优先选用含镍的钎料。

      3.含铜和锌的银钎料在加热温度过高和加热时间过长时将导致铜和锌大量渗入晶界,从而使钎焊接头变脆。

      4.含镉的钎料也有渗入晶界的倾向,当工件拉应力时会加速这种作用,故加热温度不宜过高,时间不宜过长。含镉钎料加热时形成的镉烟雾有剧毒,焊工必须采取各种措施,避免吸入。建议选用无镉钎料。

      5.含镉的钎料不能用于气保护钎焊和真空钎焊。对于含锌的钎料只有在锌含量少的情况下可用于气体保护钎焊。

      6.熔化间隔范围大的钎料如BAg35CuZnCd(BAg-2),BAg50CuZnCdNi(BAd-3)等,应采用快速加热的钎焊方法,如火焰钎焊、感应钎焊等,以免在熔化钎料流入接头间隙时发生偏析现象。

      7.要求钎缝颜色与不锈钢颜色匹配的场合,应选用含高银的钎料,如BAg9、BAg10、BAg56CuZnSn等。

      8.钎焊高真空器件应选用不含锌和镉的钎料,如BAg72Cu、BAg60CuSn等,以免发生污染。

      在保护气氛中钎焊时最好使用自钎剂钎料。

      自钎剂钎料是指自身含有能起还原作用的微量或一定量元素的钎料。其中的还原剂与母材表面氧化物用后生成的产物,其熔点应低于钎焊温度,或者还原产物能与母材表面氧化物形成熔点低于钎焊温度的复合化合物;而且还原产物或所形成的复合化合物的黏度要小,能被液态钎料排开,不妨碍钎料铺展。

      在所有还原剂中锂是最理想的元素,从热力学来说都能还原Cr2O3。但其中大部分元素的还原产物,即它们的氧化物的熔点都大大高于钎焊温度,妨碍钎料的铺展。B2O3的熔点虽然很低,但它的黏度极大,同样不利于钎料的铺展。锂的氧化物LiO2的熔点虽然很高,但它能于许多氧化物形成低熔复合化合物,如Li2CrO4的熔点为517℃,大大低于钎焊温度;而且氧化锂对水的亲和力极大,它同周围气氛中的水分作用,形成熔点为450℃的LiOH,这层熔化的氢氧化锂几乎能溶解所有的氧化物。它呈薄膜覆盖在金属表面上,又能起保护作用。此外,锂是表面活性物质,能提高钎料的润湿性;锂在银中的溶解度很大,锂的加入不会在银中形成脆性相,所以以锂是最理想的元素。

    高温铜钎料

    牌号

    化学成分(质量分数,%)

    熔化温度
         /℃

    钎焊温度
         /℃

    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钎料含较多的镍。镍可提高钎料的高温强度,但镍又使钎料的熔化温度明显提高。为了降低熔化温度加入了适量的硅和少量的硼。硅和硼同时又能改善钎料的润湿性,提高钎料在不锈钢上的铺展能力,HlCuNi30-2-0.2钎料在室温和高温下都几乎与1Cr18Ni9Ti不锈钢等强度,

      钎料在600℃以下的抗氧化性也与1Cr18Ni9Ti不锈钢很近。它填充间隙的能力强,对接头间隙要求不严。同时具有良好的延性,可加工成丝或片。但该钎料的钎焊温度过高(1175~1120℃)。炉中钎焊时不锈钢晶粒猛烈长大,火焰钎焊时近缝区也有晶粒长大现象。并且火焰钎焊时由于钎剂在高温下与不锈钢起作用,在近缝区易产生麻面等缺陷。

      Cu69NiMnCoSiB钎料为HlCuNi30-2-0.2钎料的改进型。Cu69NiMnCoSiB钎料的含镍量明显下降,但添加5%Co。钎料的Ni+Co总量有所下降,故钎料的熔化温度降低。由于添加了Co,钎料的高温强度变化不大。此外在钎料中又添加了ω(Mn)5%的Mn,使钎料的熔化温度进一步下降,达到1053~1084℃,钎焊温度则比HlCuNi30-2-0.2钎料低了80~100℃,钎焊不锈钢时不会产生晶粒长大现象和麻面等缺陷;由于钎料含锰量不高,可用火焰钎焊和真空钎焊。钎料延性良好,可加工成丝或片。钎料具有与HlCuNi30-2-0.2钎料相似的高温强度和抗氧化性。

      另一种高温铜基钎料为Cu58MnCo。当含ω(Mn)=35%时形成熔点为868℃的低熔固溶体。为了提高铜锰合金的室温和高温强度又加入了钴。根据不锈钢对接钎焊试样的抗拉强度试验得知,当ω(Co)=10%的钎料,其液相线为943℃,钎焊温度为1000℃,正好同马氏体不锈钢的淬火温度相匹配,可将钎焊和淬火处理合并进行。Cu58MnCo钎料延性好,可加工成片状。这种钎料使用于钎焊在538℃以下工作的接头。由于钎料的锰含量高,而锰既易氧化有易发挥,因此不适用于火焰钎焊和真空钎焊,主要用于保护气氛炉中钎焊。

      Cu40MnNi钎料的性能与Cu58MnCo钎料相似,但强度和抗氧化性较差,加工性能稍好,价格稍低。

      Cu-Mn-Ni合金中熔点最低和强度最高的合金为ω(Mn)=32%~39%和ω(Ni)=5%。该合金由γ+α以及NiMn相组合,随着含镍量的提高,Cu-Mn-Ni合金的熔点升高,偏析倾向也加大。为了进一步降低Cu-Mn-Ni合金的熔点,可加入少量的硅[ω(Si)=1.5%~3.5%],加硅又可强化Cu-Mn-Ni合金,这是形成Ni3Si加强相的缘故,硅同时可提高Cu-Mn-Ni合金的耐热性。∏M38M∏即属于此种钎料,它在950℃温度下就能很好地润湿不锈钢。

      在Cu-Mn-Ni合金中加入少量的Fe可促进它在钢上的铺展性。但是铁的加入量不能多,否则将形成铁的独立相,降低合金的耐腐蚀性。

      


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