分享：錳元素對銅基CuZnNi合金釬料性能的影響

顧天亮,閆焉服,張紹棋 

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,高純材料研究中心,洛陽 ４７１０２３) 

    摘 要:通過在 CuZnNi合金釬料中添加不同含量的錳元素,研究了錳元素對 CuZnNi合金釬 料的液相線溫度、潤濕性能和釬料與接頭力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:隨著釬料中錳含量的增加, 釬料的液相線溫度逐漸降低,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時,釬料的液相線溫度下降了５４ ℃;釬料的 鋪展面積隨釬料中錳含量的增加而逐漸增大,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時,釬料的鋪展面積達到了 ２９８mm２;隨著釬料中錳含量的增加,釬料的抗拉強度逐漸增大,而伸長率呈先上升后略下降的趨 勢;釬焊接頭的抗剪強度隨釬料中錳含量的增加而顯著提高,當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４．５％時,抗剪強 度達到了２２１MPa,比基體釬料的提高了１６．１％. 關(guān)鍵詞:CuZnNi合金釬料;潤濕性能;抗拉強度;抗剪強度 中圖分類號:TG４５４ 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０９Ｇ００８１Ｇ０４

EffectofMnElementonPropertiesofCopperＧBasedCuZnNiAlloyBrazingFiller

GUTianliang,YANYanfu,ZHANGShaoqi

(ResearchCenterforHighPurityMaterials,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,

HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang４７１０２３,China)

    Abstract:Differentcontentsof MnelementwereaddedtoCuZnNialloybrazingfiller．Theeffectof Mn

elementonliquidustemperature,wettability,andmechanicalpropertiesofbrazingfillerandjointwasstudied．The

resultsshowthatliquidustemperatureofbrazingfillerdecreasedgraduallywithincreaseofMncontentandliquidus

temperatureofbrazingfillerdropped５４ ℃ whenmassfractionofMnwas４．５％．Spreadingareaofbrazingfiller

increasedgraduallywithincreaseofMncontentandreached２９８ mm２ whenmassfractionofMnwas４．５％．The

tensilestrengthofCuZnNiincreasedandelongationincreasedfirstandthendecreasedwithincreaseofMncontent．

Theshearstrengthofbrazedjointsincreasedgradually withtheincreaseof Mncontentandtheshearstrength was

２２１．２MPawhilemassfractionofMnwas４．５％ whichwasincreasedby１６．１％comparedwiththatofbasebrazingfiller．

Keywords:CuZnNibrazingfiller;wettability;tensilestrength;shearstrength

０ 引 言

    目前,硬質(zhì)合金已廣泛用于制造各種刀具、石油鉆井和耐磨機械零件等.由于硬質(zhì)合金本身成本較高,因此絕大多數(shù)硬質(zhì)合金工具均為非整體式,即采用鑲嵌的方法將小塊硬質(zhì)合金固定到工具鋼上[１Ｇ３].長期的研究表明,釬焊是將硬質(zhì)合金牢固連接到鋼基體上最成功的方法之一.在釬焊過程中,釬料性能對釬焊接頭的質(zhì)量具有決定性的作用.銅基釬料是釬焊硬質(zhì)合金與鋼常用的一種硬釬料,對鋼及硬質(zhì)合金都具有較好的潤濕性和填縫能力[４].但是一般銅基釬料的熔點較高,會導(dǎo)致釬焊時的溫度升高,這會對母材的組織及性能產(chǎn)生不良的影響[５].在釬焊過程中,釬料中鋅元素的揮發(fā)會使接頭釬縫產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷;簡單二元銅基釬料使接頭釬縫中產(chǎn)生脆性相,導(dǎo)致其性能難以滿足工藝的需求.因此,通常采用在銅基釬料的基礎(chǔ)上添加其他元素的方法來改善基體釬料的性能[６].馬向陽等[７]在 CuMn合金釬料中加入鎳、錫等元素,制備了低熔點銅基釬料,并對其性能進行了測試。

    結(jié)果表明:錫的加入降低了釬料的熔點;鎳元素的加入提高了釬料的強度;新釬料合金的潤濕性能較基體釬料的有明顯提升.黃俊蘭等[８]在 CuＧ６．５P合金釬料中加入錫元素,結(jié)果表明:一定量的錫與銅和磷形成低熔點相,極大地降低了釬料的熔化溫度;錫與銅形成固溶體,提高了釬料的潤濕性能.CuZnNi合金釬料具有中等釬焊強度,耐腐蝕性好,加工性能好,能根據(jù)實際需要制成絲狀或者薄板狀.然而,CuZnNi釬料的熔點為 ９２０~９３０ ℃,屬于高熔點釬料,因此釬焊溫度較高,在釬焊過程中容易對鋼的組織造成不利影響.錳元素能夠在銅中無限固溶,且可改善銅基釬料在硬質(zhì)合金及鋼上的潤濕性能,提高接頭強度并降低釬料熔點.因此,為了提高銅 基 釬 料 的 性 能,作 者 在 綜 合 性 能 較 好 的CuZnNi釬料基體中添加錳元素,研究了錳元素對釬料液相線溫度、潤濕性能、拉伸性能和接頭抗剪強度等的影響,并對釬料的顯微組織進行了觀察,深入分析了錳元素的作用機理.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

    試驗所用原材料包括純度為９９．９％的電解錳,純度為９９．９５％、粒徑為７４μm 的銅粉,純度為９９．９３％、

粒徑為４mm 的無砷鋅粒,純度為９９．９６％、直徑為２mm 的 鎳 絲.釬 料 中 錳 元 素 的 添 加 量 (質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)/％,下同)分別為０,１．５,２．５,３．５,４．５.銅、鋅、鎳元素按添加錳元素后余量的５９∶３４∶７(質(zhì)量比)進行配制.采用 ZGJL０．０１Ｇ４０Ｇ４型真空中頻感應(yīng)爐進行熔煉,９８０℃保溫１０min,熔煉過程中采用氬氣保護并以木炭作為覆蓋劑.將反復(fù)熔煉后的液態(tài)釬料澆鑄到經(jīng)５００ ℃預(yù)熱過的自制金屬模具中,冷卻后取出待用.

釬焊母材為４５鋼和 YG１６硬質(zhì)合金,其規(guī)格均為６０mm×２５mm×２．５mm,采用 VDBFＧ２５０型真空釬焊爐,釬焊時將加工成１~２mm 的薄片狀釬料放置 在 兩 種 母 材 之 間,釬 焊 溫 度 為 ９５０ ℃,保 溫１０min,連接方式為搭接.

１．２ 試驗方法

    上進行拉伸試驗,拉伸速度為 ２ mm??min－１.拉伸試樣的形狀與尺寸如圖１所示.

    按照 GB/T１１３６３－２００８«釬焊接頭強度試驗方法»進行釬焊接頭抗剪強度的測試,所用設(shè)備為島津 AGＧI２５０ KN 型 萬 能 試 驗 機,拉 伸 速 度 為２mm??min－１.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 錳含量對釬料液相線溫度和鋪展面積的影響

    由圖２可以看出:隨著錳含量的增加,釬料的液相線溫度明顯降低;當(dāng)錳含量為４．５％時,釬料的液相線溫度下降了５４ ℃左右.由 CuＧMn二元相圖可以看出,在銅中添加少量錳元素時,釬料的液相線逐漸下降[９],熔點也隨之降低,因此釬料能夠在較短的時間內(nèi)發(fā)生熔化并潤濕母材,并且釬料的熔點越低,釬焊加熱的溫度就越低,對母材性能的影響也就越小.由圖２還可以看出:隨著錳含量的增加,釬料的鋪展面積逐漸增大,潤濕性明顯提高;當(dāng)錳含量達到２．５％時,鋪展面積增大的趨勢略緩.錳的加入降低了釬料的液相線溫度,液態(tài)釬料的流動性增強.由楊氏潤濕方程[１０]可知,凡是能使固/液相界面張力

    減小的因素都可提高其潤濕性能.由于錳在鐵中有很高的溶解度,能形成無限固溶體,釬料中的錳原子向釬料和母材間的固液界面運動,導(dǎo)致固/液相界面張力減小,釬料在母材上的潤濕角減小,使釬料的潤濕性能提高、鋪展面積增大.

２．２ 錳含量對釬料顯微組織的影響

    釬料的鑄態(tài)顯微組織如圖３所示,其中灰白色部分為α相,這是加入的錳元素在銅中完全固溶[１１]后生成的 CuＧMn固溶體,深色部分為β(β′)相,主要是以 CuZn為基體的固溶體.由圖可知:隨著錳含量的 增 加,α 固 溶 體 的 數(shù) 量 增 多;當(dāng) 錳 含 量 小 于２．５％時,釬料的顯微組織分布不均勻,尖銳部位較多,易導(dǎo)致應(yīng)力集中;隨著錳含量的增加,組織分布越來越均勻,這是由于錳元素與鎳元素的相互作用促進了釬料顯微組織的均勻化,有利于提高釬料的強度,改善釬料的塑性.

２．３ 錳含量對釬料拉伸性能的影響

    由圖４可以看出:隨著釬料中錳含量的增加,釬料的抗拉強度逐漸增大;當(dāng)釬料中錳含量為４．５％時,釬料的抗拉強度５６３MPa,比基體釬料的提高了１４％左右;隨著釬料中錳含量的增加,釬料的斷后伸長率呈先升后降的趨勢;當(dāng)錳含量增加到３．５％時,伸長率達到最大值１７．８％.這是由于隨著錳含量的增加,釬料的顯微組織變得比較均勻,固溶體數(shù)量增多,因此釬料的強度提高,伸長率略有增加.

２．４ 錳含量對釬焊接頭抗剪強度的影響