閥材構建在真空燒焊技藝中運用

　　1、滑閥分組件制造工藝

　　1.1、產品組成

　　滑閥分組件如所示是由滑閥體1(材料為25Cr3MoA)、管2(材料為1Cr18Ni9Ti)焊接而成。

　　焊接B924保證間隙0.04～0.08B1A2

　　1.2、釬焊工藝選擇

　　真空釬焊是一種在真空中不施加釬劑焊接零件的工藝方法，可用于難以焊接的材料和結構，能得到光潔致密且具有優(yōu)良力學性能和抗腐蝕性能的釬焊接頭，接頭熱應力小，變形量可控制在極小的范圍內，因此滑閥分組件的滑閥體與管的焊接采用真空釬焊的工藝方法。

　　1.3、選擇釬料

　　因管在工作中受較大載荷，在考慮經濟性的情況下釬料的選擇應滿足以下要求：

　　(1)釬料應滿足釬焊后接頭強度，釬料釬焊溫度應低于管材的固溶溫度(1030℃)以避免材料晶粒長大及保持母材的冷作硬化;該釬料還應滿足焊后滑閥體在淬火――回火調質處理過程中(在910℃保溫30～40min)釬焊縫不被重熔。所以選擇的釬焊溫度應在9101000℃之間，在此范圍內釬料在毛細作用下比較容易填充釬焊間隙，與母材產生良好的合金化作用，從而形成足夠強度的接頭。

　　(2)釬料應適合真空釬焊的工藝條件，如不易揮發(fā)和對焊件不產生溶蝕，對兩種被焊材料均具有一定潤濕性，在釬焊溫度下有足夠的流動性等。

　　(3)為防止污染真空系統(tǒng)，釬料組元不允許含Zn、Cd、Li等易揮發(fā)元素或蒸汽壓高的純金屬。

　　(4)釬料應滿足該零件幾乎全遮蔽結構接頭焊接，釬焊縫能滿足設計和使用要求。

　　1.4、BVAg-1釬料的研制

　　釬焊母材由25Cr3MoA低碳合金鋼與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼組成的焊件，工藝要求釬焊溫度在9101000℃之間的釬料，選擇4種牌號如1所示。

　　釬焊溫度在960～1000℃的釬料序號1234釬料金鈀鎳釬料金鎳釬料銀鈀銅釬料銀錳釬料牌號BAu50PdNiBAu82NiBAg54PdNiBAg85Mn熔化溫度/℃960950900～950960～970釬焊溫度/℃960～980950～970960～980970～1000價格/(元/克)147120401.8焊接性最佳較好一般

　　由可看出前三種釬料釬焊性好，但不經濟，BAg85Mn釬料尚可，但國內廠家均無現(xiàn)貨。故委托鄭州機械研究所釬焊材料廠研制BVAg-1釬料。

　　銀的熔點960.5℃，實際當含Ag99.99時，其熔點961.5℃，用純銀作釬料，室溫強度高，還具有良好的抗腐蝕性。但存在高溫下(125℃)強度低，對黑色金屬潤濕性差，蒸汽壓較高，在高溫、高真空狀態(tài)下易揮發(fā)，嚴重時污染爐體使真空爐絕緣受到破壞，導致熱電偶失靈，還給清理工作帶來不便。

　　為了彌補純銀釬料的不足，決定采用銀基釬料。如何保持銀基釬料較高的熔點和提高釬縫接頭的高溫強度及潤濕程度，添加什么元素可滿足該工藝要求，將成為研制新釬料的方向。

　　研制釬焊黑色金屬和不銹鋼通常的做法是用Ag-Cu合金作基礎合金，再添加有利元素。從Ag-Cu相圖分析，共晶點為779℃，當含Ag92.8%時，由相圖分析得知，金相組織是由固溶體 α相共晶體組成。在釬料熔煉配制中，銅在銀中有較大的溶解度，而銅與鎳相互是無限互溶;從冶金角度分析，凡與氧親和力強的金屬元素，則潤濕性就越差，如：Ni、Cu、Ag金屬與氧的親和力是遞增的，那么其潤濕性逐漸變差;又如：Cr、Ti、Zn、Al、Mg、Be等金屬按其順序越來越易氧化。為了改善Ag-Cu釬料對鋼和不銹鋼的潤濕性和高溫強度，常常添加Mn或Ni金屬元素，Mn溶于Ag形成固溶體而Ni則與Cu能夠互相溶解。實踐證明當Mn達到15%時釬料對不銹鋼縫隙有腐蝕傾向，這是由于母材與釬料電極電位差異大，引起電化學腐蝕(接頭在潮濕條件下工作)，使釬料與不銹鋼腐蝕開裂，因此添加Ni較為適宜。現(xiàn)將鎳、銀、銅元素的物理特性列入。

　　Ni、Cu、Ag物理特性元素熔點/℃沸點/℃蒸發(fā)溫度/℃(1×10-1Pa真空狀態(tài)下)Ni145528001257Cu108323101083Ag961.52195848

　　注：Ag為Ag99.99從Ag-Cu-Ni三元相圖分析，鎳金屬元素的加入，可以提高Ag-Cu-Ni三元合金的熔點，可以粗略地計算，當Ni每增加0.01%，熔點將提高2℃，與此同時，釬料的潤濕性也隨之增強，能夠在晶界形成合金并可提高接頭的強度;若能將Ni提高到0.05%，還可防止產生裂紋腐蝕，這是因為焊后室溫將有Ni20%析出在晶界上，在釬縫邊緣處形成一層富鎳層，鎳具有較好的抗氧化性和抗腐蝕性。在冶煉配制BVAg-1過程中由于Ni很難溶解到Ag里形成固溶體，按照金屬元素溶解規(guī)律，首先把Ni與Cu溶解(互溶)，再把溶解后的Ni-Cu合金溶解到Ag里形成固溶體 α相共晶體的組織。經試驗和調配，BVAg-1金屬元素成分如所示。

　　BVAg-1金屬元素含量比元素含量Ag97.6%Cu2.0%Ni0.4%

　　1.4.1BVAg-1釬料熔點檢測試驗

　　采用DTA熱分析系統(tǒng)測溫(熔點)試驗。在西安交通大學材料工程系試驗室用DTA熱分析系統(tǒng)來測熔點，如a)、b)所示。為了準確的檢測，將料樣分成兩組，按照間隔取樣的方法進行，兩組測溫如c)、d)分別是954.99℃和953.88℃;第二次測溫在北京有色金屬與稀土應用研究所進行，測得熔點分別是950℃和951℃如和所示。

　　兩次測溫與Ag-Cu-Ni三元相圖分析的950～960℃基本相同。

　　a)熔點954.99℃

　　b)熔點953.88℃溫度/℃溫差/℃溫度/℃溫差/℃

　　c)熔點950℃

　　d)熔點951℃2采用DTA熱分析系統(tǒng)測BVAg-1釬料熔點曲線

　　1.4.2BVAg-1釬料潤濕與鋪展試驗

　　取BVAg-1釬料料樣5mg放在板厚2mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板上(清理鋼板表面)，放入英國產的S16真空釬焊爐內(加熱溫度970 10℃)保溫3min，隨爐冷卻取出試樣，釬料基本鋪展。潤濕角在0°<θ<60°，表明釬料液體能夠潤濕1Cr18Ni9Ti不銹鋼板材，但鋪展性一般。

　　1.5、滑閥體分組件工藝參數(shù)的匹配

　　除正確選擇真空度、釬焊溫度、保溫時間等起著決定因素的工藝參數(shù)外，釬焊間隙、氬氣純度、零件的清潔度、升溫速度、冷卻速率等因素也會嚴重影響釬焊質量。

　　1.5.1釬焊間隙

　　釬焊間隙，影響因素是多種多樣的，生產中常采用工藝試驗來確定，而不是通過公式計算出結果，因此銀基釬料的釬焊間隙應主要考慮幾個方面：

　　(1)采用銀基釬料通常釬焊間隙在0.020.15mm之間選擇，當裝配間隙小于0.04mm，抗剪強度較大。

　　(2)釬料對母材的物理化學性能(如液態(tài)流動性、表面張力、與母材的冶金反應等)以及釬焊過程中的相互作用特性有著密切的關系，通常釬料對母材潤濕性好，釬焊間隙可選擇小一些，對于異種材料釬焊，釬焊間隙的選擇應以被釬焊特性差的材料為依據(jù)。

　　(3)被釬焊面的表面光潔度的影響：表面光潔則毛細填縫作用變差，液體釬料難以在整個接頭面流布，易產生空穴使接頭強度下降，因此對釬焊面應適量粗化。

　　(4)釬道較長的釬焊接頭，釬焊間隙應適當增加，應有一個較佳的匹配值。通過試驗確定滑閥體與管真空釬焊間隙為0.06～0.1mm之間，理想的范圍應在0.04～0.08mm之間，這是因為零件鍍銅后，管子孔徑尺寸不均勻，尺寸產生偏差，需進行鉸孔，使該間隙更加合理。

　　1.5.2氬氣的純度

　　高純度氬氣在真空釬焊過程中是作為減少液體釬料蒸發(fā)壓和強迫冷卻的介質。在高溫時，微量的氧和水分就會使釬焊面受到氧化而變色，使液體釬料表面張力增大，引起潤濕性能下降，毛細作用減弱，從而使釬料的填縫性能受到影響。一般情況下：冷卻真空在5×10-4Pa，爐溫在1000℃以上，氬氣中含氧量應小于4ppm，水分不大于10ppm.目前使用的是99.99的高純度氬氣，能夠滿足工藝要求。

　　1.5.3清潔度

　　一定要認真做好釬焊前除油、脫水、清理工序，進爐前不允許重新污染。裝配零件、放置釬料環(huán)操作過程，一定要帶潔凈棉織手套。

　　1.5.4爐溫控制

　　加熱溫度與被釬焊零件的結構、使用的釬料及放置等有著密切關系。一般它包含升溫速率、釬焊溫度等，每階段的設置均對整個工藝過程產生極其重要的作用。

　　工藝試驗使用的真空爐是由北京華海中宜公司提供的VAFV-50型井式爐，其主要技術指標：有效加熱區(qū)直徑350mm×300mm，工作真空度≤6×10-3Pa，加熱功率≤40kW，最高使用溫度1350℃，爐溫均勻性≤±5℃(測溫點：500℃、550℃、700℃、910℃、1100℃)，控溫精度±1℃。電控系統(tǒng)是以微處理機、可編程序控制器等組成的溫度程序控制和機械控制系統(tǒng)。試驗可根據(jù)需要自行設定各焊接參數(shù)和程序，手動與自動操作均可，并且可記錄、顯示設定工藝曲線，方便了試驗和生產。

　　(1)加熱功率

　　所焊材料(母材)是由1Cr18Ni9Ti不銹鋼與合金鋼25Cr3MoA組成，而1Cr18Ni9Ti這種奧氏體不銹鋼在900℃以上是碳化物析出危險區(qū)，因此在升溫加熱過程中在該區(qū)內應迅速加熱;但從可看到兩零件的裝配關系，釬焊接頭幾乎被全部遮蔽，不能直接輻射加熱，應適當延長保溫時間，以縮小零件的表面升溫差。這兩者升溫方式造成了工藝矛盾，故釬焊加熱到接近釬料固相線附近的溫度時，暫停加熱，穩(wěn)定溫度保持一段時間，其目的是減小零件之間的溫度梯度，使焊件各部分的溫度均勻一致，較好解決了不銹鋼導熱差、釬焊接頭被全部遮蔽的矛盾。穩(wěn)定溫度設定在(850±10)℃，保溫25～30min后充高純度氬氣，使爐內壓力升至10Pa以上。

　　防止母材碳化物析出和釬料主元素在高真空、高溫狀態(tài)下蒸發(fā)，如所示。

　　(2)釬焊溫度及時間

　　釬焊溫度及釬焊時間是整個工藝過程關鍵工藝參數(shù)，在此期間釬料熔化并在毛細作用下填充接頭間隙，還與母材產生冶金作用，確定釬焊溫度的依據(jù)是：適當提高所選定BVAg-1釬料熔點(954℃)的溫度。用以減小液體釬料的表面張力，改善潤濕性和填縫能力，使之與母材充分作用，有利于提高接頭的強度。一般對于奧氏體不銹鋼的做法是選擇高出釬料液體相線30～50℃效果較好，由于所選釬料是銀基釬料(高銀含銅、鎳)，經試驗確定應高出20～30℃之間，即(970±10)℃，保溫5～7min，過高的釬焊溫度，會使釬料低熔點的組元蒸發(fā)，還會超出奧氏體冷作硬化溫度，使母材晶粒長大，破環(huán)母材強度。

　　(3)冷卻溫度

　　冷卻溫度對釬焊接頭質量影響也較大，過慢冷卻會引起母材晶粒長大，強化相析出，嚴重時還會出現(xiàn)殘留奧氏體，一般情況下，加速冷卻有利于細化釬縫組織，減小枝晶偏析，提高接頭強度。但因為兩種母材熱膨脹系數(shù)有差異，過快冷卻會造成接頭過大的應力，嚴重時易產生裂紋，同時過快凝固使釬縫間隙氣體來不及逸出而形成氣孔。經過幾次工藝試驗冷卻速度確定為：釬焊保溫終了隨爐冷卻至900℃通氬氣(或氮氣)冷卻，降至300℃允許風扇啟動，爐溫50℃允許出爐(如所示)。

　　2、檢測方法

　　真空釬焊的檢查主要從以下方面：

　　(1)目視檢查：真空釬焊后檢查B端，見1，應有一圈均勻透過的釬料環(huán)，不允許有氣孔和夾雜。

　　(2)采用X射線檢查：按進行判定。

　　(合格)允許堆積(合格)有痕跡(不合格)有痕跡X射線檢查對照圖

　　(3)低倍試驗檢查：選一件用線切割軸向切割真空釬焊后的滑閥組件，打光試樣后用6或9倍放大鏡觀察釬縫、內腔，檢查釬縫內部質量和釬料熔化情況，如和所示。由和可以觀察到釬料均勻向釬縫鋪展性較好，過量的釬料沒有造成溶蝕缺陷。

　　(4)金相組織檢查：如、所示，由滑閥組件的250倍和400倍金相組織可以清晰的觀察到Ag-Cu-Ni釬料在1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼一側母材的界面上保持母材原有的平直表面輪廓，進一步表明釬料不會溶蝕母材;從微觀組織還可以得知釬料Ni、Cu、Ag元素向奧氏體富碳的晶界擴散，而富集的碳又向釬料層晶屆上擴散，經過相互擴散，形成相互富集的Ni、Cu、Ag的氧化膜，從而潤濕了釬道，導致形成富集的“釬窩”達到了牢固連接。

　　在25Cr3MoA閥體內孔一側由于Ni、Cu、Ag元素尤其是Ni元素與25Cr3MoA低碳合金鋼有著較強的潤濕作用，因此可形成較寬的擴散層，這種結合更加牢固。

　　(5)強度試驗：對零件施加500N的拉力檢查釬焊縫的抗剪強度滿足要求。

　　(6)熒光探傷檢查：強度試驗后熒光探傷檢查B端(1所示)釬焊縫是否存在裂紋。

　　3、結論

　　通過多次工藝試驗和試生產，該產品真空釬焊參數(shù)匹配。①冷卻真空度不小于2.5×10-3Pa;②加熱：升至850±10℃保溫40～50min后通高純度氬氣(至10Pa以上)20min升至970±10℃，保溫5～7min;③冷卻：隨爐冷卻900℃通純氬氣(或高氮氣)降至300℃允許啟動風扇強冷;④出爐：爐溫降至50℃允許出爐。

　　BVAg-1釬料規(guī)格是直徑0.8mm焊絲，繞成內徑為直徑4.8mm的緊密圈，并以4～4.5圈圍一組截成段。裝配釬焊間隙控制在0.04～0.08mm范圍內，管伸出滑閥體B端尺寸4±0.1mm，有利于液體釬料滲透。真空釬焊入爐前應確保零件有較高的清潔度。

　　4、存在問題

　　缺少適宜的止流劑，使個別裝配釬焊間隙偏大的零件產生漫流現(xiàn)象，造成釬料用量不在最佳狀態(tài)，待今后改進。