BNi7鎳基釬料真空釬焊316L不銹鋼接頭釬縫的顯微組織和顯微硬度

經(jīng)敬楠，于治水，萇文龍，秦優(yōu)瓊

（上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620）

0 引 言

316L不銹鋼的碳含量低，晶間腐蝕傾向較小，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和焊接性能，由于添加了鉬，耐點(diǎn)蝕性能突出。因此，316L不銹鋼常用于冷卻器、微化工系統(tǒng)等耐高溫、耐腐蝕條件的薄壁管、板部件。相比其他熔化焊，釬焊技術(shù)更適合用來焊接尺寸較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜及裝配精度要求高的薄壁管和板件。釬焊不銹鋼時(shí)，多采用高溫性能優(yōu)異、流動(dòng)性較好的鎳基釬料，但是鎳基釬料中的硼、硅等降熔元素易使接頭中產(chǎn)生金屬間化合物，出現(xiàn)晶界脆化等現(xiàn)象[1－2]，導(dǎo)致釬焊接頭耐腐蝕性能下降，塑性和強(qiáng)度降低。而BNi7鎳基釬中料含磷元素，磷沿晶界擴(kuò)散能力較弱，不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕等缺陷，并且BNi7鎳基釬料的熔點(diǎn)低、流動(dòng)性極好，適合釬焊不銹鋼薄件[3]。目前關(guān)于冷卻器、熱交換器用316L不銹鋼管板件釬焊的相關(guān)報(bào)道較少。為此，作者采用BNi7鎳基釬料真空釬焊316L薄壁管板件，分析了工藝參數(shù)（釬焊間隙與釬焊時(shí)間）對(duì)接頭（纖縫）組織和顯微硬度的影響，期望能為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為316L不銹鋼薄壁管板件及浙江亞通焊材有限公司的BNi7鎳基釬料，其化學(xué)成分如表1所示。BNi7釬料熔點(diǎn)為890℃，取釬焊溫度為930℃，釬焊在KJL－1型多功能科教真空釬焊爐中完成，其真空度為8×10－3Pa。

表1 316L不銹鋼及BNi7鎳基釬料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of 316Lstainless steel and BNi7filler metal（mass）%

試驗(yàn)前將母材在丙酮中進(jìn)行超聲波清洗，按照?qǐng)D1所示裝配試樣，在釬料槽中加入BNi7鎳基釬料，并用乙酸乙酯將釬料固化，以防止釬焊爐抽真空過程中釬料的流失。按照表2的工藝參數(shù)完成釬焊。釬焊后將試樣沿縱向中軸線進(jìn)行線切割，并對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光及腐蝕處理，采用VHX－600型超景深光學(xué)顯微鏡觀察接頭組織；用日立S4700型掃描電鏡（SEM）及其附帶的能譜儀（EDS）觀察顯微組織并分析接頭成分；用HXD－1000TMC型顯微硬度計(jì)測(cè)試接頭顯微硬度，載荷為0.245N，加載時(shí)間15s，取3點(diǎn)平均值。

圖1 試樣裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram for specimen assembling

表2 釬焊工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of brazing

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭纖縫的顯微組織

由圖2（a）可見，釬焊接頭中間為釬縫，左右兩側(cè)為316L不銹鋼母材，釬縫主要由釬縫中心區(qū)（Ⅰ區(qū)）、界面反應(yīng)區(qū)（Ⅱ區(qū)）和母材近焊縫一側(cè)的擴(kuò)散區(qū)（Ⅲ區(qū)）組成。

圖2（b）的線掃描結(jié)果顯示，鉻和磷主要集中在釬縫中心區(qū)，釬縫中心區(qū)的鎳含量高于母材的，而鐵含量遠(yuǎn)低于母材的，并且釬縫中的合金元素與母材元素在界面處形成過渡區(qū)，說明釬焊過程中不銹鋼中的鐵、鉻、鉬向熔融的釬料溶解，同時(shí)釬料中的合金元素向母材中擴(kuò)散，冷卻后按照一定的熔合比例形成釬縫組織，最終實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合[4]。

從圖2（a）還可見，釬縫中心區(qū)（Ⅰ區(qū)）主要由兩種組織組成。元素線掃描結(jié)果表明呈連續(xù)狀分布于釬縫中心區(qū)并且顏色較深的A區(qū)域主要由磷、鎳和鉻合金元素組成，為 Ni（Cr，F(xiàn)e）－P金屬間化合物。由表3可知，A區(qū)域磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20.78%，遠(yuǎn)高于BNi7鎳基釬料中的磷含量，而B區(qū)域未出現(xiàn)磷元素，可見磷元素是形成Ni（Cr，F(xiàn)e）－P金屬間化合物組織的關(guān)鍵元素。

表3 釬縫微區(qū)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Chemical compositions of micro－zones in brazing seam （mass）%

元素線掃描結(jié)果表明界面反應(yīng)區(qū)（Ⅱ區(qū)）上淺色的為富鉻的鎳－鐵基固溶體。在釬焊保溫過程中，熔融的共晶釬料填充滿釬焊間隙后，母材中的部分鐵、鉻溶解到釬料中，改變?cè)F料共晶成分，鎳－鐵固溶體首先沿母材界面非均勻形核，發(fā)生等溫凝固，隨著初生相的長大，剩余的液態(tài)釬料成分逐漸偏離共晶點(diǎn)并被排擠到釬縫中間。在隨后的冷卻過程中，剩余液態(tài)釬料開始凝固，固溶體相就在初晶相的枝晶上繼續(xù)長出，而金屬間化合物相單獨(dú)留在枝晶間，形成了離異共晶的釬縫組織[5]。

另外，在母材元素向熔融釬料溶解的同時(shí)，釬料的合金元素向母材擴(kuò)散，從而形成了擴(kuò)散區(qū)（Ⅲ區(qū)）。在擴(kuò)散區(qū)母材的晶界處出現(xiàn)了顆粒狀的金屬間化合物，這可能是由于釬料成分沿母材晶界擴(kuò)散形成的。由鎳－磷相圖和鐵－磷相圖可知[6]，磷在鎳和鐵中的溶解度很小，因此隨著釬焊冷卻過程的進(jìn)行，沿母材晶界擴(kuò)散的磷元素因溶解極限而析出，在晶界處形成了顆粒狀的金屬間化合物。對(duì)擴(kuò)散區(qū)的C和D區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析可知C區(qū)域磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.04%，而D區(qū)域未出現(xiàn)磷元素，說明只有少量的磷元素向母材發(fā)生了短距離的擴(kuò)散。

在選定釬料的條件下，影響接頭組織形態(tài)的主要因素便是工藝參數(shù)。由圖3可以看出，當(dāng)釬縫間隙較小時(shí)（10μm和20μm），釬焊接頭的釬縫中心區(qū) Ni（Cr，F(xiàn)e）－P化合物呈長條狀分布，厚度約占釬縫的一半左右，金屬間化合物含量相對(duì)較高。因?yàn)榱自阪嚭丸F中的溶解度很小，當(dāng)以小間隙釬焊時(shí)，釬料含量少、元素?cái)U(kuò)散距離短，磷幾乎不向兩側(cè)的母材擴(kuò)散，接頭組織的形態(tài)分布變化很小。當(dāng)釬縫間隙增大到40μm時(shí)，鐵－鎳基固溶體含量顯著增加，以塊狀分布于鎳基固溶體中。另外在金屬間化合物中分布有塊狀鎳基固溶體組織，可見增大接頭間隙有利于改變小間隙釬焊形成的金屬間化合物連續(xù)分布的狀態(tài)。從圖3還可以發(fā)現(xiàn)，釬焊保溫時(shí)間延長至60min后，釬縫中金屬間化合物數(shù)量大大減少，鎳－鐵基固溶體數(shù)量明顯增加，并由塊狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀分布。延長釬焊保溫時(shí)間，一方面能促進(jìn)釬料與母材的相互作用，有助于母材向液體釬料的溶解和釬料合金元素向母材基體的擴(kuò)散，另一方面能增加釬料中鎳和鐵基固溶體等溫凝固時(shí)間，促進(jìn)界面區(qū)初生固溶體相的長大。

因磷在鎳和鐵中的溶解度很小，等溫凝固時(shí)，磷受到鎳基固溶體生長的排擠而發(fā)生上坡擴(kuò)散，向釬縫中心聚集，與鎳、鉻等元素形成金屬間化合物，因此無論增大釬焊間隙還是延長保溫時(shí)間，金屬間化合物都難以消除[7]。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)接頭顯微硬度的影響

金屬間化合物一般具有高硬度、低塑性的特點(diǎn)，使接頭的塑性降低，產(chǎn)生脆化問題，從而降低釬焊件的綜合使用性能，因此接頭顯微硬度分布能夠有效反映釬焊接頭的使用性能。由圖4可以看出，釬縫中心區(qū)的顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩側(cè)和母材的顯微硬度，保溫30min的釬焊接頭中顯微硬度峰值約為1 600MPa，高于保溫60min時(shí)的顯微硬度峰值（約1 400MPa），并且前者有兩個(gè)高硬度值，而后者只有一個(gè)，說明前者的金屬間化合物厚度比后者大，這與圖3所示組織分析一致。可見，延長保溫時(shí)間，能促進(jìn)固溶體的生長，縮小金屬間化合物的厚度。

圖4 不同保溫時(shí)間接頭的顯微硬度曲線Fig.4 Microhardness curves of joints for different holding times

另外，距釬縫中心－20μm處，即釬縫和母材界面處顯微硬度值有一定的回升，結(jié)合圖2中C區(qū)域能譜分析可知，這是由于BNi7釬料中的降熔元素磷向母材擴(kuò)散，在晶界處形成金屬間化合物的結(jié)果。

綜合分析可知，釬焊間隙為40μm、保溫時(shí)間為60min的釬焊接頭能夠達(dá)到固溶體含量高、性能均勻的效果。

3 結(jié) 論

（1）采用BNi7鎳基釬料真空釬焊316L不銹鋼接頭釬縫主要由Ni（Cr，F(xiàn)e）－P金屬間化合物、富鉻的鎳－鐵基固溶體組成。

（2）釬焊間隙較小時(shí)（10μm和20μm），中心區(qū)的金屬間化合物呈長條狀分布，其厚度相對(duì)于釬縫所占比例較大；釬焊間隙較大時(shí)（40μm），鎳－鐵基固溶體厚度相對(duì)于釬縫所占比例增大，顯著降低了金屬間化合物含量。

（3）相同釬焊間隙下延長保溫時(shí)間，能促進(jìn)固溶體等溫凝固過程，增大固溶體含量；當(dāng)釬焊間隙為40μm、保溫時(shí)間為60min時(shí)，能得到釬縫組織基本為固溶體、硬度分布均勻的釬焊接頭。

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