304不銹鋼與C-276鎳基耐蝕合金的真空釬焊

唐清秋，張博文，鐘志宏

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

304不銹鋼與C-276鎳基耐蝕合金的真空釬焊

唐清秋，張博文，鐘志宏

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009）

采用銅箔對(duì)C-276鎳基耐蝕合金和304不銹鋼的真空釬焊工藝進(jìn)行研究。通過(guò)金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析、顯微硬度機(jī)和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等手段研究釬焊溫度對(duì)釬焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，釬焊溫度對(duì)接頭的組織和性能有明顯影響。釬縫中心區(qū)為Cu基固溶體，兩側(cè)界面反應(yīng)區(qū)分別為Fe基固溶體和Ni基固溶體。釬焊溫度過(guò)低時(shí)，冶金作用較弱，接頭強(qiáng)度較低；釬焊溫度過(guò)高時(shí)，釬料流失較多，接頭強(qiáng)度也較低。當(dāng)釬焊溫度為1125℃時(shí)，接頭的拉剪強(qiáng)度最高，為105.7MPa，且接頭的斷裂方式為韌性斷裂。

SUS304；C-276；Cu箔；真空釬焊

0 前言

哈氏合金C-276屬于Ni-Mo-Cr系鎳基合金，是現(xiàn)代金屬中最耐腐蝕的一種。這是因?yàn)楹辖鹬械腃r能在金屬表面形成致密的氧化膜，使金屬具有抗氧化能力；合金中的Mo主要提供抗還原環(huán)境能力，所以它在各種氧化性氯化物、氯化物鹽溶液、硫酸及在低溫與中溫鹽酸溶液中均有較好的耐腐蝕能力[1-2]。近年來(lái)廣泛應(yīng)用于石油化工（如TDI、PTA）、環(huán)保（如FGD、污水處理）、造紙、煙氣脫硫等領(lǐng)域。目前對(duì)哈氏合金C-276的研究集中在抗腐蝕性能及焊接性能上[3-8]。奧氏體不銹鋼304在不銹鋼中產(chǎn)量、用量最高，是不銹鋼應(yīng)用中最成功的例子。它具有耐腐蝕性、低溫韌性、高溫強(qiáng)度、良好的加工性能及力學(xué)性能[9]。

研究假設(shè)制備C-276/SUS304的部件用于脫硫裝置，這樣既可以保證部件具有良好的抗腐蝕性能，又能降低部件的材料成本。對(duì)奧氏體不銹鋼304和哈氏合金276進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn)，分析焊接溫度對(duì)焊縫成形、接頭組織性能及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 母材

實(shí)驗(yàn)?zāi)覆臑閵W氏體不銹鋼304和哈氏合金276，其化學(xué)性能和物理性能如表1、表2所示[8]。

表1 304和C-276的化學(xué)成分％

表2 304和C-276的物理與化學(xué)性能

1.2 釬料

采用Cu箔作為中間層材料。純銅的熔點(diǎn)為1 083℃，雖強(qiáng)度中等但具有較好的塑性、韌性及耐腐蝕性能。純銅作為釬料時(shí)對(duì)鋼、硬質(zhì)合金、高溫合金等均具有較好的潤(rùn)濕性，且價(jià)格便宜實(shí)用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

母材及釬料切割成所需尺寸，并在丙酮中超聲清洗10 min，按圖1所示的方法放置在真空鉬絲爐的焊接底座上面（壓塊上放一層石墨紙，以防母材與壓塊粘連）。在該實(shí)驗(yàn)中，為了使材料連接更加均勻、充分，采用0.06 mm厚的Cu箔。由于Cu箔的熔點(diǎn)是1 083℃，所以選擇焊接溫度分別為1 110℃、1 125℃、1 140℃、1 155℃，分4次完成實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)保溫時(shí)間均為20 min。具體實(shí)驗(yàn)工藝條件和實(shí)驗(yàn)過(guò)程如表3和圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料裝配

圖2 真空釬焊過(guò)程熱循環(huán)曲線

表3 實(shí)驗(yàn)條件及工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 接頭形貌

當(dāng)中間層采用Cu箔時(shí)，焊接溫度為1 110℃、1 125℃、1 140℃、1 155℃時(shí)，接頭形貌如圖3所示。由圖3可知，Cu箔為中間層時(shí)，釬焊溫度為1 110℃時(shí)的釬料與母材連接面處結(jié)合較弱，出現(xiàn)較多明顯的孔洞、未熔合等缺陷，說(shuō)明該溫度下焊接不理想，不再對(duì)該溫度的焊縫進(jìn)行后續(xù)研究。逐漸升高釬焊溫度至1 125℃和1 140℃，釬料在兩種母材的表層均具有較好的鋪展?jié)櫇裥郧姨羁p效果較為理想。當(dāng)釬焊溫度達(dá)1 155℃，可能由于純銅釬料中的部分元素組分發(fā)生揮發(fā)，導(dǎo)致其填縫性能有所下降，出現(xiàn)明顯的氣孔等缺陷。

圖3 Cu箔做中間層時(shí)不同的釬焊溫度對(duì)接頭形貌的影響

2.2 接頭顯微硬度

如圖4所示，當(dāng)Cu箔為中間層時(shí)，取釬焊溫度為1 125℃、1 140℃、1 155℃的試樣測(cè)其顯微硬度，可以看出焊縫中心的硬度明顯低于母材，因此焊縫中心將成為整個(gè)接頭中最薄弱的部分，直接影響接頭性能。焊接溫度為1 125℃時(shí)的接頭硬度整體大于焊接溫度為1 140℃時(shí)的接頭硬度，而1 140℃時(shí)的接頭硬度又大于1 155℃時(shí)的接頭硬度。因?yàn)殡S著溫度的升高，Cu等一些元素組分揮發(fā)，導(dǎo)致純銅釬料的鋪展?jié)櫇裥越档投羁p性能變差，接頭的硬度降低。

圖4 釬縫區(qū)域的顯微硬度分布

2.3 接頭元素?cái)U(kuò)散行為

Cu箔為中間層時(shí)，焊接溫度1 125℃、1 140℃、1 155℃時(shí)的接頭元素?cái)U(kuò)散情況如圖5～圖7所示。比較可知，母材304鋼中的Ni元素在1 125℃時(shí)大量向焊縫擴(kuò)散，但母材中的含量依舊很高，而當(dāng)焊接溫度升至1 140℃、1 155℃時(shí)這種擴(kuò)散現(xiàn)象更為明顯，母材向焊縫一側(cè)擴(kuò)散的Ni含量很高。Cu主要集中于焊縫區(qū)并在高溫下熔化向母材兩側(cè)擴(kuò)散。

2.4 接頭力學(xué)性能

采用萬(wàn)能拉伸機(jī)測(cè)試接頭的拉剪強(qiáng)度，如圖8所示。由于T=Fmax/S，拉伸速度為l mm/min，拉伸前測(cè)量搭接面積S。將所需焊接的材料進(jìn)行搭接，并在焊后進(jìn)行拉伸測(cè)試。

取1 125℃、1 140℃、1 155℃時(shí)的試樣進(jìn)行接頭拉剪強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)測(cè)得以Cu做中間層時(shí)，焊接溫度為1 125℃時(shí)的拉剪強(qiáng)度為105.68 MPa；焊接溫度為1 140℃時(shí)的拉剪強(qiáng)度為94.86 MPa；而當(dāng)釬焊溫度為1 155℃時(shí)，接頭拉剪強(qiáng)度為66.715 MPa，即隨著焊接溫度的升高，Cu元素開(kāi)始揮發(fā)，導(dǎo)致連接不理想，接頭拉剪強(qiáng)度下降，其中1 125℃是獲得拉剪強(qiáng)度最高的釬焊溫度。

2.5 斷口形貌

不同溫度下拉伸后的斷口形貌如圖10所示，由圖10a可知，1 125℃時(shí)的斷口韌窩明顯且較多，屬于韌性斷裂，韌窩里有析出物質(zhì)，該區(qū)域的元素分布如表4（A、B）所示。

其中在B區(qū)域，斷口處多呈亮白色，此亮白色區(qū)域的析出物質(zhì)中Cu元素含量較高，這些Cu全部來(lái)自于釬料Cu箔，由于Cu的塑性較好，韌性斷裂明顯，B區(qū)域也存在從母材擴(kuò)散過(guò)來(lái)的Fe、Ni、Cr等元素。而韌窩中暗色的A區(qū)域中含Cu明顯少于B區(qū)域，A區(qū)域中Fe、Cr元素也高于該側(cè)的母材C276，因此推測(cè)該處的Fe很大一部分是從另一側(cè)的母材304不銹鋼中擴(kuò)散而來(lái)（Cr元素含量同理可得）。釬焊溫度為1 140℃和1 155℃時(shí)的情況同理可得，且隨著溫度的升高，在1140℃時(shí)韌窩更加均勻，但溫度增加到1155℃時(shí)，由于溫度過(guò)高Cu揮發(fā)過(guò)多，韌窩不再明顯，韌性斷裂效果不是很好。

圖6 1 140℃接頭元素線掃描曲線分布

3 結(jié)論

（1）采用Cu箔作為中間層金屬，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下可以實(shí)現(xiàn)接頭界面區(qū)的有效連接。

圖7 1 155℃接頭元素線掃描曲線分布

圖8 接頭拉剪強(qiáng)度的測(cè)試

圖9 釬焊搭接接頭拉伸后照片

圖10 不同釬焊溫度下拉伸接頭斷口形貌

表4 拉伸接頭斷口不同區(qū)域的元素成分分布％

（2）釬焊溫度過(guò)低時(shí)，冶金作用較弱，接頭強(qiáng)度較低；釬焊溫度過(guò)高時(shí)，釬料流失較多，接頭強(qiáng)度也較低。相對(duì)來(lái)說(shuō)，焊接溫度1 125℃時(shí)得到的接頭最理想，該溫度下釬料與母材之間的元素?cái)U(kuò)散比較明顯，接頭實(shí)現(xiàn)了較好的冶金反應(yīng)。

（3）在焊接溫度為1 125℃時(shí)，接頭的拉剪強(qiáng)度為105.68 MPa。且由拉伸斷口形貌可知該斷裂為韌性斷裂。但是，以Cu箔為中間層時(shí)由于Cu自身性質(zhì)的影響使焊縫中心的顯微硬度明顯低于母材兩側(cè)的顯微硬度，導(dǎo)致焊縫中心可能成為整個(gè)焊接區(qū)域中最薄弱的部分。

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Vacuum brazing of 304 austenitic stainless steel to C-276 nickel-based corrosion-resistant alloy

TANG Qingqiu，ZHANG Bowen，ZHONG Zhihong
（School of Material Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In this study，vacuum brazing of 304 austenitic stainless steel to C-276 nickel-based corrosion-resistant alloy with the filer metal of Cu foils would be conducted.Investigated the effect of brazing temperature on the microstructure and mechanical properties of welding joint by means of metallurgical microscopy，scanning electron microscope，EDS，the microhardness tester，universal material testing machine.The results show that，brazing temperature has obvious impact on the microstructure and mechanical properties of joints.The centre area of welding seam is Cu base solid solution，and two sides of the interface reaction zone are Fe based solid solution and Ni based solid solution.When the brazing temperature is too low，the metallurgic reaction is not strong and the joint strength is lower；when the brazing temperature is too high，lapsed solder is more and joint strength is low too，and the fracture mode of welding joint is ductile fracture.

SUS304；C-276；copper foil；vacuum brazing

TG454

A

1001－2303（2016）12－0063-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.14

獻(xiàn)

唐清秋，張博文，鐘志宏.304不銹鋼與C-276鎳基耐蝕合金的真空釬焊[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：63-68.

2015-11-18；

2016-05-26

國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)（2015GB121003）

唐清秋（1991—），女，青海西寧人，在讀碩士，主要從事焊接技術(shù)的研究工作。