鈦合金眼鏡鏡架釬焊用釬料的研究

鄭州市豪諾焊接材料有限公司   王海彬 杜軍平

摘要   通過對幾種銅基釬料的性能對比及金相分析，研究了合金元素對銅基釬料釬焊鈦合金的性能影響。從而確定了氬氣保護(hù)下電阻釬焊釬焊鈦合金用銅基釬料Cu-Ni-Mn-Al的成份，找到了改善銅基釬料對鈦母材溶蝕的合金元素Al及含量。

關(guān)鍵詞：鈦合金釬焊   銅基釬料   電阻釬焊 銀焊條 銀焊絲 銀焊線

0   前言

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的改善，鈦及其合金的應(yīng)用越來越廣泛，由于鈦金屬重量輕、生物相容性好，比強(qiáng)度高，抗腐蝕性強(qiáng)，在手表和眼鏡行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。由于手表和眼鏡多為釬焊制品，就產(chǎn)生了對鈦金屬的釬焊要求，眼鏡和手表產(chǎn)量大，釬焊點多，要求釬焊效率高、方便、易操作。所以真空釬焊就不適合生產(chǎn)需要，目前眼鏡廠大都采用氬氣保護(hù)下的電阻釬焊，利用Ti-Cu-Ni非晶焊線釬焊純鈦制品，這種需求越來越多。目前國內(nèi)還沒有生產(chǎn)這種的釬料廠家，手表廠和眼鏡廠都是從日本進(jìn)口這類焊線，價格貴且交貨周期長。因此廠家迫切要求有一種效率高、價格低廉、性能穩(wěn)定的氬氣保護(hù)釬焊工藝和材料取代目前的方法。銅基釬料對母材溶蝕性很大，本文重點研究如何通過添加合金元素阻止銅基釬料對鈦母材的溶蝕，獲得性能優(yōu)良的釬料。

1 實驗材料、方法、及設(shè)備工藝

1.1 實驗材料

表1   TC4的化學(xué)成份（%）

我們選用鈦合金TC4為母材，母材的化學(xué)成分列于表1，潤濕性試樣采用50mm×50mm×1mm的TC4板材。

1.2   試驗設(shè)備和方法

常規(guī)的板式單片搭接接頭存在釬角較難完全清除、搭接面積測量不準(zhǔn)確、釬縫間隙不一致以及接頭在變形過程中存在一定的扭矩等影響試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素。為了精確的獲得抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，我們特設(shè)計如圖1所示的釬焊接頭

本試驗中釬料的潤濕性試驗采用的試驗爐與GB11364-89一致，使用氬氣保護(hù)，要求使用高純氬氣，其露點必需是-54℃或更低，并且采用三種釬焊溫度：950℃、1050℃、1150℃，保溫5秒。測定抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕性、抗剪強(qiáng)度的釬焊接頭利用TN-1X型鈦金屬眼鏡架微電腦自動焊接機(jī)釬焊。采用三種釬焊溫度：950℃、1050℃、1150℃，保溫0.5秒。通過對比分析釬料的強(qiáng)度和釬焊性能來確定釬料的成份。

釬焊前   加工后釬焊前                     釬焊前       加工后

a 抗拉強(qiáng)度接頭                            b   抗剪強(qiáng)度接頭

圖1   釬焊接頭裝配示意圖

2 釬料成份的設(shè)計

根據(jù)金屬學(xué)原理，為了實現(xiàn)所研制的釬料具有優(yōu)良的釬焊性能，必須對各有關(guān)合金元素進(jìn)行詳細(xì)分析，從而設(shè)計、實驗研究出理想的釬料。

Cu、Ni 可以與鈦形成低熔共晶，所以一般鈦合金釬料大都選用Cu、Ni做為降低熔化溫度的元素，且其材料成本低廉。若釬料中加入Cu量超過15%時，會形成脆性金屬間化合物，若同時加入Ni，再加入少量的Li，釬焊接頭的強(qiáng)度和韌性明顯上升。Cu、Ni可以與鈦發(fā)生強(qiáng)烈作用，釬焊時會快速擴(kuò)散到基體金屬中與鈦反應(yīng)造成對基體的溶蝕和形成脆性的擴(kuò)散層。因此不利于薄壁件的釬焊。應(yīng)嚴(yán)格控制釬焊溫度和釬焊時間，使釬料和基體金屬的反應(yīng)和溶蝕保持在可接受的范圍以內(nèi)。

Mn 在銅、鎳基釬料中加入少量對降低熔點作用很小，主要是為了改善釬料的潤濕性和提高接頭強(qiáng)度，若加入0.5%的Mn，釬料的抗腐蝕性能得到極大的改善。由于Mn的蒸氣壓很高，所以不適宜真空釬焊，**在惰性氣體保護(hù)下釬焊。

Al 在釬料中可以降低釬料的熔點，與鈦基體相互作用小，與鈦的合金化反應(yīng)*弱，能夠提高接頭的抗高溫氧化和抗鹽霧腐蝕性能，可以促進(jìn)釬料的潤濕性和基體表面氧化膜的去除。在較低溫度范圍內(nèi)（＜700℃），鋁可以促進(jìn)氧向鈦基體中擴(kuò)散溶解而使氧化膜從鈦表面去除，在高溫范圍內(nèi)（＞700℃），鋁促進(jìn)釬料的潤濕性主要通過液相鋁與鈦界面區(qū)相互反應(yīng)。不過，控制不好，容易產(chǎn)生過量的TiAl₃金屬間化合物的形成，使接頭的性能下降，

根據(jù)上述分析，，如果我們采用Cu基釬料，加入Ni、Mn、Al、等元素，共設(shè)計了三種不同成分的合金，在三種合金中均保持Ni含量為40%，適當(dāng)調(diào)整Mn、Al含量，來獲得性能合乎要求的釬料，我們設(shè)計成分如表2所示。釬料采用真空中頻感應(yīng)冶煉，石英坩堝真空度為1pa，原料用純度為99.9%的電解Cu、Ni、Mn、Al合金。熔煉時待原料熔化后，保持約30分鐘使成分均勻，然后澆鑄到金屬模中，熱軋成0.05mm厚的薄帶。

表2 釬料化學(xué)成分

3 釬料的性能對比與分析

3.1 合金成分對釬料潤濕性的影響

如圖2 所示，三種釬料里潤濕性隨著含Mn量的增加而增加，釬焊溫度隨著含Al量的增加而逐漸降低，由于THL-2含鋁高，所以釬焊溫度比較低，大約在1000℃，潤濕性比較好。THL-3含鋁量少，含錳量高，故釬焊溫度較高，大約在11

3.2   合金成分對釬焊接頭抗拉強(qiáng)度的影響

由圖3可知，三種釬料的釬焊接頭抗拉強(qiáng)度隨著含Mn量增加而增加，隨著含Al量的增加而減少。THL-1釬料在1150℃以下基本無效果。THL-2由于含Al較多 ，釬焊溫度較低，強(qiáng)度較低，釬焊溫度基本對抗拉強(qiáng)度無影響。THL-3由于含Mn量較多，故抗拉強(qiáng)度較高，熔點較高，在1150℃時斷于母材。

3.3 合金成分對接頭的抗剪強(qiáng)度的影響

合金元素對釬料釬焊接頭抗剪強(qiáng)度的影響如圖4所示，隨著釬料含Mn量增加，釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度也增大。隨著含Al量的增加，接頭的抗剪強(qiáng)度下降。由于THL-2含Al量較多，釬料與母材的合金化反應(yīng)較弱，故釬焊溫度對HL-2的接頭抗剪強(qiáng)度影響不大。THL-3含Mn量較大，其釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度較大。

3.4   合金成分對接頭的耐腐蝕性能的影響

合金成分對釬料的抗腐蝕性能影響如圖5所示，在合適的釬焊溫度下隨著釬料含Mn量的增加，釬焊接頭的抗腐蝕性逐漸增加。隨著含Al量的增加，釬料的抗腐蝕性能有適當(dāng)?shù)奶岣摺?/span>THL-1由于釬焊溫度沒到，所以其接頭抗腐蝕性差。THL-2釬料含Al量多，當(dāng)釬焊溫度過高時，由于Al的過度消耗，使得釬焊接頭的抗腐蝕性能急劇下降。THL-3釬料含Mn量高，其接頭抗腐蝕性好。

3.5 釬料THL-3的釬縫顯微組織分析

由圖6a中可看出釬料THL-3與母材形成非常均勻的、致密的、較寬的擴(kuò)散層，釬縫處由取向一致的等軸晶組成，所以釬焊接頭的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕性能都較好。從圖6b中可看出，在釬縫與母材交界處，有兩層擴(kuò)散層，據(jù)分析靠近母材一側(cè)為黑色富含Cu、Ni的一層組織，靠近釬料的一側(cè)為白色富含Ti、Zr的一層組織，這是由于釬料中不含Al,釬焊時Cu、Ni強(qiáng)烈的向Ti中擴(kuò)散，而釬料中Cu、Ni比例低，造成釬料一側(cè)Ti富集所致。釬料對母材的溶蝕非常明顯。其抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗腐蝕性能都較THL-3低。

圖6a 釬料THL-3顯微組織 (×400)               圖6b 釬料THL-1顯微組織 （×400）

3.6   釬料THL-3室溫金相組織分析

釬料THL-3的室溫金相組織如圖7所示，圖為釬料的鑄態(tài)組織，由粗大的α相樹枝狀組織組成，枝間有第二相析出，由于Al在Cu中的固溶度比較低，第二相是Al的共溶析出，所以鑄態(tài)的THL-3非常脆硬，這種組織經(jīng)過固溶處理后，會變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，韌性轉(zhuǎn)變的比較好。

圖7   釬料THL-4 室溫金相組織   (×300)

4   結(jié)論

1 少量的Mn能夠增加釬料的耐腐蝕性能，提高釬料的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、潤濕性。少量的Al能夠降低釬料的熔點，提高釬料的抗腐蝕性能，能夠去除氧化膜，增加潤濕性，可以抑制基體與釬料合金化。

2 釬料THL-3釬焊性能良好，適合本試驗要求，其釬焊溫度為1050℃，能夠滿足用戶需要，且價格低廉。是一種新型的鈦合金釬焊用釬料。

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