Ni对AgCuZn钎焊201不锈钢接头组织及性能的影响

杜全斌，龙伟民，沈元勋，纠永涛，轩庆庆

（郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南郑州450001）

Ni对AgCuZn钎焊201不锈钢接头组织及性能的影响

杜全斌，龙伟民，沈元勋，纠永涛，轩庆庆

（郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南郑州450001）

采用BAg45CuZn（Y1）、BAg40CuZnNi（Y2）和BAg49ZnCuMnNi（Y3）钎料感应钎焊获得201不锈钢对接接头，利用MTS万能材料试验机测试接头抗拉强度，利用SEM和EDS分析钎焊接头组织结构和观察接头断口形貌。结果表明，3种钎料和母材均实现良好的冶金结合，界面区钎料侧和钎缝区组织由灰白色富Ag相和灰黑色富Cu相组成；随着钎料中Ni元素含量的增加，Y1、Y2和Y3接头组织中界面富Cu相从粗大树枝晶向“痘点”状胞状晶、连续层状胞状晶演变，钎缝富Cu相也从粗大树枝晶向块状晶转变；Y1、Y2和Y3断口起裂源从强度较弱的钎缝富Cu相/富Ag相界面向Ni固溶强化较弱的富Ag相和富Ag相转变，裂纹扩展均发生在富Ag相中，随着钎料中Ni的增加，钎缝富Ag相固溶强化效果增大，提高了接头的抗拉强度；Y1、Y2和Y3平均抗拉强度分别为430.99 MPa、444.92 MPa和456.40 MPa。

银基钎料；界面结构；抗拉强度；断口形貌

0 前言

银基钎料具有适中的熔点、良好的润湿性和填缝能力、优良的强韧性和导热导电性能，因此被广泛应用于钎焊低碳钢、合金结构钢、铜及铜合金、镍基合金以及硬质合金等工程材料。其中，Ag-Cu-Zn-Cd系钎料具有较低的熔化温度和优良的加工性能，赢得了钎焊工作者的青睐，但Cd是重金属元素，既不能降解又不可回收，对人类危害极大。随着人们对环境和健康重视程度的不断提高，特别是2006年7月1日起，欧盟正式实施WEEE和ROHS两个禁镉指令后，众多研究者开始研发新型Ag-Cu-Zn钎料代替含镉银钎料，以期获得与含Cd钎料性能相当的新型钎料，研究方向主要为：一是在Ag-Cu-Zn合金的基础上，辅助添加Mn、Ni、In、Ga、Si、Sn以及稀土元素等，以期调整钎料的熔化温度，改善钎料流动性和接头力学性能[1-10]；二是从洁净化的角度研究杂质元素对AgCuZn钎料性能的影响，得到杂质元素含量与钎料润湿性、接头强度之间的关系规律[11-13]。

为研究Ni元素对AgCuZn钎料钎焊201不锈钢接头组织和断裂特性的影响，在此采用3种不同成分银基钎料钎焊201不锈钢对接接头，测量接头抗拉强度，观察接头组织结构和拉伸断口形貌，以期为银基钎料成分的设计和钎焊工艺的制定提供依据。

1 试验材料与方法

试验钎料为BAg49ZnCuMnNi、BAg40CuZnNi和BAg45CuZn钎料，钎料形态为片状，厚0.2 mm，其化学成分及特性如表1所示。试验所用母材为201不锈钢板，尺寸80 mm×40 mm×4 mm，屈服强度487 MPa，抗拉强度608 MPa。

表1 钎料的化学成分及固液相线

根据GB 11363-2008《钎焊接头强度试验方法》，采用上述3种钎料钎焊201不锈钢试板对接接头。钎焊前，在碱性金属清洗剂中超声波清洗试板表面的油污，然后用清水冲洗，再用砂纸打磨试板钎焊面，使其表面光亮，将打磨后的所有试板和钎料在酒精中超声波清洗，最后吹干备用。按装配示意图（见图1）装配钎焊接头，采用高频感应钎焊方法，整个钎焊过程在大气中进行。钎焊后，清除试件表面的钎剂残留，将试样加工成标准拉伸试样。

图1 对接接头装配示意

采用MTS C45.105万能材料试验机测量钎焊接头的抗拉强度。利用JSM-7500F型扫描电镜（SEM）观察钎焊界面钎料组织结构和抗拉试样断口形貌，并利用其自带的能谱分析仪（EDS）测试界面结构物相组成。

2 试验结果与分析

2.1 钎焊界面组织结构

图2a～图2c是3种钎焊接头界面结构，可以看出，钎焊接头均由3个区域组成，分别为母材、界面区和钎缝区，其中界面区除金相腐蚀界面痕迹外，扫描电镜下没有发现第二相、孔隙以及裂纹的产生，说明试验钢板与钎料实现了良好的冶金结合。观察发现，3种钎焊接头中钎缝区和界面区钎料侧凝固组织相似，主要由灰白色相和灰黑色相组成。钎焊接头中相关位置的能谱分析如表2所示，根据测试点D、E、F、G、I、K、J、M、N和O分析结果，接头中灰白色相为富Ag相，灰黑色相为富Cu相，根据两相在接头中的位置关系，将沿界面分布的富Ag相、富Cu相简称界面富Ag相和界面富Cu相，将钎缝中的富Ag相、富Cu相简称为钎缝富Ag相和钎缝富Cu相。

图2d是图2a中经过界面富Cu相的线扫描元素分布，可以看出，界面区钎料和母材间发生了元素的相互扩散。界面区母材侧，Cr、Ni元素首先向界面扩散聚集，Cr在界面处达到最大值后急剧下降，Ni扩散到界面富Cu相一定距离后达到成分的最大值，其后逐渐下降，Fe、Mn元素在母材侧距界面一定距离时成分开始下降，说明母材中Ni元素向钎料侧扩散，Fe、Cr和Mn元素可能向钎料溶解扩散；界面区钎料侧，Cu和Zn元素有较明显的向母材侧扩散的趋势，Ag元素在母材侧成分分布下降较快。根据Cu-Ni、Cu-Mn、Cu-Fe、Cu-Cr和Fe-Zn二元相图[14]可知，钎焊温度下，Ni、Mn可完全固溶于Cu中，Zn在Fe中具有较大的固溶度，Fe、Cu可少量互相固溶，Cr基本不固溶于Cu中，Ag基本不固溶于Fe中，结合测试点A～E的成分分析结果，母材中的Ni、Mn和Fe元素向界面富Cu相发生了溶解扩散，而Cr元素向钎料侧几乎没有扩散，钎料中只有Cu、Zn元素向母材侧发生了扩散，而Ag元素没有向母材扩散。

图2 Y1、Y2和Y3接头界面结构及Line1元素线扫描

对比测试点D和D′（界面富Ag相中距界面线的距离与D相同）可知，界面富Ag相中没有发现母材元素向钎料侧扩散的现象，说明母材中Ni、Mn和Fe元素向钎料侧的溶解扩散主要通过界面富Cu相进行。对比测试点D、E和F可知，随着界面富Cu相向钎缝内部的生长，其成分与钎缝富Cu相相近，说明界面区元素的相互扩散存在一定的距离，仔细观察图2d中元素分布的变化情况，可以推测元素的相互扩散距离约5 μm，这是因为高频感应钎焊过程很短，液态钎料速度很快，液态钎料和母材间不能很好地溶解扩散。

表2 钎焊接头物相能谱分析

根据上述钎焊接头中各元素扩散行为及分布情况的分析，3种钎焊接头的组织形成过程可解释为：钎焊过程中，高温的液态钎料可溶解少量母材表层，使靠近界面的液态钎料中含有一定浓度的Fe、Ni、Mn元素，同时在浓度梯度下，母材与钎料之间相关元素进行相互扩散，由于高温加热时间很短，液态钎料对母材表层的溶解量很少，元素之间的相互扩散距离很窄。钎焊加热结束后，界面处首先形成一定的过冷度，液态钎料开始凝固，界面附近液态钎料中形成大量的富Cu团簇和富Ag团簇，由于Cu对Ni、Fe元素具有较大的固溶度，从母材溶解扩散的Ni、Fe元素基本固溶在富Cu团簇中，富Cu团簇具有较高的液相线温度，首先在界面处形核，垂直于界面向钎缝区生长。由于Y2钎料中含有一定的Ni，钎缝富Cu团簇具有较高浓度的Ni元素，导致钎缝富Cu团簇液相线温度升高，形成较大的成分过冷，促使大量的钎缝富Cu团簇形核长大，抑制了界面和钎缝富Cu相的树枝状生长，最终在钎缝中形成块状的富Cu相，在界面处形成“痘点”分布的富Cu相胞状晶，随着钎料中Ni含量的增加，这一现象更为明显，Y3接头界面富Cu相呈连续层状分布的胞状晶。相反，由于Y1钎料中不含Ni元素，其界面和钎缝富Cu团簇所受的过冷度不足以大到可以形成大量的富Cu相晶核，同时Y1钎料具有较大的固液相线温度区间，液态钎料中相关元素发生长程扩散，Y1中富Cu相容易形成粗大的树枝晶，界面富Cu相形成垂直于界面的粗大树枝晶。

2.2 钎焊接头的力学性能

3种钎焊接头的抗拉强度如表3所示，与平均抗拉强度值接近的对接接头拉伸试验应力-位移曲线如图3所示。由表3可知，3种银基钎料中，钎料Y3钎焊的对接接头具有最大的平均抗拉强度值，且该组数值相对稳定，钎料Y2钎焊的对接接头的抗拉强度值大于钎料Y1，但钎料Y1的单值稳定性优于Y2。

表3 对接接头的抗拉强度

图3 对接接头抗拉强度的应力-位移曲线

由图3可知，在对接接头拉伸过程中，银基钎料钎焊接头发生弹性变形后均有一定程度的塑性变形。由于母材的屈服强度为487 MPa，可以判定应力-位移曲线中所表现的塑性变形来自于钎料的贡献，一定程度上提高了钎焊接头的耐疲劳、耐冲击性能。

2.3 断口形貌分析

钎焊接头的力学性能势必与接头的组织结构密切相关，Y1、Y2和Y3钎料接头组织结构中界面富Cu相从粗大树枝晶向“痘点”状胞状晶、连续层状胞状晶演变，钎缝富Cu相也从粗大树枝晶向块状树枝晶转变，这种组织演变对接头抗拉强度的影响直接反映在接头断口形貌上。接头断口的宏观形貌如图4所示，3种拉伸断口均较平整，断裂位置均发生在钎缝区，再次表明界面区钎料和母材实现了良好的冶金结合。

图4 接头断口宏观形貌

扫描电镜下钎焊接头的微观断口形貌如图5所示，可以看出，3种钎料钎焊接头断口形貌均为韧窝形貌。研究认为，大而深的韧窝是试样拉伸过程中经历较大应力应变形成的，小而浅的韧窝是试样经历较小应力应变形成的[15]。对于Y1接头，其断口中韧窝多为尺寸均匀的等轴韧窝，韧窝相对较浅，对应较低的拉伸强度，此外，断口中还发现聚集的小韧窝群，经能谱分析发现，该小韧窝群中主要元素组成与测试点E、F相近，但该处Ag元素含量高于测试点E、F，可以推测小韧窝群的断裂发生在钎缝富Cu相和富Ag相界面，断裂只需较小的应力便可发生，可以推测该处为Y1接头断裂的起裂源，进一步降低Y1接头强度；对于Y2接头，其断口中韧窝大小不一，深度大于Y1断口韧窝，其中部分大韧窝内部含有二次小韧窝和由塑变平滑的滑移台阶形成的连波花样，未发现类似Y1中的小韧窝群，说明富Cu相从粗大树枝晶向块状晶的转变，改善了富Cu相与富Ag相界面的结合强度，接头的起裂源转移到强度较低的富Ag相，由于微量Ni的固溶强化作用，Y2中富Ag相抗拉强度较Y1中有所提高，但由于钎料熔化和凝固的时间很短，Ni在Y2富Ag相中的分布极不均匀，导致Ni对富Ag相各部位的强化效果也不均匀，在断口中表现为大小不一的韧窝；Y3断口中韧窝为尺寸较大的等轴韧窝，且韧窝平均尺寸及深度大于Y2断口，观察发现部分韧窝内部含有二次小韧窝，以及少量平滑的滑移台阶，对应较高的抗拉强度，这是因为Y3中富Ag相含有较高浓度的Ni和Mn，致使两元素的微观偏析不显著，富Ag相各部位均有较高的强化效果，在断口中表现为大尺寸的等轴韧窝。

根据上述分析结果，可以推测3种钎焊接头的拉伸断裂过程如图6所示。Y1接头拉伸断裂起裂源位于钎缝富Cu相/富Ag相界面，起裂后裂纹在钎缝富Ag相中扩展；Y2接头拉伸时，裂纹首先在固溶Ni极少的钎缝富Ag相中起裂，然后继续在钎缝富Ag相中扩展；Y3接头拉伸断裂过程与Y2相似，只是Ni、Mn在钎缝富Ag相各部位的强化效果无显著差别，起裂源在钎缝富Ag相中未发现明显的区域选择性。

图5 Y1、Y2和Y3断口微观形貌及P点能谱分析

图6 Y1、Y2和Y3接头断拉伸裂示意

3 结论

（1）3种钎焊接头中钎料和母材均实现了良好的冶金结合，界面区发生Ni、Mn等元素短距离扩散。

（2）接头界面区钎料侧和钎缝区组织由灰白色富Ag相和灰黑色富Cu相组成，Y1富Cu相呈粗大树枝晶，在界面处呈断续分布，Y2富Cu相在钎缝中呈块状晶，界面处为“痘点”胞状晶，Y3富Cu相在界面处为层状分布的胞状晶。

（3）Y1、Y2和Y3接头的平均抗拉强度分别为430.99 MPa、444.92 MPa和456.40 MPa。Y1、Y2和Y3断口起裂源分别位于钎缝富Cu相/富Ag相界面、Ni固溶强化较弱的钎缝富Ag相和钎缝富Ag相，裂纹扩展均发生在钎缝富Ag相中，随着钎料中Ni的增加，钎缝富Ag相固溶强化效果增大，提高了接头抗拉强度。

[1]王星平，赖忠民，薛松柏，等.合金元素对Ag-Cu-Zn系钎料影响的研究现状及发展趋势[J].电焊机，2009，39（11）：1-6.

[2]卢方焱，薛松柏，赖忠民，等.镓对AgCuZn钎料组织和性能的影响[J].焊接学报，2009，30（1）：55-59.

[3]韩宪鹏，薛松柏，顾立勇，等.镓对Ag-Cu-Zn钎料组织和力学性能的影响[J].焊接学报，2008，29（2）：45-48.

[4]Zhang L X，Feng J C，He P.Brazing temperature and time effects on the mechanical properties of TiC cermets Ag-Cu-Zn steel joints[J].Materials Science and engineering A，2006（428）：24-33.

[5]Xue S b，Qian Y Y，Dong J.Equivalent activity coefficient phenomenon of cerium reacting with lead or bismuth in Ag，Cu and Zn Alloy[J].Journal Of Rare Earths，2002，20（6）：626-629.

[6]Lai Z M，Xue S B，Han X P，et al.Study on microstructure and Property of Brazed Joint of AgCuZn-X（Ga，Sn，In，Ni）Brazing Alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2010，39（3）：397-400.

[7]龙伟民，张冠星，张青科，等.原位合成高强度ZnAgCu钎料研究[J].焊接，2015（7）：6-9.

[8]王健，周世平，杨富陶，等.微量Sn，Ce对AgCu合金的显微组织结构与力学性能影响[J].稀有金属，2007（31）：21-23.

[9]卢方焱，薛松柏，张亮，等.微量In对AgCuZn钎料组织和性能的影响[J].焊接学报，2008，29（12）：85-88.

[10]Xue S B，Qian Y Y，Hu X P.Behavior and influence of Pb and Bi in Ag-Cu-Zn brazing alloy[J].China Welding，2000，9（1）：42-47.

[11]鲍丽，龙伟民，张冠星，等.微量Ca元素对AgCuZn钎料性能的影响[J].焊接学报，2012，33（12）：57-60.

[12]张冠星，龙伟民，何鹏，等.不同碳含量对银钎料钎焊性能的影响[J].稀有金属，2015，39（6）：528-531.

[13]范江磊，龙伟民，王星星，等.夹杂物对Ag-Cu-Zn钎料凝固组织和性能的影响[J].焊接学报，2015，36（5）：1-4.

[14]H.П.梁基谢夫.金属二元系相图手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[15]孙茂才.金属力学性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

Effect of Ni element on microstructure and properties of 201 stainless steel joint brazed by AgCuZn filler metals

DU Quanbin，LONG Weimin，SHEN Yuanxun，JIU Yongtao，XUAN Qingqing
（Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering，State Key Laboratory of Advanced Brazing Filler Metals，Zhengzhou 450001，China）

201 stainless steel butt joints were brazed by induction brazing using BAg45CuZn (Y1)，BAg40CuZnNi(Y2)and BAg49ZnCuMnNi(Y3).Tension strength of joints were tested by MTS universal material testing machine，microstructure and fracture morphology of joints were analyzed by SEM and EDS.Results show that good metallurgical combination are achieved between filler metal and base metal，interface area filler metal and brazing seam area are composed of grayish-white Ag-rich phase and grayish-black Cu-rich phase；with the increasing of Ni element，interface Cu-rich phase of Y1，Y2 and Y3 evolves from coarse dendrite to"pox point" cellular-like crystal and continuous layered cellular crystal，brazing seam Cu-rich phase is also changed from coarse dendrite to bulk crystal；fracture initiation sources of Y1，Y2 and Y3 are transformed from phase interface of brazing seam Ag-rich phase/Cu-rich phase，brazing seam Ag-rich phase with weak solution strengthening to brazing seam Ag-rich phase，three kinds of joints crack propagation occur in the brazing seam Ag-rich phase，with the increasing of Ni，solution strengthening effect of brazing seam Ag-rich phase is increased，and tensile strength of joints are improved；the average tensile strength of Y1，Y2 and Y3 are 430.99 MPa，444.92 MPa and 456.40 MPa respectively.

silver-based brazing filler metal；interface structure；tensile strength；fracture morphology

TG425

A

1001－2303（2017）02－0119-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.24

2016-08-03

国家国际科技合作计划项目（2015DFA50470）；河南省重大科技专项（141100211100）

杜全斌（1983—），男，河南虞城人，博士，主要从事粉末冶金技术、钎焊材料与钎焊工艺的研究。

献

杜全斌，龙伟民，沈元勋，等.Ni对AgCuZn钎焊201不锈钢接头组织及性能的影响[J].电焊机，2017，47（02）：119-123.