一種鋼高溫釬焊異種接頭組織與性能

1、42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊異種接頭組織與性能Microstructure and properties of 42CrMo and 38MnVS6 steel brazed joints at high temperature摘 要42CrMo鋼屬于超高強度鋼，具有高韌性、高強度、高滲透性、良好的機械性能及可加工性等優(yōu)點，應(yīng)用相當廣泛。這種鋼材適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼多適用于生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，可替代40Cr鋼制造，性能更優(yōu)良。關(guān)鍵詞 42CrMo鋼 38MnVS6鋼 高溫釬焊 接頭組織 力學性能第一章 緒論1.1 目的與意義 因工業(yè)污染導致

2、的全球環(huán)境惡化以及內(nèi)燃機技術(shù)的不斷更新發(fā)展，作為發(fā)動機最重要的部件的活塞若不能承載更高的機械載荷和熱載荷，那么發(fā)動機的機械效率和熱效率就不能隨之提高，這樣對環(huán)境及技術(shù)發(fā)展都是不利的。隨著發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展，高負荷、高功率、高效率的活塞正被汽車產(chǎn)業(yè)所認可并廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的鋁活塞已不能滿足發(fā)動機越來越嚴格的性能要求，雖然由鋁合金制造的鋁制活塞重量輕、制造成本低，但工作狀態(tài)不穩(wěn)定，只可在350下穩(wěn)定工作，同時存在因采用重力鑄造而導致的缺陷率較高的問題。鋁合金材料的固有特征，也導致鋁活塞的硬度及強度難以滿足現(xiàn)階段發(fā)動機的使用要求。因此采用新型材料制造適合大部分發(fā)動機性能的活塞成為各企業(yè)以及國內(nèi)外研究

3、的重點。在這種工業(yè)背景下，工作更穩(wěn)定、可靠性更高、承載強度更高、機械負荷更大的鍛鋼活塞已逐步替代了鋁制活塞而被廣泛應(yīng)用。采用鍛鋼活塞還可提升抗磨損性能，從而延長活塞使用壽命；鍛鋼活塞的生產(chǎn)過程較鋁活塞也更環(huán)保，對工作人員的身體健康損害??；采用鍛鋼活塞的汽車廢氣排放量更低，對環(huán)境的污染小，可節(jié)省能源。目前國內(nèi)外采用的鍛鋼活塞中最受關(guān)注的是整體鍛鋼活塞，而整體鍛鋼活塞的研發(fā)利用則可代表當今背景下活塞發(fā)展的新思路與新方向。但鍛鋼材料活塞是一種新型活塞，在設(shè)計工藝、制造流程等方面與鋁活塞有一定的區(qū)別。我國在鍛鋼活塞領(lǐng)域的研發(fā)力度仍不到位，也無鍛鋼活塞的設(shè)計標準，所以目前我國還不能獨立批量生產(chǎn)鍛鋼活塞，

4、而國外在這一領(lǐng)域的理論技術(shù)層面及加工生產(chǎn)層面已遠遠領(lǐng)先于我們。故早日研發(fā)出我國標志性知識產(chǎn)權(quán)的鍛鋼活塞已變得十分重要。 42CrMo鋼屬于超高強度合金調(diào)質(zhì)鋼，強度高、韌性高、經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具備抗多次沖擊的能力，較高的疲勞極限數(shù)值，良好的低溫沖擊韌性。高溫時具備高蠕變強度和高持久強度等優(yōu)點。因為上述良好的機械性能以及較高的疲勞壽命，故廣泛適用于制造強度較35CrMo鋼或40Cr鋼更高或斷面較35CrMo鋼或40Cr鋼更大的鍛件，如活塞芯、活塞桿、受載荷較大的連桿及彈簧夾、發(fā)動機的氣缸等機械結(jié)構(gòu)部件。其中活塞芯的主要成分為42CrMo鋼，活塞桿采用42CrMo合金鋼鍛造制成，熱處理后的活塞桿強度會提

5、高，表面可經(jīng)鍍鋅、鍍鎳等處理工藝進行裝飾，以此可滿足不同客戶的產(chǎn)品要求。 38MnVS6屬于微合金非調(diào)質(zhì)鋼，在其中加入了V元素，鍛造或熱軋?zhí)幚砗罂色@得相似調(diào)質(zhì)鋼的性能。微合金技術(shù)在20世紀60年代的發(fā)展在實質(zhì)上為非調(diào)質(zhì)鋼的出現(xiàn)提供了技術(shù)理論支持。 我國的微合金化非調(diào)質(zhì)鋼領(lǐng)域開括于“六五”時期，但因為許多因素影響，20世紀90年代非調(diào)質(zhì)鋼的發(fā)展狀況并不樂觀。但21世紀科技水平和工藝的進步使非調(diào)質(zhì)鋼在汽車等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼具有良好的耐久性和可加工性，多適用于生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)與汽車發(fā)動機連桿。目前我國應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼零部件最多的是汽車發(fā)動機連桿，此部位消耗的非調(diào)質(zhì)鋼用量約占我國生產(chǎn)

6、總量的50%。此種鋼制造轉(zhuǎn)向節(jié)可保證良好的切削性能且可省略調(diào)質(zhì)處理工序，因此可縮短生產(chǎn)周期。同時一方面可提高一定量的經(jīng)濟效益，另一方面又可節(jié)約熱處理能源，故可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的40Cr鋼制造汽車轉(zhuǎn)向節(jié)。優(yōu)良的產(chǎn)品性能指標也可滿足鍛鋼活塞、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的性能要求，這使得38MnVS6鋼在汽車結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用發(fā)展空間廣闊。42CrMo和38MnVS6活塞熱處理工藝參數(shù)材質(zhì)熱處理方式熱處理設(shè)備工藝控制參數(shù)活塞硬度范圍42CrMo淬火+回火淬火油槽冷卻介質(zhì)L-AN22機油入油溫度850出油溫度120介質(zhì)溫度60265335HB鏈式回火爐回火溫度 630±30回火時間 200±20min38MnV

7、S6控制冷卻控制冷卻通道鍛件上線溫度950冷卻速度30120min鍛件下線溫度600250310HB 隨著科學技術(shù)及工業(yè)水平的高速發(fā)展，構(gòu)建不同材料而組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)將越來越受關(guān)注及廣泛的應(yīng)用。其中，異種金屬材料的焊接研究將是科研的重點所在，這也具有很重要的理論和經(jīng)濟意義。 42CrMo鋼因母材金屬的含碳量高，合金元素所占成分也多，應(yīng)用國際焊接學會計算的Ceq（碳當量）值為0.87%，導致了可焊接性較差。在焊接過程中，一部分的母材金屬會熔化到焊縫金屬中，從而導致了焊層金屬含碳量的提高，該鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較大，偏析現(xiàn)象較嚴重，同時因化學元素硫的存在，焊接時易產(chǎn)生裂紋（如焊層金屬中的熱裂紋），焊接過

8、程中需嚴格控制。42CrMo鋼的淬硬傾向也較大。 對于熔點較高的鋼母材金屬而言，加熱溫度大于800的釬焊為高溫釬焊。而真空釬焊是將結(jié)構(gòu)件放置于真空狀態(tài)下對其進行加熱和保溫，促使釬料在適宜的溫度范圍和時間范圍內(nèi)熔化,通過釬料的毛細作用與固態(tài)金屬發(fā)生充分潤濕、溶解、擴散，從而將工件焊接在一起的一種先進焊接方法。真空釬焊的突出優(yōu)勢是可連接異種金屬、實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的同時焊接,同時因為是在真空環(huán)境下焊接，可有效避免空氣對工件造成不利影響，焊接后的接頭光滑致密、力學性能和抗腐蝕性能的表現(xiàn)優(yōu)良。高溫釬焊最常用的釬焊材料是鋼和鎳基合金，42CrMo/38MnVS6鋼都屬于合金鋼且兩種鋼也適用于真空爐中釬焊，故

9、42CrMo/38MnVS6鋼可采用真空爐高溫釬焊方法焊接。42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊時選擇搭接接頭的形式也是極為正確的。因為搭接接頭是最常用的釬焊接頭形式，此種接頭通過增加接頭的搭接面積可確保改變接頭強度或承載能力，從低于母材變化為與母材相等甚至達到高于母材的數(shù)值。此外，搭接形式的接頭裝配過程較簡單，既省時又省力。本試驗采用42CrMo/38MnVS6鋼搭接接頭形式在TL1400管式真空釬焊爐中加熱到1050、1100、1200三個溫度的高溫釬焊的焊接方法。真空爐中高溫釬焊可精準的控制焊接溫度、保證均勻加熱、焊接變形小、可最大程度的保證焊件尺寸的精度，釬焊質(zhì)量好。高溫釬焊過程中的

10、被焊件表面的平整度、所選擇的釬焊溫度和保溫時間等工藝參數(shù)都會影響釬料的流動效果，也會決定釬料和母材之間相互的冶金反應(yīng)。故準確的控制這些焊接參數(shù)可獲得力學性能優(yōu)秀的高溫釬焊焊接接頭。高溫釬焊不適用釬劑，所以為達到釬劑的防止金屬表面氧化、釬料對母材實施潤濕作用的目的，在真空下環(huán)境保證氣氛純度可與高溫釬焊配合使用。 高溫釬焊得釬縫是由熔化的液態(tài)釬料凝固后連接形成的，這也導致了釬焊接頭的性能一定程度上由釬料的性能決定。本課題的高溫釬焊是采用鎳基（BNi82CrSiB）釬料，此種釬料為硬釬料。鎳基釬料具備良好的高溫性能。高溫釬焊時將焊件和釬料加熱到1050、1100、1200三個熔化溫度，利用BNi82

11、CrSiB釬料良好的潤濕性和毛細作用在釬縫間流動而潤濕母材，填充接頭的間隙，釬料和母材相互擴散，實現(xiàn)連接焊件的目的。BNi82CrSiB釬料是應(yīng)用最廣泛的鎳基釬料，其中Ni元素含量最多，釬料中還加入了碳、硼、硅、鉻、鐵等元素。碳可以降低鎳的熔點，但添加量不能過多，否則會增加釬料對金屬的溶蝕傾向。硅、硼的含量應(yīng)分別控制在6%和4%以下，可避免其與鎳作用生成金屬間化合物或固溶體，防止接頭變脆。硅、硼除了可降低鎳的熔點，還可改善釬料的潤濕性。鉻是BNi82CrSiB釬料的主要添加元素，對鎳具有固溶強化的作用。少量鐵的存在可增加釬料的強度。BNi82CrSiB釬料釬焊的接頭表面光滑平整、具有較高的高溫

12、強度、氣密性好、形狀和尺寸也穩(wěn)定，焊件的組織和性能的變化不大，可連接相同或不相同的金屬及部分非金屬。釬焊前應(yīng)在焊件表面上預(yù)置BNi82CrSiB釬料，釬焊時，還可采用對工件進行整體加熱，一次可焊完多條焊縫，能提高生產(chǎn)效率，且釬焊對工件表面清潔度要求較高，若待焊件表面被油脂、氧化物、灰塵等雜物覆蓋時，液態(tài)釬料在母材表面的鋪展和填充過程會被影響，釬焊前務(wù)必清除完全，故焊前準備工作較復(fù)雜。 由于釬焊的以上特點，釬焊不適用于焊接一般的鋼結(jié)構(gòu)和重載、動載機件，主要用于制造精密儀表、電氣零部結(jié)構(gòu)件、異種金屬結(jié)構(gòu)件以及復(fù)雜的薄板結(jié)構(gòu)。故釬焊在機械加工、電動機制造、儀表的制造、無線電等領(lǐng)域都已得到了廣泛的應(yīng)用

13、。具體可用于制造硬質(zhì)合金刀具、鉆探鉆頭、自行車車架、換熱器、導管以及各類容器等；在微波傳導、電子管和電子真空器件的制造方法中，釬焊甚至是唯一可選擇應(yīng)用的焊接方法。因為釬焊具有精確度高、生產(chǎn)效率高等特點，對于尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求精密的零部件，在生產(chǎn)工藝中可優(yōu)先考慮選擇釬焊方法進行焊接。高溫釬焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、噴氣機發(fā)動機、渦輪葉片、核能技術(shù)和核反應(yīng)堆等軍事加工領(lǐng)域。當制造尺寸要求嚴格，加工難度大的結(jié)構(gòu)件時，高溫釬焊具有不可替代的作用。 該課題的研究可幫助我們進一步了解42CrMo/38MnVS6鋼的焊接性、高溫釬焊的基本原理以及分析兩種鋼高溫釬焊的焊接接頭組織與性能所發(fā)生的變化、同

14、時可學習了解高溫釬焊真空爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)及使用方法。通過此課題的研究，兩種鋼材在汽車零部件及其他機械構(gòu)件的應(yīng)用前景將更加廣闊。也可為后續(xù)此類相關(guān)課題研究奠定理論基礎(chǔ)，提供研究方向與研究方法。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 國外在上個世紀80年代后期就開始以高溫釬焊代替電鍍工藝，并取得了良好的效果，且已有成果已被應(yīng)用。德國的A Trenker等人在高溫釬焊的過程中分別采用了活性釬料和Ni基釬料以實現(xiàn)金剛石與基體的結(jié)合，同時將其與電鍍工具進行了對比，發(fā)現(xiàn)高溫釬焊金剛石工具比電鍍金剛石工具的性能優(yōu)異許多；瑞士的A K Chattopadhyay等人則用Ni-Cr合金作為釬料，在1080溫度、氬

15、氣保護等條件下感應(yīng)釬焊30s來實現(xiàn)金剛石與鋼基體的結(jié)合；國外的學者在一些新型的釬焊方法如輕合金特殊釬料、陶瓷釬焊、納米復(fù)合釬料等特殊的釬焊工藝方面也頗有成就。烏克蘭巴頓電焊研究所研究成功出一種以K2SiF6為基的釬劑，達到了只使用該釬劑而不使用釬料就可完成合金釬焊連接的目的；法國研究者通過在真空或中性的氣氛下成功釬焊出世界上最大的以SiC陶瓷為基的望遠鏡的赫歇爾反射鏡面；德國亞琛大學研究了大量氧化物改性釬料的性能，發(fā)現(xiàn)釬焊接頭抗拉強度與釬焊成分和釬焊的溫度有關(guān)；美國肯塔基州大學開展了關(guān)于納米復(fù)合釬料的研究，將在1350度溫度并在爐中釬焊的不加入納米材料和加入納米材料的釬料進行了對比，發(fā)現(xiàn)納米復(fù)

16、合釬料的熔點相對較低，同時更容易鋪展；德國多特蒙德大學采用有限元模型對硬質(zhì)合金/鋼釬焊接頭應(yīng)力-應(yīng)變進行了模擬，結(jié)果顯示出釬料層較厚時，接頭壓應(yīng)力較小，厚釬層具有較大的塑性變形的能力，釬焊時應(yīng)優(yōu)先選擇；美國的M.Singh、R.Asthana等人采用先進的釬焊技術(shù)焊接集成連接了ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料，研究表明對于接頭組件（在研究中0.51厘米總厚度），向ZS加入鈦或鎳相對于金屬基底要降低近3343%熱阻，使用這樣的接頭的先進組件可提高散熱能力；美國的K.M.Erskine、A.M.Meier、S.M.Pilgrim等人對鈣鈦礦陶瓷與銀/銅氧化物釬焊合金進行的釬焊研究試驗，結(jié)果表明 使用A

17、g/CuO合金，在1050和1100的空氣中可成功釬焊鈮酸鎂（PMN）。對于所有測試的釬焊工件，斷裂強度相對恒定，在銀/ PMN界面處沒有觀察到顯著的反應(yīng)產(chǎn)物層，并且釬焊合金中間層的存在僅略微改變了PMN的電性能；德國MAHLE公司生產(chǎn)的Ferrocomp活塞（鋼/鋼組合活塞）是由鍛鋼頭與鍛鋼裙組合而成?；钊^部為鍛鋼制成，材料采用的是42CrMo4鋼,經(jīng)過淬火和回火處理，而活塞裙材料為38MnVS6鋼。這種活塞雖然具有可承受較高的峰值氣缸壓力、冷卻效率也較高等優(yōu)點，但繁雜的螺栓裝配工藝導致了沉孔座過渡圓角周圍表面應(yīng)力集中嚴重，這會降低活塞壽命。與之不同的是，MONOTHERM活塞由整塊鍛件構(gòu)

18、成，承受的氣缸壓力更大、重量更輕、高度更低、導向性能優(yōu)秀、高強度，最重要的是使用壽命更長。故MONOTHERM活塞已開始批量生產(chǎn)與應(yīng)用。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 雖然目前國內(nèi)在研究能力與技術(shù)水平方面仍與國外存在著一定的差距，但近年正在加大研發(fā)力度，努力加速發(fā)展。第四軍醫(yī)大學采用真空爐內(nèi)高溫釬焊的方法，以NiCr13P9合金作為釬料，配以少量的Cr粉，在950度高溫加壓條件下進行了釬焊，從而實現(xiàn)了金剛石與鋼基體間的牢固結(jié)合。黃曉英等人則采用真空釬焊方法對3003鋁合金和4045鋁合金復(fù)合板進行了有效連接且研究認為元素擴散的快慢是影響接頭強度的決定性因素。北京航空航天大學、北京大學提出了一種適用于

19、鋁及鋁與其他金屬的異種接頭釬焊的釬料和釬劑；這種釬料及釬劑搭配具有優(yōu)良的釬料活性、抗腐蝕性和工藝性，已達到或超過了世界的一流水平。北京航空制造工程研究院的張勝等人對K403合金采用了新型的鎳基釬料3P1而進行了真空釬焊，焊接后得到了與基體的組織相類似的釬焊接頭，之后分析了接頭的微觀組織以及其連接機制，對接頭高溫下的力學性能也進行了測試，測試結(jié)果顯示接頭的高溫力學性能良好，1000下的高溫拉伸強度可以達到基體強度的90%，而高溫持久強度則可以達到基體強度的70%以上。山東大學的宋樹峰等人模仿參考了國內(nèi)外活塞設(shè)計的流程，對自主知識產(chǎn)權(quán)的鍛鋼活塞的設(shè)計開發(fā)展開了研究并通過試驗驗證了所設(shè)計的鍛鋼（42

20、CrMo鋼可做為其中一種制造材料）活塞可通過疲勞強度測試、可靠性分析等試驗，同時可滿足發(fā)動機的性能要求。內(nèi)蒙古科技大學的峰山等人對42CrMO鋼的硬度和耐磨性能進行了研究，結(jié)果顯示隨著合金元素Mo、Nb配比的增加，試樣的硬度隨之增加，磨損率值減小，耐磨性提高。濟南第二機床集團有限公司的馮煥公、高海濤等人對42CrMo高強鋼的焊接工藝進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)42CrMo中碳調(diào)質(zhì)高強鋼若采用V型坡口和CO2混合氣體保護焊等焊接工藝就可獲得滿足機械性能的焊接接頭。上海機械制造研究所的王志明、陳德華等人研究過鍛造工藝可對非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS6的微觀組織及力學性能造成的影響，試驗結(jié)果證明鍛造工藝的終鍛溫度會

21、導致38MnVS6鋼晶粒度的大小發(fā)生變化，影響力學性能；當加熱到1050以上時，38MnVS6鋼中的微合金元素就能全部溶于奧氏體中，發(fā)揮彌散強化作用；終鍛溫度不變的情況下，增加冷卻速度可提高硬度與強度；細小的鐵素體晶粒采用彌散分布的方式有利于提高材料的塑性。安徽工程大學的姚宏山、張建國等人研究造成38MnVS6汽車轉(zhuǎn)向節(jié)桿部沖擊韌性偏低的原因,發(fā)現(xiàn)了晶粒度偏大且晶粒不均勻是引起沖擊韌性偏低的一個原因。國內(nèi)的劉棟林、譚利等人研究的是38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)上的應(yīng)用，研究表明采用38MnVS6非調(diào)質(zhì)鋼制造轉(zhuǎn)向節(jié)是十分合適的。東北大學的邢萍等人研究了氮元素含量對非調(diào)質(zhì)鋼38MnVS6的組織

22、及性能的影響，結(jié)果顯示氮含量的增加會造成38MnVS6鋼的強度先降低而后升高，室溫條件下沖擊韌性會先升高再降低；氮含量增加會使鐵素體含量上升和細化組織，從而起到顯著有效的韌性改善功能。1.3 課題主要研究內(nèi)容 高溫釬焊技術(shù)具備焊接溫度高、焊接溫度加熱均勻、變形小、焊接接頭性能優(yōu)良等優(yōu)點，故本文論述了42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊后的組織及性能研究的成果及影響。具體研究內(nèi)容如下：（1）選取3組異質(zhì)的42CrMo/38MnVS6鋼為母材，采用三個不同的焊接溫度，通過對比分析三個不同溫度下的焊接接頭的組織及性能差異，尋求最佳的焊接工藝和焊接接頭。（2）選用合適的焊接釬料，探尋高溫釬焊焊接工藝

23、連接42CrMo/38MnVS6鋼的工藝特性及規(guī)律。（3）42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊接頭的微觀組織成分研究及界面行為分析。（4）42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊接頭的力學性能的研究。第二章 試驗材料及設(shè)備2.1 試驗材料 試驗所用的材料為北京海納川汽車部件股份有限公司提供的2mm厚的42CrMo/38MnVS6鋼，兩種材料的各種化學元素含量如表2.1和表2.2所示，42CrMo鋼力學性能見表2.3，38MnVS6鋼力學性能見表2.4表2.1 42CrMo鋼的化學成分（%）Tab.2.1 The chemical composition of 42CrMo Steel C Si

24、 Mn P S Cr Mo Fe0.380.45 0.200.40 0.500.80 0.035 0.040 0.901.20 0.150.25 余量表2.2 38MnVS6鋼化學成分（%）Tab.2.2 The chemical composition of 38MnVS6 Steel C Si Mn S P V N Fe0.370.41 0.150.80 1.21.6 0.020.06 0.025 0.080.20 0.010.02 余量表2.3 42CrMo鋼力學性能Tab.2.3 The mechanical properties of 42CrMo Steel抗拉強度b/MPa 屈服

25、強度s/MPa 伸長率(%) 斷面收縮率(%) 硬度1080（110） 930（95） 12 45 217HB表2.4 38MnVS6鋼力學性能Tab.2.3 The mechanical properties of 38MnVS6 Steel抗拉強度b/MPa 屈服強度s/MPa 伸長率(%) 斷面收縮率(%) 硬度 810 555 23.0 50.0 257HB利用Scope Axio ZEISS金相顯微鏡拍攝的42CrMo/38MnVS6鋼的微觀組織照片如圖2.1、2.2所示。由圖2.1可知，42CrMo鋼組織為圖中黑色的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后保持馬氏體位向的回火索氏體和白色相的鐵素體組成。由圖2

26、.2可知，38MnVS6鋼組織由圖中相互夾雜的白色無規(guī)則形狀相和和黑色塊狀相組成，白色相是鐵素體，黑色相是珠光體。 42CrMo鋼 38MnVS6鋼 圖2.1 42CrMo鋼顯微組織 圖2.2 38MnVS6鋼顯微組織Figure 2.1 Microstructure of 42CrMo steel Figure 2.2 Microstructure of 38MnVS6 steel 本文利用高溫釬焊搭接接頭的方法焊接42CrMo/38MnVS6鋼，兩板之間放置釬料焊接，釬料型號是國家標準GB 10859-1989規(guī)定的BNi82CrSiB釬料,其化學成分如表2.4所示表2.5 BNi82Cr

27、SiB釬料化學成分及熔化溫度Table 2.5 The Chemical composition and melting temperarure of BNi82CrSiB brazing filler metalCr B Si Fe C S P Ni TS TL6-8 2.75-3.5 4-5 2.5-3.5 0.06 0.02 0.02 余量 970 1000 2.2 試樣制備和試驗設(shè)備2.2.1 高溫釬焊試驗 試驗方法：焊前第一步工序是下料，用線切割機切割下料，切取的試樣尺寸為25mm×22mm×2mm。線切割可以確保搭接焊縫緊密結(jié)合，有利于得到良好的焊接效果。由于高

28、溫釬焊對焊件表面要求較高，焊前需進行42CrMo/38MnVS6鋼表面清潔度的嚴格處理。用丙酮清洗焊件表面油污，之后用#240、#320、#500、#800、#1200砂紙對工件表面及四周進行精細打磨，以到達去除表面鐵銹、毛刺、氧化膜、保證表面及四周平整光滑的目的。處理完成后，用無水乙醇再次清洗表面，之后用塑封袋存放焊件，防止表面變臟及氧化。焊接前，在兩板搭接接頭間預(yù)放置粉末狀的BNi82CrSiB釬料，隨后在真空爐中完成高溫釬焊。在確定10min的保溫時間前提下，改變釬焊溫度，獲得1050、1100、1200三種不同焊接溫度下的焊接接頭，研究分析不同溫度下的接頭的微觀組織、硬度的變化。 試驗

29、設(shè)備：試驗所用的設(shè)備為南京博蘊通儀器科技有限公司生產(chǎn)的TL1400管式真空釬焊爐，此設(shè)備由TL1400管式加熱爐和高真空分子泵組構(gòu)成，該設(shè)備具有快速升溫、降溫的功能，電源電壓為220V。當電爐溫度超過1200或熱電偶燒斷時，設(shè)備會啟動過溫保護或斷偶保護功能，主電路的交流繼電器會自動斷開，主電路斷開，面板的ON燈熄滅，OFF燈變亮，起到保護電爐的作用。此外還具備斷電保護，斷電后再啟動時，程序會從斷電爐溫開始升溫。TL1400管式真空釬焊爐如圖2.5所示 圖2.3TL1400管式真空釬焊爐Figure 2.5TL1400 tube type vacuum brazing furnace2.2.2

30、金相試驗 試驗方法：焊件高溫釬焊后在爐中保溫10min，利用DK7750型線切割機在垂直于焊縫(接頭）方向切取金相試樣。由于試樣尺寸較小，為方便拋光及打磨，保證觀察顯微組織時表面平整，易于觀察，切割后的試樣需進行鑲嵌，鑲嵌過程在如圖2.9所示的實驗室的金相鑲嵌機上完成。每次鑲嵌一個工件，鑲嵌時間為20s，鑲嵌的溫度為140，旋轉(zhuǎn)右側(cè)把手加壓至壓力燈亮起即可。鑲嵌后的試樣經(jīng)#240、#320、#500、#800、#1200金相砂紙打磨平整無劃痕后進行拋光。打磨時，必須依次按照不同強度的砂紙由大到小的順序打磨。最終做到將試樣表面劃痕磨掉，之后在拋光機上進行拋光。拋光布為尼絨布，拋光過程中可用1.5

31、 、3.5 金剛石研磨膏去除劃痕，將焊縫位置處表面拋光至鏡面般光亮無劃痕即合格。拋光結(jié)束后，用清水沖洗干凈表面，用吹風機吹干之后用棉簽蘸取少量無水乙醇擦拭清理表面 ，再次用吹風機吹干。組織觀察：先用4%硝酸酒精溶液對42CrMo/38MnVS6鋼進行腐蝕，腐蝕時間為3-6秒。之后釬縫區(qū)域用氫氟酸：硝酸：鹽酸=3:3:5的容量比配置15mL氫氟酸+15mL硝酸+25mL鹽酸共55mL的混合酸腐蝕液進行腐蝕，腐蝕時間是30秒。腐蝕完成后立即用清水進行洗滌，吹風機吹干，之后用無水乙醇清理試樣表面，吹風機吹干。在光學顯微鏡（如圖2.9所示）下觀察微觀組織。 試驗設(shè)備：DK7750型線切割機如圖2.4所

32、示，金相鑲嵌機如圖2.5所示 ，金相光學顯微鏡如圖2.6所示，體視顯微鏡如圖2.7所示。圖2.4 DK7750型線切割機Figure 2.4 DK7750 line cutting machine圖2.5 金相鑲嵌機Figure 2.5 Metallic mosaic machine 圖2.6金相顯微鏡 圖2.7體式顯微鏡Figure 2.6 metallographic microscope Figure 2.7 Stereomicroscop2.2.3 顯微硬度試驗 試驗方法：硬度是材料重要的力學性能指標，代表材料抵抗外界壓力的能力強弱。金相試樣觀察完微觀組織后就可做硬度試驗。硬度試驗要求

33、試樣表面必須平整，否則測量的硬度數(shù)值不準確。若表面污染嚴重，還需重新拋光腐蝕表面。使用MH-5型維氏硬度儀測量釬縫附近區(qū)域及兩種母材的硬度值并記錄下來。測量方向為從42CrMo鋼一側(cè)開始，經(jīng)過母材、擴散區(qū)、釬縫界面區(qū)、釬縫中心區(qū)，再測量38MnVS6鋼一側(cè)的四個區(qū)域。測量點間隔距離為0.15mm，加載載荷1kg，加載時間5s。 試驗設(shè)備：MH-5維氏硬度儀，如圖2.8所示。圖2.8 MH-5維氏硬度儀Figure 2.8 MH-5 Vivtorinox hardness tester2.2.4 掃描電鏡試驗 試驗方法：金相試驗所使用的的金相試樣就可用于掃描電鏡試驗。不同于光學顯微鏡，電子顯微鏡

34、觀察的試樣景深更大、放大倍數(shù)更大、圖像更有立體感，更便于觀察接頭各區(qū)域分布、組織組成與相組成，觀察的結(jié)果也更清晰具體。用于掃描的試樣的拋光與腐蝕要求與金相試驗相同，試樣高度不可超過 1cm，防止觀察時劃傷鏡頭。 試驗設(shè)備：S3400-N型掃描電子顯微鏡，如圖2.9所示。圖2.9 S3400-N型掃描電子顯微鏡Figure 2.9 S3400-N scanning electron microscope2.2.5 物相分析試驗 試驗方法：在三組金相試樣中選取一組性能及微觀組織良好的試樣，使用X射線衍射儀做廣角XRD掃描試驗，采用激光打點的方式確定掃描區(qū)域，檢測并獲得試樣晶像特征衍射峰圖，通過應(yīng)用

35、Jade和Origin軟件，對比查詢PDF卡片，判斷并確認試樣晶像的成分。 試驗設(shè)備：XPert3PowerX射線衍射儀，設(shè)備如圖2.10所示。圖2.10 XPert3PowerX射線衍射儀Fig. 2.10 XPert3PowerX-ray diffractometer第三章 42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊異種接頭組織及性能3.1 42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊異種接頭組織 42CrMo/38MnVS6鋼因鎳基釬料良好的潤濕性和毛細作用在釬縫間流動而潤濕母材，填充接頭的間隙，釬料和母材相互擴散，焊接完成后在爐中保溫10min，冷卻后形成焊接接頭，從而實現(xiàn)兩種鋼的連接。兩種母材

36、與填充焊縫的鎳基釬料的化學成分均不相同，焊接后形成的焊接接頭的組織也變得復(fù)雜。圖3.1為42CrMo/38MnVS6鋼在TL1400管式真空釬焊爐中采用BNi82CrSiB釬料，在1200高溫釬焊的條件下，得到的工件接頭表面形貌。由圖可知接頭成形美觀，接頭為高溫釬焊搭接接頭。焊接接頭由釬縫中心區(qū)、擴散區(qū)、釬縫界面區(qū)、母材四部分組成。42CrMo/38MnVS6鋼高溫釬焊搭接焊接過程中，BNi82CrSiB釬料與高溫下局部熔化的42CrMo/38MnVS6鋼母材相互混合，然后經(jīng)潤濕后鋪展在下端母材表面上，經(jīng)冷卻后形成焊接接頭。圖3.1 接頭表面形貌（T=1200）Figure 3.1 Surfa

37、ce morphology of weld joint；(T = 1200) 圖3.2為高溫釬焊焊縫區(qū)域的微觀組織。由圖可知高溫釬焊焊縫兩側(cè)附近區(qū)域存在大量的黑色針狀馬氏體，這是由于42CrMo/38MnVS6鋼在高溫釬焊過程中會大量向釬縫中心區(qū)擴散。在1200高溫作用下，因兩側(cè)母材熔點比鎳基釬料高，故釬料會發(fā)生熔化，釬料中的活躍元素硼會迅速向母材擴散，同時母材也會向釬料溶解，造成靠近釬縫的母材含硼較多并向釬縫溶解，釬縫中硼含量會隨之提高，冷卻凝固后釬縫處也會形成化合物相。釬縫中心區(qū)內(nèi)的組織組成及形態(tài)與周圍區(qū)域組織形成鮮明的對比。焊縫中的相由鎳、鐵、鉻等元素組合而成。圖3.2高溫釬焊焊縫區(qū)域的

38、微觀組織。（T=1200）Fig 3.2 microstructure of the high temperature brazed weld area. 圖3.3 42CrMo鋼一側(cè)的釬縫及附近的微觀組織（釬縫及上側(cè)區(qū)域）Figure 3.3 42CrMo steel side of the brazing seam and the nearby microstructure (brazing seam and the upper area) 由圖（a）可知42CrMo鋼由經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的保持馬氏體位向的回火索氏體組成；圖（b）為鎳基釬料向42CrMo鋼擴散。因為鎳基釬料熔點小于42CrMo鋼

39、熔點，在高焊接溫度的影響下，焊接過程中釬料會熔化為液態(tài)并向42CrMo鋼一側(cè)流動擴散。圖中釬縫界面區(qū)下側(cè)有明顯的白色無規(guī)則形狀的釬料向42CrMo鋼擴散。圖（c）為42CrMo鋼向釬縫中心區(qū)擴散并與釬料結(jié)合，在圖中可看出明顯的分界線，分界線上側(cè)為釬縫界面區(qū)，分界線下側(cè)為擴散區(qū)。在這個區(qū)域會發(fā)生母材向釬縫溶解，故在此區(qū)域會看到存在大量針狀馬氏體，白色小塊狀狀組織為殘留的鐵素體，這是因為部分母材與釬料溶解并冷卻后形成的。 圖3.3（a）母材 圖3.3（b）擴散區(qū)Fig 3.3(a) Base material diagram Fig 3.3(b) Diffusion zone圖3.3（c）釬縫界面

40、區(qū)Fig 3.3(c) Brazing interface area圖3.3 38MnVS6鋼一側(cè)的釬縫及附近的微觀組織（釬縫及下側(cè)區(qū)域）Figure 3.3 38MnVS6 steel side of the brazing seam and the nearby microstructure (brazing seam and the upper area) 由圖（a）可知38MnVS6鋼在1200高溫條件下已無明顯的珠光體和鐵素體組織形態(tài)，取而代之的是黑色的回火索氏體的生成并存在部分殘留的白色鐵素體相。圖（b）為鎳基釬料向38MnVS6鋼擴散。和42CrMo鋼相同原理，因為鎳基釬料熔點小

41、于38MnVS6鋼熔點，在高焊接溫度的影響下，焊接過程中釬料會熔化為液態(tài)并向38MnVS6鋼一側(cè)流動擴散。圖中釬縫上側(cè)有明顯的白色無規(guī)則形狀的釬料向38MnVS6鋼擴散，圖（c）為38MnVS6鋼向釬縫中心區(qū)擴散并與釬料結(jié)合。在圖中也可看出明顯的因釬料沿著釬縫界面區(qū)與擴散區(qū)分界處流動而形成的分界線，這個分界線以內(nèi)是釬縫界面區(qū)。分界線下側(cè)為擴散區(qū)，擴散區(qū)下側(cè)為38MnVS6鋼。在這個區(qū)域會發(fā)生母材向釬縫中心區(qū)擴散，故在此區(qū)域同42CrMo鋼一側(cè)的釬縫界面區(qū)一樣會看到存在少量黑色的針狀馬氏體，白色小塊狀狀組織為殘留的鐵素體。 圖3.4（a）母材 圖3.4（b）擴散區(qū)Fig (a) Base mat

42、erial diagram Fig (b) Diffusion zone圖3.4（c）釬縫界面區(qū)Fig 3.3(c) Brazing interface area圖3.5為42CrMo鋼XRD掃描分析根據(jù)圖3.5可分析出42CrMo鋼中的主要相組成為鐵、鉻、鐵鉻化合物三種相，這與42CrMo鋼的化學成分含量相符。同時鐵與鉻的不同組成方式及含量的差異可組合成幾種不同類型的鐵鉻化合物相。圖3.6為38MnVS6鋼XRD掃描分析圖3.7為釬焊中心區(qū)XRD掃描分析根據(jù)圖3.7可分析出釬縫中心區(qū)的主要相組成為碳、鐵鎳化合物、鐵鉻化合物、鎳鉻鐵化合物四種相，釬縫中心區(qū)內(nèi)還存在著少量的鎳硅化合物、鉻硅化合物相。這說明在焊接過程中母材及釬料中的主要相之間發(fā)生了反應(yīng)生成了新化合物相。釬料因高溫熔化后會流動與擴散，同時母材也會向釬縫溶解，故釬料中的鎳會和母材中的鐵和鉻結(jié)合，從而在釬縫中心區(qū)生成新的鐵鎳和鐵鎳鉻化合物相。圖3.8為釬焊界面區(qū)XRD掃描分析根據(jù)圖3.8可分析出釬縫界面區(qū)的主要相組成為鐵、鐵鎳化合物、鎳鉻鐵化合物、鐵鉻化合物四種相，界面區(qū)內(nèi)同樣還存在著少量的鎳硅化合物相、錳硅化合物相。形成原理與釬縫中心區(qū)相同，母材和釬料會發(fā)生相互作用，擴散與溶解后生成