釬焊不銹鋼界面行為分析

釬焊圓角根部各相組織的形成除受釬料成分決定以外，還與釬料和母材之間的相互擴(kuò)散密切相關(guān)。釬料與母材之間的相互擴(kuò)散有兩種情況，一是母材向釬料中的溶解和擴(kuò)散，二是釬料成分向母材中的擴(kuò)散。兩者之間的溶解擴(kuò)散作用受釬焊工藝因素影響較大。

一、母材成分向釬料中的溶解擴(kuò)散

釬焊過程不可避免將產(chǎn)生固體母材向液態(tài)釬料中的溶解，對于BNi-5釬料釬焊不銹鋼來說，母材的適量溶解將使釬料中Fe元素含量增加，促使釬縫合金化，提高釬焊接頭的性能，但母材的過度溶解會在釬焊接頭中生成FeNi3化合物，降低接頭的強(qiáng)度。圖4-9為1000℃下保溫1h擴(kuò)散處理前后BNi-5釬焊不銹鋼304L，母材中Fe元素在釬焊圓角中的擴(kuò)散距離。在距離界面20μm的釬料層中，F(xiàn)e含量趨于平穩(wěn)，占釬料成分的15%左右，說明母材在釬料中溶解量較大，不利于接頭強(qiáng)度的提高。

另外，母材的過度溶解也意味著母材的厚度減小，承載能力下降，疲勞壽命縮短。所以對于BNi-5釬焊不銹鋼來說，要在形成良好釬焊接頭的情況下控制母材的溶解量，以提高接頭強(qiáng)度和疲勞壽命。用BNi-5釬料釬焊不銹鋼304與304L管板接頭304L母材溶解情況金相照片。若以母材的溶解厚度代表母材的溶解量，在正常釬焊規(guī)范下釬焊時，母材的溶解厚度為80μm，一般情況下，這樣的溶解量是合理的，但相對于0.5mm的不銹鋼管壁而言，溶解的厚度已接近管壁總厚度的1/6，一定程度上降低了母材的承載能力，縮短了產(chǎn)品的疲勞壽命。高溫下，母材在液態(tài)釬料中的溶解，除與母材和釬料的成分直接相關(guān)外，還與釬焊溫度、釬焊保溫時間以及釬焊間隙等因素有關(guān)。

WS為母材溶解厚度(m)；ρL和ρm分別為液態(tài)釬料及固態(tài)母材的密度(kg/m3)；CL和a為溶解常數(shù)，分別表示一定溫度下固態(tài)母材在液態(tài)釬料中的極限溶解度和溶解速度系數(shù)，均為釬焊溫度的函數(shù)；WB是釬焊間隙(m)；t是釬焊保溫時間(s)。釬焊間隙越大，母材的溶解越多，母材在液態(tài)釬料中的溶解厚度隨釬焊間隙的增大呈指數(shù)減速增加趨勢。母材溶解厚度隨釬焊間隙增大而增大主要是因?yàn)殁F焊間隙增大時，釬料用量增多，釬料對母材的飽和溶解量也必然增加。隨著釬焊保溫時間的增加，母材溶解厚度也增加。在剛開始釬焊保溫時，母材溶解厚度隨釬焊保溫時間的延長顯著增加，當(dāng)保溫一定時間后，再延長釬焊保溫時間，母材溶解厚度的增加不明顯，這種情況可以看作是釬料對母材的溶解已達(dá)到飽和狀態(tài)。

母材溶解厚度與釬焊溫度的關(guān)系可由CL和a隨釬焊溫度的變化規(guī)律推出，母材在液態(tài)釬料中的溶解度CL和溶解速度a隨釬焊溫度的升高而呈線性增加，因而溶解厚度隨釬焊溫度的升高而增加。釬焊溫度對母材溶解的影響比釬焊保溫時間強(qiáng)烈，所以，在實(shí)際制定釬焊工藝參數(shù)的時候，一定不能輕易提高釬焊溫度。另外，要采用小的釬焊間隙并保證裝配精度，還要在保證釬焊接頭質(zhì)量的前提下盡量減少釬料的用量，使母材的溶解量得到控制，提高產(chǎn)品疲勞壽命。

二、釬料成分向母材中的擴(kuò)散

釬料成分在母材中的擴(kuò)散流量(J)與濃度梯度(dC/dx)、擴(kuò)散系數(shù)(D)、擴(kuò)散面積(S)和擴(kuò)散時間(dt)有關(guān)。BNi-5釬焊圓角中存在著大量的化合物相，減少釬焊圓角處的脆性化合物就是要使Si元素得到充分?jǐn)U散，使其含量降到其在鎳基固溶體中的固溶度之下。圖4-11為BNi-5釬焊不銹鋼304L接頭經(jīng)1000℃1h擴(kuò)散處理前后Si元素在母材中的擴(kuò)散情況。

在正常釬焊規(guī)范下，Si元素在304L母材中的擴(kuò)散深度為25μm，經(jīng)1000℃1h擴(kuò)散處理后擴(kuò)散深度增加到40μm，擴(kuò)散層的含Si量也進(jìn)一步增加。但擴(kuò)散距離還是相當(dāng)短的，這主要是由Si元素在不銹鋼304L中的擴(kuò)散系數(shù)決定的。

溫度是影響擴(kuò)散系數(shù)的較主要因素，由式可以看出，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T呈指數(shù)關(guān)系，隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)急劇增大。這是由于溫度越高，則原子的振動能越大，因此借助于能量起伏而越過勢壘進(jìn)行遷移的原子幾率越大。此外，溫度升高，金屬內(nèi)部的空位濃度提高，這也有利于擴(kuò)散。對于BNi-5釬焊不銹鋼來說，Si元素在不銹鋼母材中的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散深度隨釬焊溫度的提高而增大。不同的晶體結(jié)構(gòu)也具有不同的擴(kuò)散系數(shù)。致密度大的晶體結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散系數(shù)，都比致密度小的晶體結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散系數(shù)要小得多，致密度越大，原子越難遷移。奧氏體組織相對于鐵素體組織具有更大的致密度，因此，Si原子在奧氏體不銹鋼304L中較難遷移，擴(kuò)散速度相對較慢。

不同類型的固溶體，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散激活能不同，間隙原子的擴(kuò)散激活能都比置換原子的小，所以擴(kuò)散速度比較大。而Si原子向不銹鋼中的擴(kuò)散，實(shí)際上是向鐵中的固溶，Si在γ-Fe中的固溶是以置換原子存在的，其擴(kuò)散激活能較大，所以擴(kuò)散速度較慢。在金屬及合金中，擴(kuò)散既可以在晶內(nèi)進(jìn)行，也可以沿外表面、晶界及相界進(jìn)行。對于一定的晶體結(jié)構(gòu)，表面擴(kuò)散最快，晶界次之，亞晶界又次之，晶內(nèi)擴(kuò)散最慢。原子沿晶界擴(kuò)散比晶內(nèi)快，是由于晶界處的晶格畸變較大，能量較高，擴(kuò)散激活能要比晶內(nèi)的小，原子易于擴(kuò)散遷移。一般半徑小的原子易沿晶界擴(kuò)散，如B，而半徑大的原子，如Si，則主要向晶內(nèi)擴(kuò)散，所以其擴(kuò)散速度很慢。但這種差別會隨著溫度的升高而逐漸消失。

所以即使在1000℃下長時間保溫，Si向母材的擴(kuò)散程度也很有限，又因?yàn)镾i在鎳基固溶體中的溶解度有限，所以，當(dāng)釬縫中Si的含量超過其在鎳固溶體中的固溶度時，在擴(kuò)散不充分的情況下就會形成各種硅的化合物相。http://sh-bise.com