顧天亮,閆焉服,張紹棋 

(河南科技大學材料科學與工程學院,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性能的影響.結果表明:隨著釬料中錳含量的增加, 釬料的液相線溫度逐漸降低,當錳的質量分數(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,當錳的質量分數(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,當錳的質量分數(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.由于硬質合金本身成本較高,因此絕大多數(shù)硬質合金工具均為非整體式,即采用鑲嵌的方法將小塊硬質合金固定到工具鋼上[１Ｇ３].長期的研究表明,釬焊是將硬質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量具有決定性的作用.銅基釬料是釬焊硬質合金與鋼常用的一種硬釬料,對鋼及硬質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 量 分數(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(質量比)進行配制.采用 ZGJL０．０１Ｇ４０Ｇ４型真空中頻感應爐進行熔煉,９８０℃保溫１０min,熔煉過程中采用氬氣保護并以木炭作為覆蓋劑.將反復熔煉后的液態(tài)釬料澆鑄到經(jīng)５００ ℃預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,所用設備為島津 AGＧI２５０ KN 型 萬 能 試 驗 機,拉 伸 速 度 為２mm??min－１.

２ 試驗結果與討論

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 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,易導致應力集中;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