Ni對(duì)AgCuZn釬焊201不銹鋼接頭組織及性能的影響

杜全斌，龍偉民，沈元?jiǎng)祝m永濤，軒慶慶

（鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001）

Ni對(duì)AgCuZn釬焊201不銹鋼接頭組織及性能的影響

杜全斌，龍偉民，沈元?jiǎng)祝m永濤，軒慶慶

（鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001）

采用BAg45CuZn（Y1）、BAg40CuZnNi（Y2）和BAg49ZnCuMnNi（Y3）釬料感應(yīng)釬焊獲得201不銹鋼對(duì)接接頭，利用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試接頭抗拉強(qiáng)度，利用SEM和EDS分析釬焊接頭組織結(jié)構(gòu)和觀察接頭斷口形貌。結(jié)果表明，3種釬料和母材均實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，界面區(qū)釬料側(cè)和釬縫區(qū)組織由灰白色富Ag相和灰黑色富Cu相組成；隨著釬料中Ni元素含量的增加，Y1、Y2和Y3接頭組織中界面富Cu相從粗大樹枝晶向“痘點(diǎn)”狀胞狀晶、連續(xù)層狀胞狀晶演變，釬縫富Cu相也從粗大樹枝晶向塊狀晶轉(zhuǎn)變；Y1、Y2和Y3斷口起裂源從強(qiáng)度較弱的釬縫富Cu相/富Ag相界面向Ni固溶強(qiáng)化較弱的富Ag相和富Ag相轉(zhuǎn)變，裂紋擴(kuò)展均發(fā)生在富Ag相中，隨著釬料中Ni的增加，釬縫富Ag相固溶強(qiáng)化效果增大，提高了接頭的抗拉強(qiáng)度；Y1、Y2和Y3平均抗拉強(qiáng)度分別為430.99 MPa、444.92 MPa和456.40 MPa。

銀基釬料；界面結(jié)構(gòu)；抗拉強(qiáng)度；斷口形貌

0 前言

銀基釬料具有適中的熔點(diǎn)、良好的潤濕性和填縫能力、優(yōu)良的強(qiáng)韌性和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，因此被廣泛應(yīng)用于釬焊低碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、銅及銅合金、鎳基合金以及硬質(zhì)合金等工程材料。其中，Ag-Cu-Zn-Cd系釬料具有較低的熔化溫度和優(yōu)良的加工性能，贏得了釬焊工作者的青睞，但Cd是重金屬元素，既不能降解又不可回收，對(duì)人類危害極大。隨著人們對(duì)環(huán)境和健康重視程度的不斷提高，特別是2006年7月1日起，歐盟正式實(shí)施WEEE和ROHS兩個(gè)禁鎘指令后，眾多研究者開始研發(fā)新型Ag-Cu-Zn釬料代替含鎘銀釬料，以期獲得與含Cd釬料性能相當(dāng)?shù)男滦外F料，研究方向主要為：一是在Ag-Cu-Zn合金的基礎(chǔ)上，輔助添加Mn、Ni、In、Ga、Si、Sn以及稀土元素等，以期調(diào)整釬料的熔化溫度，改善釬料流動(dòng)性和接頭力學(xué)性能[1-10]；二是從潔凈化的角度研究雜質(zhì)元素對(duì)AgCuZn釬料性能的影響，得到雜質(zhì)元素含量與釬料潤濕性、接頭強(qiáng)度之間的關(guān)系規(guī)律[11-13]。

為研究Ni元素對(duì)AgCuZn釬料釬焊201不銹鋼接頭組織和斷裂特性的影響，在此采用3種不同成分銀基釬料釬焊201不銹鋼對(duì)接接頭，測量接頭抗拉強(qiáng)度，觀察接頭組織結(jié)構(gòu)和拉伸斷口形貌，以期為銀基釬料成分的設(shè)計(jì)和釬焊工藝的制定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)釬料為BAg49ZnCuMnNi、BAg40CuZnNi和BAg45CuZn釬料，釬料形態(tài)為片狀，厚0.2 mm，其化學(xué)成分及特性如表1所示。試驗(yàn)所用母材為201不銹鋼板，尺寸80 mm×40 mm×4 mm，屈服強(qiáng)度487 MPa，抗拉強(qiáng)度608 MPa。

表1 釬料的化學(xué)成分及固液相線

根據(jù)GB 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用上述3種釬料釬焊201不銹鋼試板對(duì)接接頭。釬焊前，在堿性金屬清洗劑中超聲波清洗試板表面的油污，然后用清水沖洗，再用砂紙打磨試板釬焊面，使其表面光亮，將打磨后的所有試板和釬料在酒精中超聲波清洗，最后吹干備用。按裝配示意圖（見圖1）裝配釬焊接頭，采用高頻感應(yīng)釬焊方法，整個(gè)釬焊過程在大氣中進(jìn)行。釬焊后，清除試件表面的釬劑殘留，將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。

圖1 對(duì)接接頭裝配示意

采用MTS C45.105萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度。利用JSM-7500F型掃描電鏡（SEM）觀察釬焊界面釬料組織結(jié)構(gòu)和抗拉試樣斷口形貌，并利用其自帶的能譜分析儀（EDS）測試界面結(jié)構(gòu)物相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 釬焊界面組織結(jié)構(gòu)

圖2a～圖2c是3種釬焊接頭界面結(jié)構(gòu)，可以看出，釬焊接頭均由3個(gè)區(qū)域組成，分別為母材、界面區(qū)和釬縫區(qū)，其中界面區(qū)除金相腐蝕界面痕跡外，掃描電鏡下沒有發(fā)現(xiàn)第二相、孔隙以及裂紋的產(chǎn)生，說明試驗(yàn)鋼板與釬料實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。觀察發(fā)現(xiàn)，3種釬焊接頭中釬縫區(qū)和界面區(qū)釬料側(cè)凝固組織相似，主要由灰白色相和灰黑色相組成。釬焊接頭中相關(guān)位置的能譜分析如表2所示，根據(jù)測試點(diǎn)D、E、F、G、I、K、J、M、N和O分析結(jié)果，接頭中灰白色相為富Ag相，灰黑色相為富Cu相，根據(jù)兩相在接頭中的位置關(guān)系，將沿界面分布的富Ag相、富Cu相簡稱界面富Ag相和界面富Cu相，將釬縫中的富Ag相、富Cu相簡稱為釬縫富Ag相和釬縫富Cu相。

圖2d是圖2a中經(jīng)過界面富Cu相的線掃描元素分布，可以看出，界面區(qū)釬料和母材間發(fā)生了元素的相互擴(kuò)散。界面區(qū)母材側(cè)，Cr、Ni元素首先向界面擴(kuò)散聚集，Cr在界面處達(dá)到最大值后急劇下降，Ni擴(kuò)散到界面富Cu相一定距離后達(dá)到成分的最大值，其后逐漸下降，F(xiàn)e、Mn元素在母材側(cè)距界面一定距離時(shí)成分開始下降，說明母材中Ni元素向釬料側(cè)擴(kuò)散，F(xiàn)e、Cr和Mn元素可能向釬料溶解擴(kuò)散；界面區(qū)釬料側(cè)，Cu和Zn元素有較明顯的向母材側(cè)擴(kuò)散的趨勢(shì)，Ag元素在母材側(cè)成分分布下降較快。根據(jù)Cu-Ni、Cu-Mn、Cu-Fe、Cu-Cr和Fe-Zn二元相圖[14]可知，釬焊溫度下，Ni、Mn可完全固溶于Cu中，Zn在Fe中具有較大的固溶度，F(xiàn)e、Cu可少量互相固溶，Cr基本不固溶于Cu中，Ag基本不固溶于Fe中，結(jié)合測試點(diǎn)A～E的成分分析結(jié)果，母材中的Ni、Mn和Fe元素向界面富Cu相發(fā)生了溶解擴(kuò)散，而Cr元素向釬料側(cè)幾乎沒有擴(kuò)散，釬料中只有Cu、Zn元素向母材側(cè)發(fā)生了擴(kuò)散，而Ag元素沒有向母材擴(kuò)散。

圖2 Y1、Y2和Y3接頭界面結(jié)構(gòu)及Line1元素線掃描

對(duì)比測試點(diǎn)D和D′（界面富Ag相中距界面線的距離與D相同）可知，界面富Ag相中沒有發(fā)現(xiàn)母材元素向釬料側(cè)擴(kuò)散的現(xiàn)象，說明母材中Ni、Mn和Fe元素向釬料側(cè)的溶解擴(kuò)散主要通過界面富Cu相進(jìn)行。對(duì)比測試點(diǎn)D、E和F可知，隨著界面富Cu相向釬縫內(nèi)部的生長，其成分與釬縫富Cu相相近，說明界面區(qū)元素的相互擴(kuò)散存在一定的距離，仔細(xì)觀察圖2d中元素分布的變化情況，可以推測元素的相互擴(kuò)散距離約5 μm，這是因?yàn)楦哳l感應(yīng)釬焊過程很短，液態(tài)釬料速度很快，液態(tài)釬料和母材間不能很好地溶解擴(kuò)散。

表2 釬焊接頭物相能譜分析

根據(jù)上述釬焊接頭中各元素?cái)U(kuò)散行為及分布情況的分析，3種釬焊接頭的組織形成過程可解釋為：釬焊過程中，高溫的液態(tài)釬料可溶解少量母材表層，使靠近界面的液態(tài)釬料中含有一定濃度的Fe、Ni、Mn元素，同時(shí)在濃度梯度下，母材與釬料之間相關(guān)元素進(jìn)行相互擴(kuò)散，由于高溫加熱時(shí)間很短，液態(tài)釬料對(duì)母材表層的溶解量很少，元素之間的相互擴(kuò)散距離很窄。釬焊加熱結(jié)束后，界面處首先形成一定的過冷度，液態(tài)釬料開始凝固，界面附近液態(tài)釬料中形成大量的富Cu團(tuán)簇和富Ag團(tuán)簇，由于Cu對(duì)Ni、Fe元素具有較大的固溶度，從母材溶解擴(kuò)散的Ni、Fe元素基本固溶在富Cu團(tuán)簇中，富Cu團(tuán)簇具有較高的液相線溫度，首先在界面處形核，垂直于界面向釬縫區(qū)生長。由于Y2釬料中含有一定的Ni，釬縫富Cu團(tuán)簇具有較高濃度的Ni元素，導(dǎo)致釬縫富Cu團(tuán)簇液相線溫度升高，形成較大的成分過冷，促使大量的釬縫富Cu團(tuán)簇形核長大，抑制了界面和釬縫富Cu相的樹枝狀生長，最終在釬縫中形成塊狀的富Cu相，在界面處形成“痘點(diǎn)”分布的富Cu相胞狀晶，隨著釬料中Ni含量的增加，這一現(xiàn)象更為明顯，Y3接頭界面富Cu相呈連續(xù)層狀分布的胞狀晶。相反，由于Y1釬料中不含Ni元素，其界面和釬縫富Cu團(tuán)簇所受的過冷度不足以大到可以形成大量的富Cu相晶核，同時(shí)Y1釬料具有較大的固液相線溫度區(qū)間，液態(tài)釬料中相關(guān)元素發(fā)生長程擴(kuò)散，Y1中富Cu相容易形成粗大的樹枝晶，界面富Cu相形成垂直于界面的粗大樹枝晶。

2.2 釬焊接頭的力學(xué)性能

3種釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度如表3所示，與平均抗拉強(qiáng)度值接近的對(duì)接接頭拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-位移曲線如圖3所示。由表3可知，3種銀基釬料中，釬料Y3釬焊的對(duì)接接頭具有最大的平均抗拉強(qiáng)度值，且該組數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，釬料Y2釬焊的對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度值大于釬料Y1，但釬料Y1的單值穩(wěn)定性優(yōu)于Y2。

表3 對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度

圖3 對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力-位移曲線

由圖3可知，在對(duì)接接頭拉伸過程中，銀基釬料釬焊接頭發(fā)生彈性變形后均有一定程度的塑性變形。由于母材的屈服強(qiáng)度為487 MPa，可以判定應(yīng)力-位移曲線中所表現(xiàn)的塑性變形來自于釬料的貢獻(xiàn)，一定程度上提高了釬焊接頭的耐疲勞、耐沖擊性能。

2.3 斷口形貌分析

釬焊接頭的力學(xué)性能勢(shì)必與接頭的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，Y1、Y2和Y3釬料接頭組織結(jié)構(gòu)中界面富Cu相從粗大樹枝晶向“痘點(diǎn)”狀胞狀晶、連續(xù)層狀胞狀晶演變，釬縫富Cu相也從粗大樹枝晶向塊狀樹枝晶轉(zhuǎn)變，這種組織演變對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響直接反映在接頭斷口形貌上。接頭斷口的宏觀形貌如圖4所示，3種拉伸斷口均較平整，斷裂位置均發(fā)生在釬縫區(qū)，再次表明界面區(qū)釬料和母材實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

圖4 接頭斷口宏觀形貌

掃描電鏡下釬焊接頭的微觀斷口形貌如圖5所示，可以看出，3種釬料釬焊接頭斷口形貌均為韌窩形貌。研究認(rèn)為，大而深的韌窩是試樣拉伸過程中經(jīng)歷較大應(yīng)力應(yīng)變形成的，小而淺的韌窩是試樣經(jīng)歷較小應(yīng)力應(yīng)變形成的[15]。對(duì)于Y1接頭，其斷口中韌窩多為尺寸均勻的等軸韌窩，韌窩相對(duì)較淺，對(duì)應(yīng)較低的拉伸強(qiáng)度，此外，斷口中還發(fā)現(xiàn)聚集的小韌窩群，經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，該小韌窩群中主要元素組成與測試點(diǎn)E、F相近，但該處Ag元素含量高于測試點(diǎn)E、F，可以推測小韌窩群的斷裂發(fā)生在釬縫富Cu相和富Ag相界面，斷裂只需較小的應(yīng)力便可發(fā)生，可以推測該處為Y1接頭斷裂的起裂源，進(jìn)一步降低Y1接頭強(qiáng)度；對(duì)于Y2接頭，其斷口中韌窩大小不一，深度大于Y1斷口韌窩，其中部分大韌窩內(nèi)部含有二次小韌窩和由塑變平滑的滑移臺(tái)階形成的連波花樣，未發(fā)現(xiàn)類似Y1中的小韌窩群，說明富Cu相從粗大樹枝晶向塊狀晶的轉(zhuǎn)變，改善了富Cu相與富Ag相界面的結(jié)合強(qiáng)度，接頭的起裂源轉(zhuǎn)移到強(qiáng)度較低的富Ag相，由于微量Ni的固溶強(qiáng)化作用，Y2中富Ag相抗拉強(qiáng)度較Y1中有所提高，但由于釬料熔化和凝固的時(shí)間很短，Ni在Y2富Ag相中的分布極不均勻，導(dǎo)致Ni對(duì)富Ag相各部位的強(qiáng)化效果也不均勻，在斷口中表現(xiàn)為大小不一的韌窩；Y3斷口中韌窩為尺寸較大的等軸韌窩，且韌窩平均尺寸及深度大于Y2斷口，觀察發(fā)現(xiàn)部分韌窩內(nèi)部含有二次小韌窩，以及少量平滑的滑移臺(tái)階，對(duì)應(yīng)較高的抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)閅3中富Ag相含有較高濃度的Ni和Mn，致使兩元素的微觀偏析不顯著，富Ag相各部位均有較高的強(qiáng)化效果，在斷口中表現(xiàn)為大尺寸的等軸韌窩。

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以推測3種釬焊接頭的拉伸斷裂過程如圖6所示。Y1接頭拉伸斷裂起裂源位于釬縫富Cu相/富Ag相界面，起裂后裂紋在釬縫富Ag相中擴(kuò)展；Y2接頭拉伸時(shí)，裂紋首先在固溶Ni極少的釬縫富Ag相中起裂，然后繼續(xù)在釬縫富Ag相中擴(kuò)展；Y3接頭拉伸斷裂過程與Y2相似，只是Ni、Mn在釬縫富Ag相各部位的強(qiáng)化效果無顯著差別，起裂源在釬縫富Ag相中未發(fā)現(xiàn)明顯的區(qū)域選擇性。

圖5 Y1、Y2和Y3斷口微觀形貌及P點(diǎn)能譜分析

圖6 Y1、Y2和Y3接頭斷拉伸裂示意

3 結(jié)論

（1）3種釬焊接頭中釬料和母材均實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，界面區(qū)發(fā)生Ni、Mn等元素短距離擴(kuò)散。

（2）接頭界面區(qū)釬料側(cè)和釬縫區(qū)組織由灰白色富Ag相和灰黑色富Cu相組成，Y1富Cu相呈粗大樹枝晶，在界面處呈斷續(xù)分布，Y2富Cu相在釬縫中呈塊狀晶，界面處為“痘點(diǎn)”胞狀晶，Y3富Cu相在界面處為層狀分布的胞狀晶。

（3）Y1、Y2和Y3接頭的平均抗拉強(qiáng)度分別為430.99 MPa、444.92 MPa和456.40 MPa。Y1、Y2和Y3斷口起裂源分別位于釬縫富Cu相/富Ag相界面、Ni固溶強(qiáng)化較弱的釬縫富Ag相和釬縫富Ag相，裂紋擴(kuò)展均發(fā)生在釬縫富Ag相中，隨著釬料中Ni的增加，釬縫富Ag相固溶強(qiáng)化效果增大，提高了接頭抗拉強(qiáng)度。

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Effect of Ni element on microstructure and properties of 201 stainless steel joint brazed by AgCuZn filler metals

DU Quanbin，LONG Weimin，SHEN Yuanxun，JIU Yongtao，XUAN Qingqing
（Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering，State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals，Zhengzhou 450001，China）

201 stainless steel butt joints were brazed by induction brazing using BAg45CuZn (Y1)，BAg40CuZnNi(Y2)and BAg49ZnCuMnNi(Y3).Tension strength of joints were tested by MTS universal material testing machine，microstructure and fracture morphology of joints were analyzed by SEM and EDS.Results show that good metallurgical combination are achieved between filler metal and base metal，interface area filler metal and brazing seam area are composed of grayish-white Ag-rich phase and grayish-black Cu-rich phase；with the increasing of Ni element，interface Cu-rich phase of Y1，Y2 and Y3 evolves from coarse dendrite to"pox point" cellular-like crystal and continuous layered cellular crystal，brazing seam Cu-rich phase is also changed from coarse dendrite to bulk crystal；fracture initiation sources of Y1，Y2 and Y3 are transformed from phase interface of brazing seam Ag-rich phase/Cu-rich phase，brazing seam Ag-rich phase with weak solution strengthening to brazing seam Ag-rich phase，three kinds of joints crack propagation occur in the brazing seam Ag-rich phase，with the increasing of Ni，solution strengthening effect of brazing seam Ag-rich phase is increased，and tensile strength of joints are improved；the average tensile strength of Y1，Y2 and Y3 are 430.99 MPa，444.92 MPa and 456.40 MPa respectively.

silver-based brazing filler metal；interface structure；tensile strength；fracture morphology

TG425

A

1001－2303（2017）02－0119-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.24

2016-08-03

國家國際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目（2015DFA50470）；河南省重大科技專項(xiàng)（141100211100）

杜全斌（1983—），男，河南虞城人，博士，主要從事粉末冶金技術(shù)、釬焊材料與釬焊工藝的研究。

獻(xiàn)

杜全斌，龍偉民，沈元?jiǎng)?，?Ni對(duì)AgCuZn釬焊201不銹鋼接頭組織及性能的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：119-123.