AgCuMnNi 釬料元素含量對釬焊接頭組織及性能的影響

唐威

(山西機電職業(yè)技術學院，山西 長治 046011)

0 前言

硬質合金因具有較高的硬度、強度及耐磨耐蝕性能被廣泛的應用于現(xiàn)代工業(yè)的諸多行業(yè)中，尤其是在刀具行業(yè)、礦山工業(yè)與石油鉆探等領域[1]。釬焊因具有焊接溫度相對較低、焊后變形小及方便實現(xiàn)復雜結構件的焊接等優(yōu)點而成為硬質合金異質連接最常用的方法[2-3]。常用的硬質合金釬焊工具包含各類切削刀具、盾構刀頭、煤截齒、石油鉆頭、牙科微鉆等，但是隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，硬質合金釬焊工具的服役環(huán)境日益極端化，如其在深空探測任務中的應用[4]，極端服役環(huán)境對硬質合金釬焊工具的整體質量提出了更高的要求。

現(xiàn)階段硬質合金釬焊工具常用鋼基體材料多為碳鋼、不銹鋼與合金鋼等[5-6]，此類常規(guī)鋼基體材料在極端環(huán)境下，如深冷環(huán)境中的性能難以預測，所以急需開發(fā)與硬質合金釬焊連接的新型鋼基體材料。高溫合金是以Fe，Ni，Co，Cr 為基體，能在600 ℃以上，一定應力作用下長期穩(wěn)定工作的金屬材料[7]，其中GH4169 在-253～600 ℃之間具有優(yōu)秀的綜合物理性能[8]。由于硬質合金材料線膨脹系數(shù)很小，與異質材料釬焊連接時，應盡量選用熔點低、塑性好的釬焊材料來降低接頭中的殘余應力[9]。而高溫合金材料釬焊時，為追求接頭高溫性能，多采用高溫釬料，如NiCrSiB 系釬料[10]，所以針對硬質合金與高溫合金適宜釬焊材料的研究具有十分重要的意義。

綜上所述，該研究中選用了熔點相對較低的Ag基釬料為釬焊材料。在高溫合金與硬質合金釬焊的研究中，Wang 等學者[11]選用AgCuNiLi 釬料真空釬焊YG8 與In718，結果表明：釬縫組織由Ag 固溶體、Cu 固溶體與CuNi 固溶體組成，經剪切試驗后發(fā)現(xiàn)，接頭抗剪強度較低（127.5 MPa），且斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征。有研究表明：Ni，Mn 元素的加入能夠提升Ag 釬料在硬質合金上的潤濕鋪展性能，并且能夠增強釬料的強度[12-13]。由于該研究中釬料面向極端化應用，需考慮釬料深冷性能，從設計角度上分析，應選用面心立方元素為釬料主要組成元素，如Cu，Ni，Al等，而Mn 作為降熔元素可調控釬料熔點，所以該研究最終選取了AgCuMnNi 四元合金釬料，通過改變釬料中不同元素的含量，研究釬料組織與YG6X/AgCuMnNi/GH4169 釬焊接頭微觀組織的演變規(guī)律，以及接頭力學性能的變化規(guī)律，旨在通過對上述內容的研究，為硬質合金與高溫合金異種材料的釬焊連接提供一定的參考價值。

1 試驗材料與方法

文中釬焊材料為自主研發(fā)制造的AgCuMnNi 釬料，釬料制備方法為真空感應熔煉法，將熔煉后的釬料經退火軋制，清洗分切后得到試驗用料，釬料厚度為0.2 mm。文中設計的3 種AgCuMnNi 釬料的名義成分見表1。按照釬料中Ag 含量的降低及Ni，Mn 含量的減少的變化規(guī)律，將設計的3 種AgCuMnNi 釬料分別稱為Ag-1，Ag-2 與Ag-3。研究中采用的釬焊母材分別為YG6X 硬質合金與GH4169 高溫合金，YG6X硬質合金為細晶WC-6Co（94%WC，6%Co，質量分數(shù)；晶粒度為2 μm），具有優(yōu)異的力學性能，抗彎強度可達2495 MPa，硬度可達91 HRA，產自株洲硬質合金集團有限公司。GH4169 為沉淀強化型鎳基高溫合金，產自寶鋼集團有限公司。GH4169 的化學成分見表2。對生產的3 種AgCuMnNi 釬料進行取樣分析，分別測試釬料的實際成分與熔化特性。通過TAS-990F原子吸收分光光度計測量釬料實際成分，測試取樣重量為0.2 g；通過TGA-1000 差熱分析儀測量釬料熔點，取樣重量為0.03 g。通過Phenom-XL 電子顯微鏡對釬料進行微觀組織觀察與分析。然后，在860 ℃保溫10 min 的工藝條件下，對YG6X/Ag-1(Ag-2,Ag-3)/GH4169 分別進行真空釬焊試驗，釬焊試樣如圖1 所示。焊后對接頭進行取樣分析，觀察接頭微觀組織與元素分布，并通過E45-105 萬能試驗機測試試樣抗拉強度，拉伸速率為1 mm/min。

表1 AgCuMnNi 釬料名義成分(質量分數(shù)，%)

表2 GH4169 化學成分(質量分數(shù)，%)

2 試驗結果與分析

2.1 釬料成分與熔點

3 種釬料實測成分見表3，熔化特性見表4。由表3 可知，實測的釬料成分在設計的釬料成分范圍之間，符合設計要求。3 種釬料的DSC 曲線如圖2 所示，由表4 可知，3 種釬料的熔化溫度范圍分別為766.91～791.2 ℃，757.27～789.34 ℃，753.5～789.88 ℃。在AgCuMnNi 釬料體系中Ag 與Mn 為主要降熔元素，Ag-1 釬料中Mn 含量最高，Ag-3 中Ag 含量最高，從而使得3 種釬料液相線相接近。

圖2 3 種釬料DSC 曲線

表3 AgCuMnNi 釬料實測成分(質量分數(shù)，%)

表4 AgCuMnNi 釬料固-液相線

2.2 釬料微觀組織

圖3 為3 種AgCuMnNi 釬料鑄態(tài)微觀組織形貌圖，表5 為釬料微觀區(qū)域EDS 分析結果。圖3a～圖3c分別低倍下Ag-1，Ag-2 與Ag-3 的微觀組織形貌，而圖3d～圖3f 分別為高倍下Ag-1，Ag-2 與Ag-3 的微觀組織形貌。

圖3 釬料微觀組織圖

表5 不同釬料組織EDS 分析結果(質量分數(shù)，%)

將圖3 與表5 結合分析可以得知，鑄態(tài)AgCuMnNi釬料主要由富Ag 相與富Cu 相組成。釬料中灰黑色組織為富Cu 相，呈樹枝晶狀分布，灰白色組織為富Ag 相，分布在富Cu 相枝晶間隙中。Ag-1 釬料中灰黑色的富Cu 相枝晶細小，分布密集，富Cu 相中Mn含量高于Ni 含量；Ag-2 釬料中灰黑色的富Cu 相組織占比減少，并出現(xiàn)共晶組織區(qū)域；Ag-3 釬料中灰黑色的富Cu 相占比進一步減少，富Ag 相組織占比增加，并且富Cu 相中Ni 含量逐漸超過Mn 含量。

釬料組織類型、形貌及占比受釬料中各元素含量的影響。由Ag，Cu，Ni 與Mn 之間的合金相圖可知，Ni 與Mn 主要固溶在Cu 基體中，所以Ni 與Mn 含量的變化主要影響組織中富Cu 相的成分、形貌與占比。隨著Ni 與Mn 含量的減少及Ag 含量的增加，釬料組織中富Cu 相占比逐漸降低，富Cu 相中Mn 含量逐漸降低，富Ag 相組織占比逐漸增加。由表5 可知，3 種釬料中富Cu 相的成分是非均一的，存在著元素偏聚的現(xiàn)象，在大塊富Cu 相心部區(qū)域，其Ni 與Mn 的含量較靠近富Ag 相的邊緣區(qū)域高，而Cu 含量的變化趨勢與其相反，如B 與C 點、E 與F 點、H 與I 點的成分所示，其中該現(xiàn)象在Ag-3 釬料中表現(xiàn)最為明顯，由于其中Ni 含量較高，所以此類相為Cu-Ni 固溶體相。

2.3 釬焊接頭微觀組織與性能

2.3.1 釬焊接頭微觀組織

焊后Ag-1，Ag-2 與Ag-3 釬料釬焊試樣對應的YG6X/GH4169 接頭微觀組織如圖4 所示。圖4 中各區(qū)域EDS 分析結果見表6。由表6 可知，圖4 中灰黑色相為富Cu 相-Cu(s,s)相，灰白色相為富Ag 相-Ag(s,s)相。AgCuMnNi 釬料釬焊的YG6X 與GH4169 釬縫結構為：YG6X/釬縫界面與GH4169/釬縫界面主要為Cu(s,s)，釬縫中心區(qū)主要由Cu(s,s)，Ag(s,s)等組成。隨釬料中Ag 含量的增加與Ni，Mn 含量的減少，YG6X/釬縫界面、GH4169/釬縫界面的Cu(s,s)相寬度變窄，釬縫中心區(qū)域大塊分布的Cu(s,s)相逐漸減少，Ag(s,s)相和(Ag+Cu) 共晶組織逐漸增加。與Cu(s,s) 相相比，Ag(s,s)相硬度低，但塑韌性好，通過優(yōu)化釬料成分與工藝，調控釬縫中兩相占比，可獲得強度高、韌性好的釬焊接頭。

圖4 3 種釬料釬焊接頭截面微觀組織

表6 不同釬料釬焊接頭EDS 分析結果(質量分數(shù)，%)

不同釬料所焊試樣釬縫組織中富Ag 相的具體成分見表6 中B1，F(xiàn)1，J1的分析結果，富Ag 相主要由Ag，Cu，Mn 元素組成，其中Ag 的平均含量為88.46%，Cu 與Mn 元素除固溶在Ag 基體中外，還以細小的Cu 固溶體形式彌散分布于Ag 固溶體基體中與Ag 固溶體形成共晶組織。3 種釬料釬焊試樣焊縫中富Ag相在成分上無顯著差異，Ag-3 釬縫中富Cu 相存在Ni 元素偏聚現(xiàn)象，如K 處的Ni 含量幾乎為I1與L1處Ni 含量的2 倍，并且富Cu 相中Ni，Mn 含量基本相似，而Ag-1 與Ag-2 釬縫富Cu 相中無顯著的元素偏聚現(xiàn)象，并且富Cu 相中Mn 含量較Ni 含量高。

2.3.2 釬焊接頭力學性能

圖5 為3 種AgCuMnNi 釬料真空釬焊的YG6X硬質合金與GH4169 高溫合金試樣抗拉強度。由圖5可知，Ag-1，Ag-2 與Ag-3 釬料所焊試樣的抗拉強度的平均值分別214.5 MPa，413.8 MPa 與432.8 MPa。為分析不同釬料釬焊試樣接頭抗拉強度呈現(xiàn)差異的原因，觀察了不同試樣斷口形貌，圖6 為Ag-1 釬料焊接試樣YG6X 側斷口形貌圖。從斷口宏觀形貌上可以將斷口分為3 個主要區(qū)域，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)3 個區(qū)域的高倍放大圖分別如圖6b～圖6d 所示，圖6 中各區(qū)域的EDS 點掃描結果見表7。Ⅰ區(qū)為釬料區(qū)域，由1與2 點處成分可知，其中除C 與O 外，其余組成元素均為釬料成分，即在Ⅰ區(qū)范圍內釬料未與GH4169發(fā)生元素擴散反應。Ⅱ區(qū)為釬縫與硬質合金基體的過渡區(qū)域，在拉伸過程中部分硬質合金基體被剝落。Ⅲ區(qū)為高Mn 的易氧化區(qū)域，組織形貌呈圓滑過渡狀。由上述分析可知，在拉伸過程中，裂紋起源于GH4169與釬料界面處，然后在一定橫向距離內貫穿釬縫組織并延伸至YG6X 母材內部，將部分YG6X 母材剝落。由于位于Ⅰ區(qū)的釬料與GH4169 母材之間基本未發(fā)生擴散與熔解反應，以及Ⅲ區(qū)處部分圓滑過渡組織的存在，使得Ag-1 釬料焊接試樣實際焊接面積約為整個焊面的1/2，從而使得接頭抗拉強度較低。

圖5 3 種釬料釬焊試樣抗拉強度

圖6 Ag-1 釬料焊接試樣YG6X 側斷口形貌

表7 Ag-1 釬料焊接試樣斷口EDS 分析結果(質量分數(shù)，%)

圖7 為Ag-2 釬料釬焊試樣YG6X 側斷口形貌圖。7a 為斷口宏觀形貌，其中A2區(qū)、B2區(qū)、C2區(qū)、D2區(qū)4個典型區(qū)域的高倍放大圖分別如圖7b～圖7e 所示，各區(qū)域的EDS 點掃描結果見表8。結合斷口各區(qū)域形貌及能譜分析可知，A2區(qū)為釬縫中心區(qū)域，主要組成物相為Ag 固溶體與Cu 固溶體相；B2區(qū)為破碎的YG6X 母材與釬料/YG6X 界面的過渡區(qū)域，位置6為裸露的硬質合金顆粒。C2區(qū)為釬縫中心區(qū)域與釬料/GH4169 界面的過渡區(qū)域，由7 點處化學組成可知釬料/GH4169 界面主要為富Cu 相，但其元素種類十分復雜，包含了GH4169 母材中幾乎所有的元素，對比圖7b 中5 點成分可知，此斷面應位于釬料與GH4169的接觸界面。D2區(qū)中8 點處含有大量的Mn 與O，在釬焊過程中形成了不利于釬縫性能的MnO2，即D2區(qū)主要為釬縫邊緣氧化區(qū)域。由上述分析可知，Ag-2釬料釬焊試樣拉伸過程中斷裂行為十分復雜，斷裂路徑包含釬料與兩側母材的接觸界面，并沿釬縫內部存在的薄弱環(huán)節(jié)瞬間貫穿整個釬縫組織，在硬質合金側沿界面深入硬質合金內部將部分硬質合金母材剝落。邊緣氧化區(qū)域及釬縫中薄弱區(qū)域的存在，弱化了接頭的力學性能。

圖7 Ag-2 釬料焊接試樣斷口形貌

表8 Ag-2 釬料焊接試樣斷口各區(qū)域EDS 分析結果(質量分數(shù)，%)

Ag-3 釬料焊接試樣斷口形貌如圖8 所示，圖8a為斷口宏觀形貌，其中標記處的高倍放大圖如8b 所示，宏觀斷口較為平整，微觀組織由Ag 固溶體相與Cu 固溶體相組成，未觀察到明顯的缺陷，并且在斷口中可觀察到細小的韌窩。由上述現(xiàn)象可知，斷口中未觀察到連續(xù)分布的大塊灰黑色Cu 固溶體相，即裂紋在釬縫中心區(qū)域萌生并擴展，而釬縫中心區(qū)域存在大量高塑性的Ag 固溶體相，所以斷口呈塑性斷裂形式。

圖8 Ag-3 釬料焊接試樣斷口形貌

3 結論

（1）設計了3 種元素占比不同的AgCuMnNi 釬料，經測試3 種釬料液相線均低于800 ℃，釬料微觀組織由灰黑色的富Cu 相與灰白色的富Ag 相組成。當釬料中Ni，Mn 含量降低而Ag 含量升高時，微觀組織中塑性較好的富Ag 相占比逐漸增加。

（2）在釬焊溫度為860 ℃、保溫10 min 時，Ag-3釬料釬焊試樣釬縫微觀組織中富Cu 相與富Ag 相分布均勻，接頭抗拉強度的平均值最高（432.8 MPa），且拉伸試樣呈韌性斷裂形式。

（3）當釬料中Mn 含量較高時，在Ag-1 與Ag-2 釬焊試樣斷口中均發(fā)現(xiàn)了高Mn 的氧化區(qū)域，其存在弱化了接頭的力學性能。富Ag 相組織由于其塑性較富Cu 相組織好，能夠通過塑性變形緩釋接頭中的殘余應力，所以富Cu 相與富Ag 相均勻分布的接頭組織在保持接頭強度的同時也使接頭組織具有一定的塑韌性。