釬焊工藝對75Ni8排鋸鋼基體性能影響的研究

于學(xué)宗， 龍偉民， 高 雅

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

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，市場對石材制品的需求越來越旺盛，促使我國的石材行業(yè)快速發(fā)展。大理石因?yàn)槭|(zhì)細(xì)膩，花紋、顏色漂亮，價(jià)格適中，越來越受到人們的青睞。大理石從開采到成為裝飾類材料需要經(jīng)過漫長而復(fù)雜的加工過程。首先要將大理石從母巖基體上剝離下來(稱為“荒料”)，荒料體積、重量巨大，需經(jīng)過大理石框架鋸機(jī)切割成板料，再進(jìn)行下一步打磨、拋光等工藝。

大理石框架鋸機(jī)是在傳統(tǒng)砂鋸的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，相比于砂鋸具有行程長、切割速度快、出板平整度高等優(yōu)點(diǎn)，在大理石荒料加工中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。大理石框架鋸機(jī)的主要受力部件是大理石排鋸條，通過釬焊方法把排鋸鋼基體和金剛石刀頭釬焊在一起而形成排鋸條。如果釬料使用不當(dāng)或釬焊工藝不合理，大理石排鋸在使用過程中就容易出現(xiàn)“掉刀頭”現(xiàn)象[3-4]。出現(xiàn)此種情況后需停止生產(chǎn)以修復(fù)排鋸條，不僅影響生產(chǎn)效率，還會(huì)影響切割平板的表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至造成名貴的大理石料報(bào)廢。

釬焊過程中的加熱時(shí)間和保溫時(shí)間都會(huì)對釬焊接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響[5]。因此，尋找適合排鋸鋼釬焊的釬料及確定合適的釬焊工藝顯得尤為重要。

我們選用7種不同成分的合金釬料(包括3種三元合金釬料、3種四元合金釬料和1種層狀復(fù)合釬料)，來研究釬焊后排鋸鋼基體的組織及力學(xué)性能。所用的釬料中，層狀復(fù)合釬料又被稱為“三明治”釬料，這種釬料芯部為應(yīng)力緩釋材料，外部為包覆釬料。在釬焊過程中，只是外部的釬料熔化，芯部材料不熔化，芯部材料在冷卻時(shí)吸收部分熱應(yīng)力，從而使釬焊產(chǎn)生裂紋的傾向性大大降低，有利于形成優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭[6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

母材選用德國排鋸專用不銹鋼，牌號(hào)75Ni8，厚度1.9 mm。75Ni8排鋸鋼主要化學(xué)成分見表1。選用7種釬料，其中三元合金釬料3種，牌號(hào)CT643、HL303、5081；四元合金釬料3種，牌號(hào)CT737、HL312、BAg612；三明治釬料，牌號(hào)HL861。其中，HL表示釬焊行標(biāo)用釬料，CT表示鄭州機(jī)械研究所開發(fā)釬料，BAg表示釬焊新行標(biāo)用釬料，5081表示眼鏡行業(yè)專用釬料。7種釬料的主要成分和熔化溫度區(qū)間見表2。

釬焊工件的準(zhǔn)備：將75Ni8排鋸鋼線切割成400個(gè)尺寸為15 mm×10 mm ×2 mm的試樣做抗剪切實(shí)驗(yàn)，400個(gè)尺寸為30 mm ×10 mm×2 mm的試樣做沖擊性實(shí)驗(yàn)，400個(gè)尺寸為25 mm×12 mm×2 mm的試樣做排鋸刀頭釬焊模擬實(shí)驗(yàn)。釬焊前先用砂帶機(jī)打磨掉試樣四周的毛刺，后用200號(hào)砂紙打磨表面，再用金屬清洗劑超聲清洗去除油污，最后酒精清洗烘干后備用。釬焊過程使用QJ102釬劑。

表1 75Ni8排鋸鋼化學(xué)成分表

表2 7種釬料的成分及熔化溫度區(qū)間

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用瑞奧RAG-15 kW高頻感應(yīng)焊機(jī)進(jìn)行釬焊實(shí)驗(yàn)，輸出電流200 A，在同一輸出電流下調(diào)整各種釬料的加熱時(shí)間，使釬料熔化并填滿釬縫。通過實(shí)驗(yàn)得出7種釬料的加熱時(shí)間和保溫時(shí)間，如表3所示。

表3 7種釬料加熱時(shí)間和保溫時(shí)間

使用MTS萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，JB-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)。用線切割將釬焊好的接頭試樣切割，試樣鑲樣后用80#～2000#金相砂紙逐級(jí)打磨并拋光，再使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的硝酸酒精溶液(HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，剩余酒精)進(jìn)行腐蝕。使用蔡司Axio Scope A1金相顯微鏡觀察釬焊接頭組織，使用HV-1000A型維氏硬度計(jì)測量維氏硬度。維氏硬度的測量從每種釬料的釬縫處向垂直于釬縫方向的母材兩側(cè)進(jìn)行，間距2 mm，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并最終繪制成圖表。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

表4為7種釬料釬焊接頭的剪切強(qiáng)度值和沖擊韌性值。從表4可以看出：三明治釬料HL861釬焊接頭的剪切強(qiáng)度最好，平均剪切強(qiáng)度值為164.87 MPa；釬料HL303釬焊接頭剪切強(qiáng)度最差，平均剪切強(qiáng)度值為90.82 MPa；而三元合金釬料中CT643的剪切強(qiáng)度較高，為141.09 MPa，僅次于三明治釬料HL861的剪切強(qiáng)度。四元合金釬料剪切強(qiáng)度值整體都高于HL303和5081。

表4 7種釬料釬焊接頭的剪切強(qiáng)度和沖擊韌性值

從表4還可以看出：釬料CT737和HL303的平均沖擊韌性值都較高，其中釬料CT737的沖擊韌性值最高，釬料HL303的次之；釬料CT643的沖擊韌性值最低，不適合承受沖擊載荷較大的場合。而三明治釬料HL861的沖擊韌性值稍高于7種釬料的平均沖擊韌性值的平均值(35.60 J/cm2)，說明三明治釬料HL861沖擊韌性值適中，既有適度的剛度又能承受一定程度的沖擊載荷，適合作為大理石排鋸刀頭釬焊用材料。

由于排鋸鋼和金剛石刀頭的線膨脹系數(shù)不同，釬焊后很容易引起內(nèi)應(yīng)力問題，導(dǎo)致釬焊接頭出現(xiàn)熱裂紋甚至虛焊。三明治釬料因其獨(dú)有的中間銅夾層，具有熱導(dǎo)率好的優(yōu)勢，在焊接過程中能快速吸收焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量并散發(fā)出去，降低焊接冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，避免釬焊冷卻過程中產(chǎn)生的熱裂紋；同時(shí)，排鋸刀頭在實(shí)際工作過程中會(huì)受到水平切削力和垂直剪切力的混合作用[7]，而三明治釬料內(nèi)層的純銅片具有良好的塑性，在排鋸刀頭工作中能緩沖受到的交變應(yīng)力[8]。綜合考慮三明治釬料的剪切強(qiáng)度和沖擊韌性值等因素，其綜合性能比其他釬料優(yōu)越，更適合作為排鋸刀頭的釬焊材料。

2.2 維氏硬度分析

用不同釬料釬焊后接頭的維氏硬度分布如圖1所示。為了便于比較高銀含量釬料的性能，把含銀質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的另兩種釬料5081、BAg612也重復(fù)標(biāo)在圖1c上，統(tǒng)一以50Ag釬料來表示。未加熱時(shí)，75Ni8排鋸鋼的最高維氏硬度為4 468.91 MPa。

(a)三元釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

(b)四元釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

(c)50Ag釬料釬焊接頭維氏硬度對比圖

從圖1可以看出：排鋸鋼母材經(jīng)釬焊后熱影響區(qū)寬度均在20 mm左右，與釬料種類無關(guān)；距釬縫中心越近的區(qū)域，母材的維氏硬度越低，距離越遠(yuǎn)的區(qū)域，母材的維氏硬度越高。原因是：當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)，排鋸鋼基體會(huì)發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，維氏硬度下降。離釬縫距離越近的區(qū)域，受到的熱作用時(shí)間越長，再結(jié)晶現(xiàn)象越顯著；離釬縫距離較遠(yuǎn)的區(qū)域，受熱作用的時(shí)間短，晶粒并無明顯長大，維氏硬度接近于原始母材。

對比三元釬料釬焊接頭的維氏硬度(圖1a)發(fā)現(xiàn)：CT643熱影響區(qū)內(nèi)的維氏硬度比5081上升快，說明隨著銀含量的升高，釬縫兩側(cè)母材的維氏硬度上升變得平緩。這是因?yàn)殡S著釬料中銀含量的降低，銅元素所占的比例增大，釬料的熔化溫度升高，加熱時(shí)間變長，熱影響區(qū)變寬，維氏硬度變化顯著。同樣的現(xiàn)象可以從四元合金釬料CT737和BAg612的維氏硬度分布圖中觀察出來(圖1b)。三明治釬料HL861釬縫區(qū)的維氏硬度最低(圖1c)，為603.68 MPa。同時(shí)對比50Ag釬料5081、BAg612和HL861(圖1c)時(shí)發(fā)現(xiàn)：三明治釬料HL861維氏硬度上升趨勢整體在5081和BAg612之下，三明治釬料HL861維氏硬度上升更為平穩(wěn)，分析為三明治釬料的受熱時(shí)間較其他兩種釬料長，晶粒長大明顯，維氏硬度下降較快。

2.3 顯微組織分析

排鋸鋼75Ni8的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.72%～0.78%，接近于共析鋼(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.77%)，后者的金相組織為珠光體；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.77%時(shí)，金相組織表現(xiàn)為大量的珠光體加少量的鐵素體[9-10]。75Ni8排鋸鋼經(jīng)7種釬料釬焊后釬縫金相組織形貌圖如圖2所示。

圖2a為排鋸鋼未釬焊的金相組織，晶粒較細(xì)小且分布均勻；圖2b～圖2h為7種釬料釬焊接頭腐蝕后的金相組織圖。從圖2b～圖2h可以看出：在釬縫兩側(cè)的母材區(qū)域都有黑白相間的金相組織，這是碳化物析出。其原因在于：當(dāng)溫度在350～550 ℃之間(低于珠光體形成溫度)時(shí)，基體發(fā)生回火，馬氏體分解成鐵素體和回火屈氏體[11-12]；離釬縫越近的區(qū)域，母材晶粒越粗大。這是因?yàn)殡x釬縫越近的母材，在釬焊過程中受熱影響時(shí)間就越長，升溫速度越快。當(dāng)受熱溫度超過600 ℃(超過共析鋼回火溫度)時(shí)，在冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒長大明顯；離釬縫較遠(yuǎn)的區(qū)域受熱影響的時(shí)間較短，晶粒長大不明顯[13-14]。圖2b中CT643釬料釬焊接頭兩側(cè)的白色組織分布較為集中，這是由于釬焊時(shí)受熱時(shí)間較長，組織轉(zhuǎn)變明顯，碳化物析出變多的緣故。而相對釬焊溫度較低的HL303和5081，釬焊后的金相組織轉(zhuǎn)變不明顯，組織分布較均勻(圖2c、圖2d所示)。圖2h中的三明治釬料HL861因含有中間層夾層，較其他釬料的釬縫寬，釬焊加熱速度較快，釬縫兩側(cè)的白色晶粒狀碳化物析出不多，組織相對均勻。因此，三明治釬料在釬焊過程中受熱的影響不大，更適合作為排鋸刀頭釬焊的首選材料。

(a)75Ni8未釬焊(b)CT643釬焊接頭(c)HL303釬焊接頭(d)5081釬焊接頭(e)CT737釬焊接頭(f)HL312釬焊接頭(g)BAg612釬焊接頭(h)HL861釬焊接頭圖2 75Ni8及經(jīng)7種釬料釬焊后金相組織形貌圖

3 結(jié)論

(1)75Ni8排鋸鋼在釬焊過程中受熱影響的作用較大，當(dāng)加熱時(shí)間變長，溫度超過600℃時(shí)，排鋸鋼基體發(fā)生回火再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒長大，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹎象w。

(2)三明治釬料HL861釬焊接頭的平均剪切強(qiáng)度值最高，沖擊韌性適中，其獨(dú)有的中間層夾層既有適度的剛度又能起到緩沖應(yīng)力的作用，適合作為大理石排鋸刀頭的釬焊材料。

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