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钎焊不锈钢界面行为分析

时间:2014-02-21 10:57来源:正航仪器 作者:正航网络点击:

钎焊不锈钢界面行为分析

 

钎焊圆角根部各相组织的形成除受钎料成分决定以外,还与钎料和母材之间的相互扩散密切相关。钎料与母材之间的相互扩散有两种情况,一是母材向钎料中的溶解和扩散,二是钎料成分向母材中的扩散。两者之间的溶解扩散作用受钎焊工艺因素影响较大。

一、母材成分向钎料中的溶解扩散

钎焊过程不可避免将产生固体母材向液态钎料中的溶解,对于BNi-5钎料钎焊不锈钢来说,母材的适量溶解将使钎料中Fe元素含量增加,促使钎缝合金化,提高钎焊接头的性能,但母材的过度溶解会在钎焊接头中生成FeNi3化合物,降低接头的强度。图4-9为1000℃下保温1h扩散处理前后BNi-5钎焊不锈钢304L,母材中Fe元素在钎焊圆角中的扩散距离。在距离界面20μm的钎料层中,Fe含量趋于平稳,占钎料成分的15%左右,说明母材在钎料中溶解量较大,不利于接头强度的提高。

钎焊不锈钢界面行为分析

另外,母材的过度溶解也意味着母材的厚度减小,承载能力下降,疲劳寿命缩短。所以对于BNi-5钎焊不锈钢来说,要在形成良好钎焊接头的情况下控制母材的溶解量,以提高接头强度和疲劳寿命。用BNi-5钎料钎焊不锈钢304与304L管板接头304L母材溶解情况金相照片。若以母材的溶解厚度代表母材的溶解量,在正常钎焊规范下钎焊时,母材的溶解厚度为80μm,一般情况下,这样的溶解量是合理的,但相对于0.5mm的不锈钢管壁而言,溶解的厚度已接近管壁总厚度的1/6,一定程度上降低了母材的承载能力,缩短了产品的疲劳寿命。高温下,母材在液态钎料中的溶解,除与母材和钎料的成分直接相关外,还与钎焊温度、钎焊保温时间以及钎焊间隙等因素有关。

WS为母材溶解厚度(m);ρL和ρm分别为液态钎料及固态母材的密度(kg/m3);CL和a为溶解常数,分别表示一定温度下固态母材在液态钎料中的极限溶解度和溶解速度系数,均为钎焊温度的函数;WB是钎焊间隙(m);t是钎焊保温时间(s)。钎焊间隙越大,母材的溶解越多,母材在液态钎料中的溶解厚度随钎焊间隙的增大呈指数减速增加趋势。母材溶解厚度随钎焊间隙增大而增大主要是因为钎焊间隙增大时,钎料用量增多,钎料对母材的饱和溶解量也必然增加。随着钎焊保温时间的增加,母材溶解厚度也增加。在刚开始钎焊保温时,母材溶解厚度随钎焊保温时间的延长显著增加,当保温一定时间后,再延长钎焊保温时间,母材溶解厚度的增加不明显,这种情况可以看作是钎料对母材的溶解已达到饱和状态。

母材溶解厚度与钎焊温度的关系可由CL和a随钎焊温度的变化规律推出,母材在液态钎料中的溶解度CL和溶解速度a随钎焊温度的升高而呈线性增加,因而溶解厚度随钎焊温度的升高而增加。钎焊温度对母材溶解的影响比钎焊保温时间强烈,所以,在实际制定钎焊工艺参数的时候,一定不能轻易提高钎焊温度。另外,要采用小的钎焊间隙并保证装配精度,还要在保证钎焊接头质量的前提下尽量减少钎料的用量,使母材的溶解量得到控制,提高产品疲劳寿命。

二、钎料成分向母材中的扩散

钎料成分在母材中的扩散流量(J)与浓度梯度(dC/dx)、扩散系数(D)、扩散面积(S)和扩散时间(dt)有关。BNi-5钎焊圆角中存在着大量的化合物相,减少钎焊圆角处的脆性化合物就是要使Si元素得到充分扩散,使其含量降到其在镍基固溶体中的固溶度之下。图4-11为BNi-5钎焊不锈钢304L接头经1000℃1h扩散处理前后Si元素在母材中的扩散情况。

钎焊不锈钢界面

在正常钎焊规范下,Si元素在304L母材中的扩散深度为25μm,经1000℃1h扩散处理后扩散深度增加到40μm,扩散层的含Si量也进一步增加。但扩散距离还是相当短的,这主要是由Si元素在不锈钢304L中的扩散系数决定的。

温度是影响扩散系数的较主要因素,由式可以看出,扩散系数D与温度T呈指数关系,随着温度的升高,扩散系数急剧增大。这是由于温度越高,则原子的振动能越大,因此借助于能量起伏而越过势垒进行迁移的原子几率越大。此外,温度升高,金属内部的空位浓度提高,这也有利于扩散。对于BNi-5钎焊不锈钢来说,Si元素在不锈钢母材中的扩散速度和扩散深度随钎焊温度的提高而增大。不同的晶体结构也具有不同的扩散系数。致密度大的晶体结构中的扩散系数,都比致密度小的晶体结构的扩散系数要小得多,致密度越大,原子越难迁移。奥氏体组织相对于铁素体组织具有更大的致密度,因此,Si原子在奥氏体不锈钢304L中较难迁移,扩散速度相对较慢。

不同类型的固溶体,溶质原子的扩散激活能不同,间隙原子的扩散激活能都比置换原子的小,所以扩散速度比较大。而Si原子向不锈钢中的扩散,实际上是向铁中的固溶,Si在γ-Fe中的固溶是以置换原子存在的,其扩散激活能较大,所以扩散速度较慢。在金属及合金中,扩散既可以在晶内进行,也可以沿外表面、晶界及相界进行。对于一定的晶体结构,表面扩散最快,晶界次之,亚晶界又次之,晶内扩散最慢。原子沿晶界扩散比晶内快,是由于晶界处的晶格畸变较大,能量较高,扩散激活能要比晶内的小,原子易于扩散迁移。一般半径小的原子易沿晶界扩散,如B,而半径大的原子,如Si,则主要向晶内扩散,所以其扩散速度很慢。但这种差别会随着温度的升高而逐渐消失。

所以即使在1000℃下长时间保温,Si向母材的扩散程度也很有限,又因为Si在镍基固溶体中的溶解度有限,所以,当钎缝中Si的含量超过其在镍固溶体中的固溶度时,在扩散不充分的情况下就会形成各种硅的化合物相。http://www.zhpct.com