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(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)材料、方法、及設(shè)備工藝

1.1 實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)中釬料的潤濕性試驗(yàn)采用的試驗(yàn)爐與GB11364-89一致，使用氬氣保護(hù)，要求使用高純氬氣，其露點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)，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(yàn)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。

參考文獻(xiàn)

1   釬焊手冊，美國焊接學(xué)會，國防工業(yè)出版社，P1

2   何康生、曹雄夫。異種金屬焊接 **版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986

3   顧曾迪。有色金屬焊接 **版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987

4   中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會。焊接手冊（第2卷）**版。北京    機(jī)械工業(yè)出版社，1992

5   林肇琦。有色金屬材料學(xué) 第1版。沈陽:東北工學(xué)院出版社，1986   

6   劉聯(lián)寶、戴昌鼎。電真空器件的釬焊與陶瓷-金屬封接 第1版。北京國防工   業(yè)出版社，1978

7   Heberard. X. et al. “ Low temperature brazing to Ti-6%Al-4%V titanium alloy”，Titanium 80 [4] 2415, 1980

8   Tucker, M.S.and Wilson, K.R. ,“Attack of Ti-6Al-4V by silver base brazing alloys”, Weld.j., 48 [12] 521 , 1969

9 任耀文. 真空釬焊工藝. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 1993

10   aarlela, W.T.and Margolis, W.S. ,“development of the Ag-Al-Mn Brazing filler metal for titanium”,Weld.J.,53 [10] 629, 1974

11   Lzui, H.and Suezawa, y., “Study on Ti-6Al-4V alloy brazed with Ag –5Al –0.5Mn filler metal”,Welding International ,[11] 954 ,198