阀材构建在真空烧焊技艺中运用

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  1、滑阀分组件制造工艺

  1.1、产品组成

  滑阀分组件如所示是由滑阀体1(材料为25Cr3MoA)、管2(材料为1Cr18Ni9Ti)焊接而成。

  焊接B924保证间隙0.04~0.08B1A2

  1.2、钎焊工艺选择

  真空钎焊是一种在真空中不施加钎剂焊接零件的工艺方法,可用于难以焊接的材料和结构,能得到光洁致密且具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头,接头热应力小,变形量可控制在极小的范围内,因此滑阀分组件的滑阀体与管的焊接采用真空钎焊的工艺方法。

  1.3、选择钎料

  因管在工作中受较大载荷,在考虑经济性的情况下钎料的选择应满足以下要求:

  (1)钎料应满足钎焊后接头强度,钎料钎焊温度应低于管材的固溶温度(1030℃)以避免材料晶粒长大及保持母材的冷作硬化;该钎料还应满足焊后滑阀体在淬火――回火调质处理过程中(在910℃保温30~40min)钎焊缝不被重熔。所以选择的钎焊温度应在9101000℃之间,在此范围内钎料在毛细作用下比较容易填充钎焊间隙,与母材产生良好的合金化作用,从而形成足够强度的接头。

  (2)钎料应适合真空钎焊的工艺条件,如不易挥发和对焊件不产生溶蚀,对两种被焊材料均具有一定润湿性,在钎焊温度下有足够的流动性等。

  (3)为防止污染真空系统,钎料组元不允许含Zn、Cd、Li等易挥发元素或蒸汽压高的纯金属。

  (4)钎料应满足该零件几乎全遮蔽结构接头焊接,钎焊缝能满足设计和使用要求。

  1.4、BVAg-1钎料的研制

  钎焊母材由25Cr3MoA低碳合金钢与1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢组成的焊件,工艺要求钎焊温度在9101000℃之间的钎料,选择4种牌号如1所示。

  钎焊温度在960~1000℃的钎料序号1234钎料金钯镍钎料金镍钎料银钯铜钎料银锰钎料牌号BAu50PdNiBAu82NiBAg54PdNiBAg85Mn熔化温度/℃960950900~950960~970钎焊温度/℃960~980950~970960~980970~1000价格/(元/克)147120401.8焊接性最佳较好一般

  由可看出前三种钎料钎焊性好,但不经济,BAg85Mn钎料尚可,但国内厂家均无现货。故委托郑州机械研究所钎焊材料厂研制BVAg-1钎料。

  银的熔点960.5℃,实际当含Ag99.99时,其熔点961.5℃,用纯银作钎料,室温强度高,还具有良好的抗腐蚀性。但存在高温下(125℃)强度低,对黑色金属润湿性差,蒸汽压较高,在高温、高真空状态下易挥发,严重时污染炉体使真空炉绝缘受到破坏,导致热电偶失灵,还给清理工作带来不便。

  为了弥补纯银钎料的不足,决定采用银基钎料。如何保持银基钎料较高的熔点和提高钎缝接头的高温强度及润湿程度,添加什么元素可满足该工艺要求,将成为研制新钎料的方向。

  研制钎焊黑色金属和不锈钢通常的做法是用Ag-Cu合金作基础合金,再添加有利元素。从Ag-Cu相图分析,共晶点为779℃,当含Ag92.8%时,由相图分析得知,金相组织是由固溶体 α相共晶体组成。在钎料熔炼配制中,铜在银中有较大的溶解度,而铜与镍相互是无限互溶;从冶金角度分析,凡与氧亲和力强的金属元素,则润湿性就越差,如:Ni、Cu、Ag金属与氧的亲和力是递增的,那么其润湿性逐渐变差;又如:Cr、Ti、Zn、Al、Mg、Be等金属按其顺序越来越易氧化。为了改善Ag-Cu钎料对钢和不锈钢的润湿性和高温强度,常常添加Mn或Ni金属元素,Mn溶于Ag形成固溶体而Ni则与Cu能够互相溶解。实践证明当Mn达到15%时钎料对不锈钢缝隙有腐蚀倾向,这是由于母材与钎料电极电位差异大,引起电化学腐蚀(接头在潮湿条件下工作),使钎料与不锈钢腐蚀开裂,因此添加Ni较为适宜。现将镍、银、铜元素的物理特性列入。

  Ni、Cu、Ag物理特性元素熔点/℃沸点/℃蒸发温度/℃(1×10-1Pa真空状态下)Ni145528001257Cu108323101083Ag961.52195848

  注:Ag为Ag99.99从Ag-Cu-Ni三元相图分析,镍金属元素的加入,可以提高Ag-Cu-Ni三元合金的熔点,可以粗略地计算,当Ni每增加0.01%,熔点将提高2℃,与此同时,钎料的润湿性也随之增强,能够在晶界形成合金并可提高接头的强度;若能将Ni提高到0.05%,还可防止产生裂纹腐蚀,这是因为焊后室温将有Ni20%析出在晶界上,在钎缝边缘处形成一层富镍层,镍具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性。在冶炼配制BVAg-1过程中由于Ni很难溶解到Ag里形成固溶体,按照金属元素溶解规律,首先把Ni与Cu溶解(互溶),再把溶解后的Ni-Cu合金溶解到Ag里形成固溶体 α相共晶体的组织。经试验和调配,BVAg-1金属元素成分如所示。

  BVAg-1金属元素含量比元素含量Ag97.6%Cu2.0%Ni0.4%

  1.4.1BVAg-1钎料熔点检测试验

  采用DTA热分析系统测温(熔点)试验。在西安交通大学材料工程系试验室用DTA热分析系统来测熔点,如a)、b)所示。为了准确的检测,将料样分成两组,按照间隔取样的方法进行,两组测温如c)、d)分别是954.99℃和953.88℃;第二次测温在北京有色金属与稀土应用研究所进行,测得熔点分别是950℃和951℃如和所示。

  两次测温与Ag-Cu-Ni三元相图分析的950~960℃基本相同。

  a)熔点954.99℃

  b)熔点953.88℃温度/℃温差/℃温度/℃温差/℃

  c)熔点950℃

  d)熔点951℃2采用DTA热分析系统测BVAg-1钎料熔点曲线

  1.4.2BVAg-1钎料润湿与铺展试验

  取BVAg-1钎料料样5mg放在板厚2mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板上(清理钢板表面),放入英国产的S16真空钎焊炉内(加热温度970 10℃)保温3min,随炉冷却取出试样,钎料基本铺展。润湿角在0°<θ<60°,表明钎料液体能够润湿1Cr18Ni9Ti不锈钢板材,但铺展性一般。

  1.5、滑阀体分组件工艺参数的匹配

  除正确选择真空度、钎焊温度、保温时间等起着决定因素的工艺参数外,钎焊间隙、氩气纯度、零件的清洁度、升温速度、冷却速率等因素也会严重影响钎焊质量。

  1.5.1钎焊间隙

  钎焊间隙,影响因素是多种多样的,生产中常采用工艺试验来确定,而不是通过公式计算出结果,因此银基钎料的钎焊间隙应主要考虑几个方面:

  (1)采用银基钎料通常钎焊间隙在0.020.15mm之间选择,当装配间隙小于0.04mm,抗剪强度较大。

  (2)钎料对母材的物理化学性能(如液态流动性、表面张力、与母材的冶金反应等)以及钎焊过程中的相互作用特性有着密切的关系,通常钎料对母材润湿性好,钎焊间隙可选择小一些,对于异种材料钎焊,钎焊间隙的选择应以被钎焊特性差的材料为依据。

  (3)被钎焊面的表面光洁度的影响:表面光洁则毛细填缝作用变差,液体钎料难以在整个接头面流布,易产生空穴使接头强度下降,因此对钎焊面应适量粗化。

  (4)钎道较长的钎焊接头,钎焊间隙应适当增加,应有一个较佳的匹配值。通过试验确定滑阀体与管真空钎焊间隙为0.06~0.1mm之间,理想的范围应在0.04~0.08mm之间,这是因为零件镀铜后,管子孔径尺寸不均匀,尺寸产生偏差,需进行铰孔,使该间隙更加合理。

  1.5.2氩气的纯度

  高纯度氩气在真空钎焊过程中是作为减少液体钎料蒸发压和强迫冷却的介质。在高温时,微量的氧和水分就会使钎焊面受到氧化而变色,使液体钎料表面张力增大,引起润湿性能下降,毛细作用减弱,从而使钎料的填缝性能受到影响。一般情况下:冷却真空在5×10-4Pa,炉温在1000℃以上,氩气中含氧量应小于4ppm,水分不大于10ppm.目前使用的是99.99的高纯度氩气,能够满足工艺要求。

  1.5.3清洁度

  一定要认真做好钎焊前除油、脱水、清理工序,进炉前不允许重新污染。装配零件、放置钎料环操作过程,一定要带洁净棉织手套。

  1.5.4炉温控制

  加热温度与被钎焊零件的结构、使用的钎料及放置等有着密切关系。一般它包含升温速率、钎焊温度等,每阶段的设置均对整个工艺过程产生极其重要的作用。

  工艺试验使用的真空炉是由北京华海中宜公司提供的VAFV-50型井式炉,其主要技术指标:有效加热区直径350mm×300mm,工作真空度≤6×10-3Pa,加热功率≤40kW,最高使用温度1350℃,炉温均匀性≤±5℃(测温点:500℃、550℃、700℃、910℃、1100℃),控温精度±1℃。电控系统是以微处理机、可编程序控制器等组成的温度程序控制和机械控制系统。试验可根据需要自行设定各焊接参数和程序,手动与自动操作均可,并且可记录、显示设定工艺曲线,方便了试验和生产。

  (1)加热功率

  所焊材料(母材)是由1Cr18Ni9Ti不锈钢与合金钢25Cr3MoA组成,而1Cr18Ni9Ti这种奥氏体不锈钢在900℃以上是碳化物析出危险区,因此在升温加热过程中在该区内应迅速加热;但从可看到两零件的装配关系,钎焊接头几乎被全部遮蔽,不能直接辐射加热,应适当延长保温时间,以缩小零件的表面升温差。这两者升温方式造成了工艺矛盾,故钎焊加热到接近钎料固相线附近的温度时,暂停加热,稳定温度保持一段时间,其目的是减小零件之间的温度梯度,使焊件各部分的温度均匀一致,较好解决了不锈钢导热差、钎焊接头被全部遮蔽的矛盾。稳定温度设定在(850±10)℃,保温25~30min后充高纯度氩气,使炉内压力升至10Pa以上。

  防止母材碳化物析出和钎料主元素在高真空、高温状态下蒸发,如所示。

  (2)钎焊温度及时间

  钎焊温度及钎焊时间是整个工艺过程关键工艺参数,在此期间钎料熔化并在毛细作用下填充接头间隙,还与母材产生冶金作用,确定钎焊温度的依据是:适当提高所选定BVAg-1钎料熔点(954℃)的温度。用以减小液体钎料的表面张力,改善润湿性和填缝能力,使之与母材充分作用,有利于提高接头的强度。一般对于奥氏体不锈钢的做法是选择高出钎料液体相线30~50℃效果较好,由于所选钎料是银基钎料(高银含铜、镍),经试验确定应高出20~30℃之间,即(970±10)℃,保温5~7min,过高的钎焊温度,会使钎料低熔点的组元蒸发,还会超出奥氏体冷作硬化温度,使母材晶粒长大,破环母材强度。

  (3)冷却温度

  冷却温度对钎焊接头质量影响也较大,过慢冷却会引起母材晶粒长大,强化相析出,严重时还会出现残留奥氏体,一般情况下,加速冷却有利于细化钎缝组织,减小枝晶偏析,提高接头强度。但因为两种母材热膨胀系数有差异,过快冷却会造成接头过大的应力,严重时易产生裂纹,同时过快凝固使钎缝间隙气体来不及逸出而形成气孔。经过几次工艺试验冷却速度确定为:钎焊保温终了随炉冷却至900℃通氩气(或氮气)冷却,降至300℃允许风扇启动,炉温50℃允许出炉(如所示)。

  2、检测方法

  真空钎焊的检查主要从以下方面:

  (1)目视检查:真空钎焊后检查B端,见1,应有一圈均匀透过的钎料环,不允许有气孔和夹杂。

  (2)采用X射线检查:按进行判定。

  (合格)允许堆积(合格)有痕迹(不合格)有痕迹X射线检查对照图

  (3)低倍试验检查:选一件用线切割轴向切割真空钎焊后的滑阀组件,打光试样后用6或9倍放大镜观察钎缝、内腔,检查钎缝内部质量和钎料熔化情况,如和所示。由和可以观察到钎料均匀向钎缝铺展性较好,过量的钎料没有造成溶蚀缺陷。

  (4)金相组织检查:如、所示,由滑阀组件的250倍和400倍金相组织可以清晰的观察到Ag-Cu-Ni钎料在1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢一侧母材的界面上保持母材原有的平直表面轮廓,进一步表明钎料不会溶蚀母材;从微观组织还可以得知钎料Ni、Cu、Ag元素向奥氏体富碳的晶界扩散,而富集的碳又向钎料层晶届上扩散,经过相互扩散,形成相互富集的Ni、Cu、Ag的氧化膜,从而润湿了钎道,导致形成富集的“钎窝”达到了牢固连接。

  在25Cr3MoA阀体内孔一侧由于Ni、Cu、Ag元素尤其是Ni元素与25Cr3MoA低碳合金钢有着较强的润湿作用,因此可形成较宽的扩散层,这种结合更加牢固。

  (5)强度试验:对零件施加500N的拉力检查钎焊缝的抗剪强度满足要求。

  (6)荧光探伤检查:强度试验后荧光探伤检查B端(1所示)钎焊缝是否存在裂纹。

  3、结论

  通过多次工艺试验和试生产,该产品真空钎焊参数匹配。①冷却真空度不小于2.5×10-3Pa;②加热:升至850±10℃保温40~50min后通高纯度氩气(至10Pa以上)20min升至970±10℃,保温5~7min;③冷却:随炉冷却900℃通纯氩气(或高氮气)降至300℃允许启动风扇强冷;④出炉:炉温降至50℃允许出炉。

  BVAg-1钎料规格是直径0.8mm焊丝,绕成内径为直径4.8mm的紧密圈,并以4~4.5圈围一组截成段。装配钎焊间隙控制在0.04~0.08mm范围内,管伸出滑阀体B端尺寸4±0.1mm,有利于液体钎料渗透。真空钎焊入炉前应确保零件有较高的清洁度。

  4、存在问题

  缺少适宜的止流剂,使个别装配钎焊间隙偏大的零件产生漫流现象,造成钎料用量不在最佳状态,待今后改进。

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