真空釬焊不銹鋼接頭的釬縫組織

　　引　言

　　

　　1Cr18Ni9Ti不銹鋼是工業(yè)上使用z*廣泛的材料之一，用鎳基釬料釬焊不銹鋼，在釬縫中形成的化合物相對釬縫性能有很大的影響。1978年，R.Johson［1］用電子探針對利用BNi－2和BNi－4釬焊9Cr-1Mo鋼的釬縫組織進(jìn)行了相分析。由于電子探針對硼元素只能進(jìn)行半定量分析，測得的數(shù)據(jù)精度低，難以確定硼化合物相。本文采用金相分析和電子探針分析并配合X射線衍射物相分析對釬縫的相組成和釬縫中化合物相的消除規(guī)律進(jìn)行研究。

　　

　　1　試驗材料和試驗方法

　　

　　母材選用1Cr18Ni9Ti，釬料的化學(xué)組成列于表1.

　　

　　表1　試驗用釬料的化學(xué)組成

　　

　　釬料類別 化學(xué)成分(%) 熔點T/℃

　　

　　Ni Cr B Si Fe P 固相線 液相線

　　

　　BNi1a 余量 14 3.1 4.5 4.5 — 977 1 097

　　

　　BNi2 余量 7 3.1 4.5 3.0 — 971 999

　　

　　BNi5 余量 19 — 10 — — 1 073 1 135

　　

　　BNi7 余量 13 — — — 10 888 888

　　

　　試樣的表面用磨床磨光,利用釬縫兩端加入的不銹鋼墊片調(diào)節(jié)釬縫的寬度,并用氬弧焊定位。釬焊試驗在熱壁真空爐中進(jìn)行，所用釬料為粉狀，直接放在試樣上進(jìn)行釬焊。釬焊時真空度優(yōu)于0.01 Pa.釬縫的相組成由金相分析和電子探針分析配合X射線衍射物相分析來確定。

　　

　　2　釬縫組織及相組成分析

　　

　　2.1　BNi1a釬料

　　

　　用 BNi1a釬料對1Cr18Ni9Ti進(jìn)行釬焊。在縫寬為0.05 mm、釬焊溫度為1120 ℃、釬焊時間為10 min的條件下,釬縫組織是純固溶體，見圖1(a）.在BNi1a釬料中，硼是形成化合物相的主要元素，其含量為3.1%.硼在鎳中的固溶度很低，單一的固溶體組織說明釬縫中的大部分硼在釬焊過程中已擴散到母材中去了。釬縫中的含硼量已降到硼在鎳中的極限固溶度以下。由圖1還可以看出，母材中近縫區(qū)是網(wǎng)狀組織，這種組織是由釬料中的硼沿母材晶界擴散而產(chǎn)生的。母材中晶界的界面具有比較開闊的結(jié)構(gòu)，對原子運動的阻力較小，而硼原子的半徑又相對較小，這樣,使得硼向母材的擴散主要是沿晶界擴散，并在晶界與其它元素形成化合物相。X射線衍射分析表明，近縫區(qū)的相組成是α－Fe，γ－Fe和Fe2B，即硼在晶界與鐵形成了Fe2B.釬縫與母材之間的相互擴散作用使母材擴散層的成分發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生了α－Fe.由于晶界上存在Fe2B,使得母材中近縫區(qū)電解浸蝕后顯示出如圖1所示的網(wǎng)狀組織。圖1(b)給出縫寬為0.10 mm時用BNi1a釬料釬焊（1 120 ℃，10 min）的釬縫組織。該釬縫組織由兩部分組成：一部分是靠近母材與釬縫界面并與之平行的鎳固溶體組織；另一部分是位居中部的化合物相組織。該化合物相組織又有兩種組織特征：呈梅花狀的化合物相和呈塊狀的麻點化合物相。由于釬縫較寬，釬縫中的含硼量不能在釬焊時間內(nèi)通過擴散降低到極限固溶度以下，因而在釬縫中產(chǎn)生硼的化合物相。從釬縫的組織特征可以看出，釬縫中硼的分布是不均勻的。在靠近母材與釬縫界面處，硼含量由于擴散已降低到極限固溶度以下，呈現(xiàn)固溶體組織。在釬縫中部，擴散路徑長，擴散速度慢，焊后該處的含硼量仍然在極限固溶度以上，從而在釬縫中部形成化合物相。X射線衍射分析表明，其相組成為α-Ni,Ni5Si2,CrB和Fe4.5Ni18.5B6.在1 000 ℃經(jīng)1 h擴散處理后，該釬縫中的塊狀麻點化合物相消失，只剩下梅花狀的化合物相，見圖1(c）.X射線衍射分析表明，梅花狀的化合物相是CrB.由此可知，塊狀麻點化合物的相組成是Ni5Si2和Fe4.5Ni18.5B6.在1 000 ℃延長擴散處理時間至2 h，CrB相未消失。
 

　　

　　(a)　　　　　　　(b)　　　　　　　(c)

　　

　　圖1　用BNi－1a釬料釬焊的釬縫組織

　　

　　2.2　BNi2釬料

　　

　　用BNi2釬料對1Cr18Ni9Ti進(jìn)行釬焊，當(dāng)縫寬為0.02 mm、釬焊溫度為1 050 ℃、釬焊10 min時,釬縫組織是純固溶體。 當(dāng)縫寬為0.05 mm時,釬縫中出現(xiàn)化合物相。X射線衍射分析表明，釬縫組織由α-Ni,Ni5Si2,Cr2B,Ni2B和Fe4.5Ni18.5B6組成。該釬縫焊后經(jīng)1 000 ℃擴散處理1 h得到單一的固溶體組織。當(dāng)縫寬為0.10 mm時，焊后釬縫經(jīng)1 000 ℃擴散處理8 h得到單一的固溶體組織。

　　

　　采用釬焊溫度為1 120 ℃、釬焊時間為10 min的釬焊工藝，用BNi2釬料來釬焊1Cr18Ni9Ti，釬縫的組織特征隨寬度及焊后熱處理時間的變化規(guī)律與用BNi1a釬料釬焊的釬縫組織特征相同。值得注意的是，用1 050 ℃的溫度釬焊時，釬縫中沒有出現(xiàn)CrB化合物相，釬縫中的所有化合物相都能通過焊后擴散處理消除掉。CrB化合物相是由于釬焊溫度高而產(chǎn)生的，且不易通過焊后擴散處理來消除。

　　

　　2.3　BNi5釬料

　　

　　用BNi5釬料對1Cr18Ni9Ti進(jìn)行釬焊，當(dāng)縫寬為0.02 mm、釬焊溫度為1 175 ℃、釬焊時間為10 min時,釬縫組織是純固溶體，見圖2(a）；當(dāng)縫寬為0.05 mm時,釬縫中出現(xiàn)化合物相，見圖2(b）.BNi5釬料中形成化合物相的元素是硅。由于硅的原子半徑比硼的原子半徑大，其擴散系數(shù)比硼小，盡管使用的釬焊溫度（1 175 ℃）比較高，也只有在縫寬很小時（0.02 mm）才能在焊后得到單一的固溶體組織。對于0.05 mm寬的釬縫，焊后釬縫中出現(xiàn)大量的化合物相，其相組成為α-Ni,Ni5Si2和Ni16Cr6Si7.在溫度為1 000 ℃擴散處理8 h后，釬縫中的絕大部分化合物相被消除，但還有極少量的化合物相未能在本試驗的釬焊工藝下消除，見圖2(c).

　　

　　2.4　BNi7釬料

　　

　　圖3是用BNi7釬料釬焊1Cr18Ni9Ti的釬縫組織,釬焊溫度為1 050 ℃,釬焊時間為10 min.釬焊試驗表明，要使該釬縫組織成為單一的固溶體組織相當(dāng)困難。在縫寬為0.01 mm時，焊后釬縫中仍然有化合物相，見圖3(a）.圖3(b)是縫寬為0.05 mm的釬縫組織，X射線衍射測得其相組成為α-Ni,Ni2P和(Fe,Ni)3P.焊后經(jīng)1 000 ℃擴散處理8 h后，釬縫中仍有較多的化合物相,見圖3(c）.
 

　　

　　(a)　　　　　　　　(b)　　　　　　(c)

　　

　　圖2　用BNi5釬料釬焊的釬縫組織
 

　　

　　(a)　　　　　　　(b)　　　　　　　　(c)

　　

　　圖3　用BNi7釬料釬焊的釬縫組織

　　

　　3　結(jié)　論

　　

　　(1)在釬焊溫度為1 120 ℃ 、釬焊時間為10 min的釬焊規(guī)范下，用BNi1a釬料釬焊的釬縫組織在縫寬小于0.05 mm時為單一的鎳固溶體,縫寬大于0.05 mm時可能出現(xiàn)化合物相。其中CrB比較穩(wěn)定，在焊后的擴散處理過程中難以消除。

　　

　　(2)在1 050 ℃釬焊溫度下，用BNi2釬料釬焊1Cr18Ni9Ti，釬縫中沒有出現(xiàn)CrB化合物相，釬縫中的化合物相都能通過焊后擴散處理消除掉。

　　

　　(3)用BNi5釬料釬焊（1 175 ℃，10 min）1Cr18Ni9Ti，當(dāng)縫寬為0.02 mm時,釬縫組織是純固溶體。當(dāng)縫寬為0.05 mm時,釬縫出現(xiàn)大量化合物相。擴散處理后，釬縫中的絕大部分化合物相被消除。

　　

　　(4)用BNi7釬料釬焊(1 050 ℃,10 min)1Cr18Ni9Ti,難以使釬縫組織成為單一的固溶體組織。在縫寬為0.01 mm時，焊后釬縫中仍然有化合物相。