多元铜基钎料成分设计

缝剪切强度有利。 Si、Al 的添加总体趋势是削弱了
图 2 润湿性能与元素间 回归曲线 ( a) Z3= 8, Z5= 0. 5, Z1= 1 ( b) Z3= 9. 164, Z5= 0. 5, Z1= 1
( c) Z3= 9. 164, Z5= 0, Z1= 1 (d ) Z3= 8, Z 5= 0, Z 1= 0
2. 263 2
9. 185 2
0. 332 0
0. 850 7
189. 79
2. 700 0
9. 500 0
0. 390 0
1
180. 61
剪切强度/ MPa
ydj( 预测)
yj( 试验)
255. 62
271. 11
256. 76
248. 73
285. 30
283. 70
收稿日期: 2000 05 22 * 国家自然科学基金资助项目( 项目编号: 59835200) 康 辉 吉林大学信息学院 讲师, 130025 长春市 邱小明 吉林大学焊接教研室 副教授 丛 茜 吉林大学汽车学院 教授 李建桥 吉林大学农机研究院 教授 博士生导师
第 3 期
康辉 等: 多元铜基钎料成分设计
表 1 添加合金元素的质量百分比
合金元素 Mn 加入量 6～10
Ni 1～3
Sn 0～2
Si 0～1
Al 0～1
CuZ n 余量
试验采用 5 因素的二次回归正交组合设计, 选 用 L 27 ( 313 ) 正交表[ 5] , 确定了 27 组铜基钎料成分的 配方, 经冶炼后, 按 GB11363- 89、GB11364- 89 标 准测定其力学性能和润湿性能, 建立起元素与性能 之间的回归方程[ 6] 。
1 试验方案的设计
要使钎料较好地润湿白口铸铁材料, 添加元素 应既能与白口铸铁中的合金元素形成固溶体或化合 物, 又能够溶解于 Cu 或 Zn 中, 否则在钎料中可能 产生脆硬的金属间化合物。同时, 添加的合金元素还 应能降低 CuZn 合金的熔化温度, 并抑制 Zn 挥发。 参考 Cu 和 Zn 的二元金相图和锌当量理论, 添加合 金元素以 M n、Ni、Sn、Si、Al 等较为适宜( 见表 1) 。
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农 业 机 械 学 报
2 0 0 1 年
图 3 剪切强度与元素间 回归曲线
( a) Z3= 8, Z5= 0. 5, Z1= 1 ( b) Z3= 9. 164, Z5= 0. 5, Z1= 1
( c) Z3= 9. 164, Z5= 0, Z1= 1 (d ) Z3= 8, Z 5= 0, Z 1= 0
123. 26Z24+
98.
82Z
2 5
( 2)
式中 Z1～Z5——Sn、N i、M n、Si、A l 的质量百分比
回归系数反映试验因素对试验指标 的影响程
度。在多元合金元素的作用下, 由于添加的合金元素
要与母材和钎料中的其他元素同时作用, 使得合金
元素对钎料的润湿性能和剪切强度影响规律变化较
单元合金元素间变化规律复杂。由回归方程可见, 各 元素对钎料润湿性能和钎缝剪切强度的贡献大小是
Key words Cu-base f iller m et al, Brazing , Composit ion, Design
引言
白口铸铁价格低廉, 具有较高的耐磨性, 但韧性 低, 一般认为钎焊没有意义[ 1] , 常用堆焊方法或复合 方法( 白口铸铁与钢浇复合锭或白口铸铁与韧性钢 板镶嵌) 在钢表面获得一耐磨层[ 2] 。在基体材料钢表 面通过堆焊白口铸铁形成的耐磨层, 由于焊接温度 高, 易使部件产生变形, 并形成裂纹, 甚至开焊[ 3] ; 复
式( 3) , 可找出一系列满足上述约束条件的配方, 考 表 3。表 4 是多元铜基钎料性能。
虑到钎料冶炼的实际操作过程, 筛选了其中的 8 组
序号
1 2 3 4 5 6 7 8
Z1 0. 344 0 0. 440 0 0. 288 0 0. 144 5 0. 159 9 0. 080 5 0. 623 7 0. 004 0
试验钎料的冶炼在经改造过的可充惰性保护气 体的 GP20 1000( kHz) 高频感应加热炉中进行, 如 图 1 示。钎料放入陶瓷和石墨复合坩埚内, 靠感应石 墨加热并熔化钎料, 这样可避免碳的浸入, 热电偶直 接插入钎料中以监测加热温度。冶炼时, 充入惰性气 体( N 2) , 钎料表面添加特殊配 制的覆盖剂, 以最大 限度地减少氧化与烧损, 并使熔融的钎料充分除气 与脱渣。钎料冶炼过程中的搅拌是通过高频产生的 磁场来实现的。对于熔点高的合金元素, 以合金方式 加入。用上述方法冶炼钎料, 其成分均匀, 钎料总烧28. 45Z22 +
143. 44Z24-
6
3.
75Z
2 5
( 1)
ydj= - 99. 76- 12. 11Z1+ 28. 42Z2+ 72. 88Z3+
33. 23Z4- 63. 36Z5- 26. 21Z1 Z2+ 90. 02Z1Z4+
14. 52Z2Z3- 26. 89Z22- 6. 37Z23 -
不一样的, 参见图 2、3。Ni、M n、Sn 对钎料的润湿性
能和钎缝剪切强度影响较大, Si、Al 对钎料的润湿 性能和钎缝剪切强度影响较小。其中 Ni 提高钎料润 湿性能和钎缝剪切强度的幅度最大, 其次为 M n 和 Sn。当 N i 含量超过 2% 后, 其润湿性能和钎缝剪切
强度随之降低。Ni 对钎料润湿性能和钎缝剪切强度 的影响同时还受到其他合金元素的制约。Ni 与 Mn 及 Ni 与 Sn 的交互作用对提高钎料润湿性能和钎
合材料在结构形状和锻压、机加工等工序中又受到
一定的限制。近几年研究结果表明: 钎焊是有希望用 于上述双金属材料连接的一种焊接方法, 可获得牢 固的钎缝。因此, 钎焊技术是制造廉价、高硬度、耐磨 性优良的白口铸铁部件的优选方法[ 4] 。CuZn 系合金 是常用的一种价格低廉的硬钎料, 对钢的润湿性和 填满间隙的能力很好, 广泛应用于钎焊低碳钢、低合 金钢和焊补铸铁。CuZn 钎料由于熔点高, 以致钎焊
和试验值基本上是吻合的。
150 mm 2≤ydr ≤190 mm 2
220 M Pa≤ydj≤300 M Pa
( 3)
试验时合金元素添加量范围见表 1。
用计 算机联 立解 回归方 程式( 1) 、( 2) 和 不等
从对表 2 中 8 组配方分析可知, 元素含量在一 定范围之内, 钎料能达到较佳的性能指标, 在综合考 虑钎料冶炼、配方、元素杂质含量、钎料中合金元素 烧损等诸多因素影响后, 最后确定钎料成分范围见
能和接 头强度。在综合分析 钎料成分对 钎料性能、成本影 响后, 优化设计出 用于钎焊 合金白口铸 铁的含 M n 量为
8. 5% ～ 9. 5% 、含 N i 量为 1. 5% ～2. 5% 、含 Sn 量为 0. 3% ～0. 8% 、含 Si 量为 0. 3% ～ 0. 8% 、含 A l 量为 0. 5% ～ 1% 的最佳成分钎料。多元铜基钎料性能优于铜锌钎料( BCu62Z n) 。
20 01年5 月
农业机械学报
第 32 卷 第 3 期
多元铜基钎料成分设计*
康 辉 邱小明 丛 茜 李建桥
【摘要】 根据二次回归设计方法建立了合金 元素与钎料的润湿 性能及力学性能的 回归方程, 分 析了合金元素
对钎料的润湿性能及剪切强度影响 规律。结果表明: Ni 及 N i 与 M n、N i 与 Sn 的交互作用能明显提高钎料的润湿性
Ni 的作用, 但对钎料外观成形有利。
配方, 以润湿面积和剪切强度为主要指标, 对其中的
根据铜基钎料钎焊碳钢所能达到的性能指标, 3 组Ni 含量较低的配方进行验证, 得出它们的预测
并结合铜基钎料钎焊白口铸铁的具体特点, 对钎料 值与试验值, 如表 2 所示。从表 2 可以看出, 预测值
润湿性能和钎缝剪切强度提出如下要求
叙词: 铜基钎料 钎焊 成分 设计
中图分类号: T G 454
文献标识码: A
Composition Design of Multicomponent Cu-base Filler Metal
Kang Hui Qiu Xiaom ing Cong Qian L i Jianqiao ( J il in Uni versity )
Abstract
By means of t he quadrat ic regr ession composit ion desig n pro cess, t he reg ressio n equat ions related w et t abilit y and mechanical pro pert y of f iller metal t o elements w ere est ablished. T he inf luence of t he elem ent s on t he w et tability and shearing st reng th w as analyzed. T he research result s pro ved t hat t he improvement of w et tability and shearing str engt h o f mult icom ponent Cubase f ill er met al can be achiev ed by adding a rig ht am ount of Ni, M n and Sn. T he influence of t he Cu-base filler metal composit ion o n t he pro pert ies and cost s o f t he Cu-base filler met al w as also analy zed. T he cont ribut ions of a brazed low alloy whit e cast iro n w ere opt imized based on above analy sis. T he resul t is that M n is 8. 5% ～9. 5% , N i 1. 5% ～2. 5% , Sn 0. 3% ～0. 8% , Si 0. 3% ～ 0. 8% , and Al 0. 5% ～1% . T he pro pert ies o f t he mult icom ponent Cu-base filler met al are pr io r t o t ho se of Cu-Zn f iller met al.