一種對(duì)Cu與Fe熔合物研究的方法及其強(qiáng)化機(jī)理

歐青華

針對(duì)軍用工程機(jī)械材料容易出現(xiàn)疲勞斷裂，磨損等問題，需要采取特殊的方法對(duì)其進(jìn)行加固，通過研究，我們發(fā)現(xiàn)，可以在材料中加入Ni元素可增強(qiáng)其抗疲勞的程度。將其應(yīng)用于斗齒、挖斗的制作，能較大改善軍用工程機(jī)械的性能，且經(jīng)試驗(yàn)檢測可以很好地防彈片等。

一、Cu與Fe熔合物研究

1.試驗(yàn)方法

對(duì)軍用工程機(jī)械快速焊接中，高溫自蔓延快速焊接技術(shù)要求焊藥一經(jīng)點(diǎn)燃能自發(fā)反應(yīng)，且放熱量要大，可以產(chǎn)生使母材熔化的足夠熱量，且由于受焊母材為金屬，因此希望反應(yīng)能生成一定的金屬成分作為焊縫填充物。故選用熱效應(yīng)大、絕熱燃燒溫度較高的鋁熱劑CuO+Al系、Fe2O3+A1系作為焊藥的基本配方。

按照化學(xué)計(jì)量比分別稱取一定量的CuO和A1，F(xiàn)e2O3和A1，在混料機(jī)中充分混合，待其干燥后制備成不同比例的焊條。采用CuO+Al系、Fe2O3+A1系及二者混合物為焊藥，其中CuO+Al系的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0，20%，45%，60%，70%，80%，90%，100%，焊藥成分如表1.1所示。用混料機(jī)充分混合后，按照上述方法制成圓柱形焊條。焊接過程中采用對(duì)接平焊，運(yùn)條方式與焊條電弧焊類似，試驗(yàn)?zāi)覆臑镼235鋼，將兩塊試驗(yàn)?zāi)覆膶?duì)接好，不清理試板上的銹蝕，并用電子秒表測定焊條燃燒時(shí)間，并計(jì)算燃燒速度，對(duì)焊縫進(jìn)行宏觀分析，用萬能試驗(yàn)機(jī)分析其力學(xué)性能，用電子顯微鏡測定焊縫金屬的金相組成。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

開始焊接時(shí)點(diǎn)燃引線，焊藥發(fā)生反應(yīng)過程中形成燃燒弧，采用電弧焊的作業(yè)方式，反應(yīng)所放出的熱量使試驗(yàn)?zāi)覆木植咳刍瑥亩纬扇鄢?，生成的金屬產(chǎn)物填充于焊縫中，冷卻后焊縫基本成形。

（1）焊縫外觀形貌分析

1號(hào)焊條（全部為Fe2O3+A1系）與2號(hào)焊條（CuO+Al系占20%）燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量偏低，不能使5 mm厚的試驗(yàn)?zāi)覆木植砍浞秩刍?，且熱量小，熔池凝固快，金屬液流?dòng)性差，無法實(shí)現(xiàn)母材的有效連接。焊藥中CuO+Al系含量比例超過50%后，反應(yīng)產(chǎn)生了更多的熱量，母材被焊透，金屬熔池具有較好的流動(dòng)性，冷卻凝固后，焊縫表面成形良好，無明顯裂紋，外觀比較平整光滑。圖1.1所示，4號(hào)焊條所對(duì)應(yīng)的焊縫正面宏觀形貌，試驗(yàn)?zāi)覆暮傅缹挾染鶆颍螤钶^為規(guī)則，表面成形良好，焊縫呈金屬光澤。圖1.2所示，4號(hào)焊條所對(duì)應(yīng)的焊縫背面宏觀形貌，母材沿焊縫被焊透，背面焊道成形良好，基本達(dá)到了單面焊雙面成形的焊接效果。

（2）燃燒速度

焊條的燃燒速度與焊藥中CuO+A1系的比例關(guān)系于圖1.3可見，隨CuO+Al系比例的增大，反應(yīng)燃燒速度也不斷加快。根據(jù)上文可知，與Fe2O3+A1系相比，CuO+Al系反應(yīng)的放熱量較大，絕熱燃燒溫度較高，因此，高熱劑中CuO+Al系比例越高，反應(yīng)體系實(shí)際能夠達(dá)到的溫度也就越高，更加有利于試驗(yàn)?zāi)覆暮徒饘佼a(chǎn)物的熔化，從而形成性能良好、成分均勻的焊縫；但另一方面，溫度越高，反應(yīng)的速度加快，使焊接可控性降低，不易操作。隨CuO+Al系比例的增大，反應(yīng)燃燒速度也不斷加快，當(dāng)CuO+Al系的比例在60%～80%時(shí)，反應(yīng)速度基本保持穩(wěn)定，并且該燃燒速度比較適中，可控性較好，便于操作。當(dāng)CuO+Al系的比例超過90%后，反應(yīng)速度太快，焊接可控性差，難以操作。

（3）焊縫力學(xué)性能分析

焊藥中CuO+Al系的比例超過50%所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)覆模浜缚p的抗拉強(qiáng)度與CuO+Al系的比例關(guān)系于圖1.3所示可見，隨CuO+Al系比例的增大，焊縫的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，且比例越高，降低幅度越大。CuO+Al系比例為45%，60%，70%，80%的焊條（即3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)焊條），焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)400MPa以上，與試驗(yàn)?zāi)覆膹?qiáng)度基本相當(dāng)，或高于試驗(yàn)?zāi)覆膹?qiáng)度，其中3號(hào)、4號(hào)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到420MPa。根據(jù)反應(yīng)原理，兩種反應(yīng)分別生成Cu和Fe，且Cu的含量多于Fe。在冷卻過程中，兩種金屬發(fā)生了包晶反應(yīng)，并形成了以Cu為基的α固溶體，但是Fe在Cu中的溶解度是有限的，在1323K時(shí)為3.5%，并且隨著溫度下降，其溶解度急劇降低，當(dāng)Fe的含量超過固溶度后，組織中便會(huì)產(chǎn)生單獨(dú)存在的顆粒狀富鐵相（可能是溶有一定量銅的α-Fe固溶體）。一方面，第二相的析出產(chǎn)生了合金強(qiáng)化作用，從而提高了焊縫的抗拉強(qiáng)度；另一方面，富鐵相熔點(diǎn)高，冷卻時(shí)先結(jié)晶，作為晶核起到了細(xì)化晶粒的作用，阻止了銅結(jié)晶時(shí)的晶粒繼續(xù)變大，從而提高了合金的力學(xué)性能。Fe2O3+A1系比例越高，析出的富鐵相越多，強(qiáng)化作用也就越明顯。

焊縫的顯微硬度如圖1.4所示?？芍?，焊縫中心的顯微硬度HV9.8約為80，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材的硬度HV9.8約為150，且隨著靠近熔合區(qū)距離的減少而增加，而熔合區(qū)的硬度較高，甚至高于母材。

（4）焊縫的微觀組織

圖1.5為4號(hào)焊條所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)覆牡慕鹣嘟M織照片，其中黑色顆粒為析出的第二相富鐵相，淺色基體為銅基固溶體。

二、焊縫性能分析與強(qiáng)化機(jī)理研究

從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用Fe2O3+A1、CuO+Al作為放熱體系雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)?zāi)覆牡娜酆高B接，但是焊縫的硬度較低，大約只有母材的一半。因此，為了實(shí)現(xiàn)焊縫與母材強(qiáng)度的匹配，應(yīng)對(duì)焊縫金屬進(jìn)行強(qiáng)化。

根據(jù)Cu-Ni二元合金相圖可知Cu和Ni之間可以形成無限固溶的固溶體，且二者之間不會(huì)形成任何中間化合物。此外，Ni還能大大提高Fe在Cu內(nèi)以及Cu在Fe內(nèi)的溶解度。從圖Fe-Cu二元相圖上可以看出，當(dāng)溫度低于Cu的熔點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)e（fcc）和Cu（fcc）之間存在一個(gè)很大的不混溶區(qū)。鎳的加入則能使這個(gè)不相混溶區(qū)消失。如Cu-Ni-Fe三元相圖所示，當(dāng)溫度超過910℃時(shí)，能形成Cu在γ鐵中的連續(xù)固溶體。Cu-Ni， Fe-Cu二元合金相圖和Cu-Ni-Fe三元相圖如圖2.1所示。

因此，本節(jié)考慮采用添加Ni的方法對(duì)焊縫進(jìn)行合金強(qiáng)化，通過2A1+3NiO Al2O3+3Ni反應(yīng)在焊縫中引入元素Ni。

1.實(shí)驗(yàn)部分

（1）試樣制備

實(shí)驗(yàn)所用自蔓延合成材料體系由高熱劑、稀釋劑和造渣劑等組成。其中，CuO+Al系和NiO+Al系作為高熱劑，其占該體系總量的50.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；Si+CuO系作為造渣劑，其占體系總量的45.4%；硅酸鈣為稀釋劑，其占體系總量的4%。自蔓延合成材料具體成分如表4.1所示。以乙醇作為溶劑，將反應(yīng)材料放入混合機(jī)中充分混合，待其干燥之后裝入紙制圓筒中，壓實(shí)后制備成焊條。

焊接實(shí)驗(yàn)所選母材為2塊Q235鋼板，將兩塊試件依次平放在工作臺(tái)上，兩端對(duì)齊，中間留有1-2mm的縫隙，不需除銹預(yù)處理。采用平焊方法進(jìn)行焊接，其工藝參數(shù)如下：焊接速度為5mm/s，焊接傾角為70°，燃弧長5mm。

（2）微觀組織測試分析

分別用600#，800#，1000#砂紙對(duì)自蔓延高溫合成試樣進(jìn)行逐級(jí)磨光，之后用粒度為1.0μm的Al2O3拋光液進(jìn)行機(jī)械拋光獲得金相試樣；用6%的氯化高鐵酒精溶液腐蝕對(duì)其進(jìn)行腐蝕；采用Phoenix 4000型金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察。

采用HitachiS-4800型掃描電子顯微鏡（SEM）（附帶能量色散X射線分析儀）觀察反應(yīng)生成物微觀組織和摩擦磨損表面形貌，并測定其元素組成。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)

采用DHV-1000型維式顯微硬度儀測定焊縫的顯微硬度，加載載荷為9.8N，加載時(shí)間為20s。

采用WS-2005型涂層附著力劃痕試驗(yàn)機(jī)測定反應(yīng)生成物涂層與基體之間的臨界結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：劃痕速度為2mm/min，劃痕長度為5mm，作用速度為30N/min，最大作用載荷為200N。表征焊縫金屬與母材結(jié)合強(qiáng)度由HSL衡量，該參數(shù)由如下ASTM G171-03標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：

其中，Lc為施加于反應(yīng)生成物涂層上的法向力（N），可通過采集的聲發(fā)射信號(hào)獲得；d為對(duì)應(yīng)劃痕的寬度（m）。

2.結(jié)果與討論

（1）微觀組織結(jié)構(gòu)

圖2.1分別為自蔓延焊接區(qū)域總體形貌的SEM、金相顯微照片、線掃描元素分布圖和能譜圖。從圖2.1a可知，黑色區(qū)域?yàn)槟覆模疑珔^(qū)域?yàn)榉磻?yīng)生成的Cu-Fe-Ni合金，即Cu、Ni、Fe的固溶體。自蔓延反應(yīng)過程中釋放大量的熱量使母材熔化，且由于受熱程度不同導(dǎo)致母材熔化程度不同，產(chǎn)生了形狀不規(guī)則的區(qū)域，如圖2.1a中母材的平頭區(qū)域和尖頭區(qū)域。自蔓延反應(yīng)過程中，熔融焊藥和母材熔合，冷卻后形成合金，可見，合金與母材之間結(jié)合良好，并且微裂紋和氣孔等缺陷較少。

由圖2.1b可見，母材與合金之間形成明顯的熔合區(qū)，且該區(qū)域金相組織結(jié)構(gòu)與合金和母材差別較大，這是由于該區(qū)域母材和合金之間的元素發(fā)生相互擴(kuò)散和遷移，其相應(yīng)的線掃描如圖2.1c所示。由圖2.1c可知，母材中的Fe元素向合金中擴(kuò)散遷移，并且離母材越近的區(qū)域其擴(kuò)散遷移的F e含量越高，同時(shí)合金中的Cu、Ni元素也向母材中擴(kuò)散遷移。反應(yīng)形成的Cu-Fe-Ni合金主要由樹枝狀晶（標(biāo)識(shí)A）和黑色區(qū)域（標(biāo)識(shí)B）構(gòu)成。圖2.1d和圖2.1e分別為圖2.1b中的A區(qū)域和B區(qū)域?qū)?yīng)的能譜圖，表2.2和表2.3分別是A、B區(qū)域元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子分?jǐn)?shù)?？梢姡珹區(qū)域Fe的含量比Cu、Ni的含量要多，主要是由于該區(qū)域離母材較近，母材中Fe元素大量擴(kuò)散遷移的結(jié)果；而在B區(qū)域Cu的含量遠(yuǎn)大于Fe、Ni的含量。

圖2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)分析：（a）、（b）分別為焊接區(qū)域形貌的SEM、金相照片；（c）線掃描元素分布圖；（d）、（e）A、B區(qū)域的能譜。

（2）力學(xué)性能

（1） 顯微硬度

圖2.2為焊縫結(jié)合區(qū)域硬度分布圖?？梢?，Cu-Fe-Ni合金區(qū)域的顯微硬度約為130～180HV9.8 ，熔合過渡區(qū)的顯微硬度約為260HV9.8，母材的顯微硬度為180HV9.8?？梢?，熔合過渡區(qū)的硬度要遠(yuǎn)高于母材和Cu-Fe-Ni合金區(qū)。這是由于反應(yīng)過程中，反應(yīng)物燃燒釋放大量的熱，使得母材和反應(yīng)生成物熔合在一起，母材中的Fe和生成物中的Cu、Ni相互之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象（圖4.1c），并生成溶有Cu、Ni的Fe基固溶體合金，達(dá)到了固溶強(qiáng)化的作用。由于合金區(qū)主要是溶有少量Fe、Ni的Cu基固溶體，因此相比母材，其硬度略低。

（2） 結(jié)合強(qiáng)度分析

圖2.3為Cu-Fe-Ni劃痕形貌圖以及劃痕試驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)圖。由圖2.3b可見，在臨界結(jié)合力Lc為73.6N時(shí)，劃痕儀捕捉到聲發(fā)射信號(hào)，表明熔覆層Cu-Fe-Ni材料開始發(fā)生破壞。圖2.3a為劃痕形貌圖，測量其對(duì)應(yīng)的劃痕寬度并帶入公式（4-1），可得該結(jié)合處的HSL值為0.749 GPa，表明具有較高的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合圖2.1（c）可知，反應(yīng)放熱使得母材和反應(yīng)生成物熔合，母材中的Fe元素和反應(yīng)生成的Cu元素、Ni元素等相互滲透，冷卻后形成Cu-Fe-Ni固溶體，起到了固溶強(qiáng)化的效果，且使二者呈冶金結(jié)合，最終，實(shí)現(xiàn)了焊縫強(qiáng)度的較高。

通過實(shí)驗(yàn)研究，我們研制了可用于軍用工程機(jī)械焊接中的新材料，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的對(duì)軍事裝備焊接中的不足，將該技術(shù)運(yùn)用于軍用工程機(jī)械中，能夠大幅提高軍用工程機(jī)械的可靠性和穩(wěn)定性，使其在軍事應(yīng)用中的價(jià)值得到凸顯，提高工程兵部隊(duì)遂行工程保障任務(wù)的能力。