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K9玻璃与2507不锈钢的真空钎焊

K9玻璃与2507不锈钢的真空钎焊

来源:双相不锈钢发布:2020-04-14 00:05:31类别:2507不锈钢

采用不同Ti含量的SnAgCu-x%Ti复合钎料对K9玻璃与2507不锈钢进行了真空钎焊,研究了Ti含量对接头界面组织和力学性能的影响采用场发射扫描电子显微镜(SEM)能谱仪(EDS)和光学数码显微镜(OM)对钎焊接头组织结构进行了分析,用万能材料试验机对接头进行了剪切试验测试得到其力学性能,并对断口界面进行了分析结果表明,接头界面典型组织结构为2507不锈钢/FeSn2/FeSn/Sn(ss)/Ti-Sn/K9玻璃随着复合钎料中Ti含量的增加,接头界面中Ti-Sn化合物增多,且剪切强度升高在钎焊温度为675℃,保温时间为10 min时,接头室温剪切强度最高达73 MPa钎焊接头断裂于K9玻璃并延伸至钎料中

K9玻璃是一种陶瓷光学硼硅酸盐玻璃,具有优良的光学性能良好的化学稳定性密度低极高的玻璃转变温度(Tg719℃)低成本等优点因而,它是常用的光学和微系统材料,可在K9玻璃上制作微米纳米尺度的微结构和微器件,可用作高功率激光系统中的光学基板光学器件的窗口材料激光器和光学器件的透镜和棱镜,并且已广泛应用于商业光学领域和航空航天领域。

然而,K9玻璃属于脆性材料,是典型的难加工材料。因此,为拓展K9玻璃在光电子微波技术衍射光学元件等众多领域的应用,需要将其与自身或金属材料连接制备成复杂结构件K9玻璃常用于与不锈钢连接的结构件,其中,2507双相钢的点腐蚀指数高于40,属于超级双相不锈钢,具有极佳的耐腐蚀性和强度特性因此,将K9玻璃与2507不锈钢相连接对K9玻璃在众多领域的应用至关重要钎焊相比于胶接和机械连接具有连接牢固气密性好等特点,相比于其他焊接方法具有温度低操作简易和能够缓解焊接接头残余应力等优点。其中,活性钎焊能利用活性元素与玻璃的反应,解决玻璃难润湿的问题,形成可靠的接头

采用含有不同质量分数活性元素TiSnAgCu-Ti复合钎料对K9玻璃与2507不锈钢进行了真空钎焊连接试验,分析了Ti含量对接头界面组织和力学性能的影响

1试验方法

试验所用母材为K9玻璃与2507不锈钢其中,2507不锈钢为商用轧制双相不锈钢板;K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品,其化学成分(质量分数,%)如下:6913%SiO21075%B2O31040%Na2O629%K2O所用钎料为锡基钎料粉末Sn03 Ag07Cu,将SnAgCu钎料和Ti粉混合,并通过机械球磨法获得Sn03Ag07Cu-x%Ti(质量分数,%,简称SnAgCu-x%Ti),其中x=012341为复合钎料的二次电子(SE)照片,从图中可以看出SnAgCu粉和Ti粉混合均匀,活性元素Ti含量的变化未对金属粉末的形貌产生影响

开始试验前,首先将K9玻璃和2507不锈钢母材分别加工成尺寸为5 mm×5 mm×5 mm20 mm×10mm×5 mm的试块,用于焊后接头的界面组织观察和力学性能测试然后,将K9玻璃和2507不锈钢的钎焊面进行打磨抛光处理,并将待焊试样放入丙酮里超声清洗10 min依自下而上的顺序将2507不锈钢/钎料/K9玻璃进行装配,所铺钎料厚度大约70μm最后将装配试件放入真空钎焊炉中进行钎焊试验

钎焊工艺曲线如图2所示,首先,以20℃/min的升温速率升到500℃,并保温10 min,等炉腔内的温度均匀后,再以10℃/min的升温速率升到钎焊温度675℃,并保温10 min,随后,以5℃/min的降温速率降到200℃,并随炉冷却至室温整个钎焊过程的真空度低于3×103 Pa,并在C/C复合材料表面施加1 MPa的压力以保证母材与钎料的良好接触

为了观察钎焊接头界面组织以及确定界面反应产物,采用场发射扫描电子显微镜(SEMZeissME-LIN Compact)观察接头界面组织形貌,采用能谱(EDS)分析界面反应产物的化学成分,并根据相图推断其产物的种类;采用Instron 5967万能材料试验机对钎焊接头的剪切强度进行测试,压头移动速度为05 mm/min,记录接头断裂时所施加的最大载荷,钎焊接头剪切强度按公式进行计算同一钎焊工艺参数下所获得的钎焊接头取46个做剪切测试,从而得到该试验参数条件下所获得的接头的平均剪切强度值;结合接头剪切强度,采用SEM以及光学数码显微镜(OMOLYMPUSDSX510)对剪切后的断口界面进行观察和分析,并进一步确定Ti含量对接头断裂位置与断裂形式的影响

2试验结果与分析

21钎焊接头的界面组织结构

3为采用SnAgCu-4%Ti复合钎料在675℃,保温10 min条件下获得的接头界面组织从图中可以看出,接头连接良好,组织均匀致密,没有裂纹和孔洞,钎料与两侧母材发生反应生成多种化合物接头整体分为四个区域:其中,区为毗邻2507不锈钢母材侧的扩散层或反应层;区为钎缝中心区;区为靠近K9玻璃侧的反应层为确定各个区域的具体物相组成,对各个区域进行组织放大并进行了EDS能谱分析结合图3和表1中的能谱分析结果可知,从左至右,区包括两种不同的相,其中灰色相(A)为带状,毗邻2507不锈钢,深灰色相(B)分布在浅色相(A)中,A点和B点主要由FeSn两种元素组成,且两者原子比分别约为1∶21∶1,根据Fe-Sn二元相图,可推断其分别为FeSn2FeSn区分布在钎缝中心,含有一种浅灰色相(C),其中含有大量的Sn元素和少量的AgCuTi三种元素,可推断其为Sn(ss)区中黑色相(F)包围黑色相生成的深灰色相(E)和灰色相(D)分布在浅灰色相Sn(ss)其中,D点和E点所含主要元素为TiSn,根据其原子比例和Ti-Sn二元相图,可推断D点和E点分别为Ti6 Sn5Ti2 Sn;F点的主要组成为Ti元素,含有少量的AgSnCu元素,可推断其为Ti(ss)区为钎料与K9玻璃的反应层,是接头形成冶金结合的关键

综上所述,采用SnAgCu-4%Ti复合钎料在675℃,保温10 min条件下所获得的钎焊接头界面组织为2507不锈钢/FeSn2/FeSn/Sn(ss)/Ti-Sn/K9玻璃

22Ti含量对接头界面组织的影响

采用Ti含量(质量分数,%)分别为0%1%2%3%4%SnAgCu-x%Ti复合钎料,在675℃,保温10min条件下,钎焊2507不锈钢与K9玻璃,所获得的接头界面组织如图4所示从图中可以看出,钎焊接头连接良好,随着Ti含量的增加,接头的界面组织结构变化不大,但各区变化各有不同当复合钎料中的Ti含量为0%时,钎焊接头中毗邻2507不锈钢生成的Fe-Sn化合物较厚,并且在钎缝中存在着大量的Sn(ss)在钎焊过程中,当钎料熔化后,2507不锈钢中的FeCr元素和K9玻璃中的SiO元素溶解扩散至熔融的复合钎料中,其中一部分Cr元素随温度的升高扩散到K9玻璃表面,因而促进了熔融钎料在K9玻璃表面的润湿和铺展随着Ti含量的增加,熔融钎料中的各种元素在浓度梯度的驱动力下相互扩散,使钎缝中的元素分布逐渐均匀,且熔融钎料中的元素相互发生反应因此,复合钎料与两侧母材的反应程度增加,靠近2507不锈钢侧的Fe-Sn化合物增多并逐渐变得弥散分布,复合钎料与K9玻璃形成反应层增厚,并且钎料中的TiK9玻璃的反应相种类增多,促进了接头紧密连接;反应区中有Ti-Sn化合物生成并增多,且弥散分布在Sn(ss)中,接头界面组织均匀化程度提高然而,复合钎料中的Ti含量过高时,钎缝中生成了Ti(ss)

综上所述,Ti元素的加入对接头界面组织产生了重要影响随着Ti含量的增加,钎缝中Fe-Sn化合物增多并逐渐变得弥散分布,Sn(ss)中弥散分布的Ti-Sn化合物增多,促进了钎焊接头的连接

23钎焊接头的剪切强度及断口分析

为分析SnAgCu-x%Ti钎料中Ti含量对2507不锈钢-K9玻璃钎焊接头力学性能的影响,在室温条件下,利用Instron5967万能材料试验机对不同Ti含量在675℃,保温10 min条件下所获得的钎焊接头进行剪切强度测试,其结果如图5所示从图中可以看出,随着复合钎料中Ti含量的增加,剪切强度逐渐提高SnAgCu-Ti复合钎料中Ti含量为4%,钎焊温度为675℃,保温时间为10 min时,钎缝中弥散分布着大量的Fe-Sn化合物和Ti-Sn化合物,复合钎料与K9玻璃形成的反应层较厚,因此,钎焊接头获得的最大剪切强度为73 MPa

为了研究接头性能与界面组织之间的关系,对不同钛含量的接头断口进行了分析6为采用Ti含量分别为0%2%4%复合钎料所得钎焊接头断口不锈钢侧的正面照片从图中可以看出,沿着施加剪切力的方向,钎焊接头都断裂于K9玻璃处并延伸至钎料中随着Ti含量的增加,钎焊接头剪切强度逐渐提高,断裂位置向K9玻璃中偏移

3结论

(1)采用不同Ti含量的SnAgCu-x%Ti复合钎料在675℃/10 min的条件下,实现了K9玻璃与2507不锈钢的真空钎焊,接头典型界面组织为2507不锈钢/FeSn2/FeSn/Sn(ss)/Ti-Sn/K9玻璃

(2)随着复合钎料中Ti含量提高,界面组织中Fe-Sn化合物增多并逐渐变得弥散分布,Sn(ss)中弥散分布的Ti-Sn化合物增多,接头组织均匀化程度提高,剪切强度提高

(3)钎料中Ti含量为4%时,在675℃/10 min的条件下,接头获得最大剪切强度为73 MPa钎焊接头断裂于K9玻璃并延伸至钎料中

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