一种对Cu与Fe熔合物研究的方法及其强化机理

欧青华

针对军用工程机械材料容易出现疲劳断裂，磨损等问题，需要采取特殊的方法对其进行加固，通过研究，我们发现，可以在材料中加入Ni元素可增强其抗疲劳的程度。将其应用于斗齿、挖斗的制作，能较大改善军用工程机械的性能，且经试验检测可以很好地防弹片等。

一、Cu与Fe熔合物研究

1.试验方法

对军用工程机械快速焊接中，高温自蔓延快速焊接技术要求焊药一经点燃能自发反应，且放热量要大，可以产生使母材熔化的足够热量，且由于受焊母材为金属，因此希望反应能生成一定的金属成分作为焊缝填充物。故选用热效应大、绝热燃烧温度较高的铝热剂CuO+Al系、Fe2O3+A1系作为焊药的基本配方。

按照化学计量比分别称取一定量的CuO和A1，Fe2O3和A1，在混料机中充分混合，待其干燥后制备成不同比例的焊条。采用CuO+Al系、Fe2O3+A1系及二者混合物为焊药，其中CuO+Al系的含量（质量分数）分别为0，20%，45%，60%，70%，80%，90%，100%，焊药成分如表1.1所示。用混料机充分混合后，按照上述方法制成圆柱形焊条。焊接过程中采用对接平焊，运条方式与焊条电弧焊类似，试验母材为Q235钢，将两块试验母材对接好，不清理试板上的锈蚀，并用电子秒表测定焊条燃烧时间，并计算燃烧速度，对焊缝进行宏观分析，用万能试验机分析其力学性能，用电子显微镜测定焊缝金属的金相组成。

2.试验结果与分析

开始焊接时点燃引线，焊药发生反应过程中形成燃烧弧，采用电弧焊的作业方式，反应所放出的热量使试验母材局部熔化，从而形成熔池，生成的金属产物填充于焊缝中，冷却后焊缝基本成形。

（1）焊缝外观形貌分析

1号焊条（全部为Fe2O3+A1系）与2号焊条（CuO+Al系占20%）燃烧时产生的热量偏低，不能使5 mm厚的试验母材局部充分熔化，且热量小，熔池凝固快，金属液流动性差，无法实现母材的有效连接。焊药中CuO+Al系含量比例超过50%后，反应产生了更多的热量，母材被焊透，金属熔池具有较好的流动性，冷却凝固后，焊缝表面成形良好，无明显裂纹，外观比较平整光滑。图1.1所示，4号焊条所对应的焊缝正面宏观形貌，试验母材焊道宽度均匀，形状较为规则，表面成形良好，焊缝呈金属光泽。图1.2所示，4号焊条所对应的焊缝背面宏观形貌，母材沿焊缝被焊透，背面焊道成形良好，基本达到了单面焊双面成形的焊接效果。

（2）燃烧速度

焊条的燃烧速度与焊药中CuO+A1系的比例关系于图1.3可见，随CuO+Al系比例的增大，反应燃烧速度也不断加快。根据上文可知，与Fe2O3+A1系相比，CuO+Al系反应的放热量较大，绝热燃烧温度较高，因此，高热剂中CuO+Al系比例越高，反应体系实际能够达到的温度也就越高，更加有利于试验母材和金属产物的熔化，从而形成性能良好、成分均匀的焊缝；但另一方面，温度越高，反应的速度加快，使焊接可控性降低，不易操作。随CuO+Al系比例的增大，反应燃烧速度也不断加快，当CuO+Al系的比例在60%～80%时，反应速度基本保持稳定，并且该燃烧速度比较适中，可控性较好，便于操作。当CuO+Al系的比例超过90%后，反应速度太快，焊接可控性差，难以操作。

（3）焊缝力学性能分析

焊药中CuO+Al系的比例超过50%所对应的试验母材，其焊缝的抗拉强度与CuO+Al系的比例关系于图1.3所示可见，随CuO+Al系比例的增大，焊缝的抗拉强度逐渐降低，且比例越高，降低幅度越大。CuO+Al系比例为45%，60%，70%，80%的焊条（即3号、4号、5号、6号焊条），焊缝抗拉强度达400MPa以上，与试验母材强度基本相当，或高于试验母材强度，其中3号、4号的抗拉强度达到420MPa。根据反应原理，两种反應分别生成Cu和Fe，且Cu的含量多于Fe。在冷却过程中，两种金属发生了包晶反应，并形成了以Cu为基的α固溶体，但是Fe在Cu中的溶解度是有限的，在1323K时为3.5%，并且随着温度下降，其溶解度急剧降低，当Fe的含量超过固溶度后，组织中便会产生单独存在的颗粒状富铁相（可能是溶有一定量铜的α-Fe固溶体）。一方面，第二相的析出产生了合金强化作用，从而提高了焊缝的抗拉强度；另一方面，富铁相熔点高，冷却时先结晶，作为晶核起到了细化晶粒的作用，阻止了铜结晶时的晶粒继续变大，从而提高了合金的力学性能。Fe2O3+A1系比例越高，析出的富铁相越多，强化作用也就越明显。

焊缝的显微硬度如图1.4所示。可知，焊缝中心的显微硬度HV9.8约为80，要远远低于母材的硬度HV9.8约为150，且随着靠近熔合区距离的减少而增加，而熔合区的硬度较高，甚至高于母材。

（4）焊缝的微观组织

图1.5为4号焊条所对应的试验母材的金相组织照片，其中黑色颗粒为析出的第二相富铁相，浅色基体为铜基固溶体。

二、焊缝性能分析与强化机理研究

从上述的实验结果可以看出，采用Fe2O3+A1、CuO+Al作为放热体系虽然可以实现对试验母材的熔焊连接，但是焊缝的硬度较低，大约只有母材的一半。因此，为了实现焊缝与母材强度的匹配，应对焊缝金属进行强化。

根据Cu-Ni二元合金相图可知Cu和Ni之间可以形成无限固溶的固溶体，且二者之间不会形成任何中间化合物。此外，Ni还能大大提高Fe在Cu内以及Cu在Fe内的溶解度。从图Fe-Cu二元相图上可以看出，当温度低于Cu的熔点时，Fe（fcc）和Cu（fcc）之间存在一个很大的不混溶区。镍的加入则能使这个不相混溶区消失。如Cu-Ni-Fe三元相图所示，当温度超过910℃时，能形成Cu在γ铁中的连续固溶体。Cu-Ni， Fe-Cu二元合金相图和Cu-Ni-Fe三元相图如图2.1所示。

因此，本节考虑采用添加Ni的方法对焊缝进行合金强化，通过2A1+3NiO Al2O3+3Ni反应在焊缝中引入元素Ni。

1.实验部分

（1）试样制备

实验所用自蔓延合成材料体系由高热剂、稀释剂和造渣剂等组成。其中，CuO+Al系和NiO+Al系作为高热剂，其占该体系总量的50.6%（质量分数，下同）；Si+CuO系作为造渣剂，其占体系总量的45.4%；硅酸钙为稀释剂，其占体系总量的4%。自蔓延合成材料具体成分如表4.1所示。以乙醇作为溶剂，将反应材料放入混合机中充分混合，待其干燥之后装入纸制圆筒中，压实后制备成焊条。

焊接实验所选母材为2块Q235钢板，将两块试件依次平放在工作台上，两端对齐，中间留有1-2mm的缝隙，不需除锈预处理。采用平焊方法进行焊接，其工艺参数如下：焊接速度为5mm/s，焊接倾角为70°，燃弧长5mm。

（2）微观组织测试分析

分别用600#，800#，1000#砂纸对自蔓延高温合成试样进行逐级磨光，之后用粒度为1.0μm的Al2O3抛光液进行机械抛光获得金相试样；用6%的氯化高铁酒精溶液腐蚀对其进行腐蚀；采用Phoenix 4000型金相显微镜对其进行组织结构观察。

采用HitachiS-4800型扫描电子显微镜（SEM）（附带能量色散X射线分析仪）观察反应生成物微观组织和摩擦磨损表面形貌，并测定其元素组成。

（3）力学性能试验

采用DHV-1000型维式显微硬度仪测定焊缝的显微硬度，加载载荷为9.8N，加载时间为20s。

采用WS-2005型涂层附着力划痕试验机测定反应生成物涂层与基体之间的临界结合力。实验参数如下：划痕速度为2mm/min，划痕长度为5mm，作用速度为30N/min，最大作用载荷为200N。表征焊缝金属与母材结合强度由HSL衡量，该参数由如下ASTM G171-03标准计算：

其中，Lc为施加于反应生成物涂层上的法向力（N），可通过采集的声发射信号获得；d为对应划痕的宽度（m）。

2.结果与讨论

（1）微观组织结构

图2.1分别为自蔓延焊接区域总体形貌的SEM、金相显微照片、线扫描元素分布图和能谱图。从图2.1a可知，黑色区域为母材，灰色区域为反应生成的Cu-Fe-Ni合金，即Cu、Ni、Fe的固溶体。自蔓延反应过程中释放大量的热量使母材熔化，且由于受热程度不同导致母材熔化程度不同，产生了形状不规则的区域，如图2.1a中母材的平头区域和尖头区域。自蔓延反应过程中，熔融焊药和母材熔合，冷却后形成合金，可见，合金与母材之间结合良好，并且微裂纹和气孔等缺陷较少。

由图2.1b可见，母材与合金之间形成明显的熔合区，且该区域金相组织结构与合金和母材差别较大，这是由于该区域母材和合金之间的元素发生相互扩散和迁移，其相应的线扫描如图2.1c所示。由图2.1c可知，母材中的Fe元素向合金中扩散迁移，并且离母材越近的区域其扩散迁移的F e含量越高，同时合金中的Cu、Ni元素也向母材中扩散迁移。反应形成的Cu-Fe-Ni合金主要由树枝状晶（标识A）和黑色区域（标识B）构成。图2.1d和图2.1e分别为图2.1b中的A区域和B区域对应的能谱图，表2.2和表2.3分别是A、B区域元素的质量分数和原子分数。可见，A区域Fe的含量比Cu、Ni的含量要多，主要是由于该区域离母材较近，母材中Fe元素大量扩散迁移的结果；而在B区域Cu的含量远大于Fe、Ni的含量。

圖2.1 微观组织结构分析：（a）、（b）分别为焊接区域形貌的SEM、金相照片；（c）线扫描元素分布图；（d）、（e）A、B区域的能谱。

（2）力学性能

（1） 显微硬度

图2.2为焊缝结合区域硬度分布图。可见，Cu-Fe-Ni合金区域的显微硬度约为130～180HV9.8 ，熔合过渡区的显微硬度约为260HV9.8，母材的显微硬度为180HV9.8。可见，熔合过渡区的硬度要远高于母材和Cu-Fe-Ni合金区。这是由于反应过程中，反应物燃烧释放大量的热，使得母材和反应生成物熔合在一起，母材中的Fe和生成物中的Cu、Ni相互之间发生了元素扩散现象（图4.1c），并生成溶有Cu、Ni的Fe基固溶体合金，达到了固溶强化的作用。由于合金区主要是溶有少量Fe、Ni的Cu基固溶体，因此相比母材，其硬度略低。

（2） 结合强度分析

图2.3为Cu-Fe-Ni划痕形貌图以及划痕试验声发射信号图。由图2.3b可见，在临界结合力Lc为73.6N时，划痕仪捕捉到声发射信号，表明熔覆层Cu-Fe-Ni材料开始发生破坏。图2.3a为划痕形貌图，测量其对应的划痕宽度并带入公式（4-1），可得该结合处的HSL值为0.749 GPa，表明具有较高的结合强度。结合图2.1（c）可知，反应放热使得母材和反应生成物熔合，母材中的Fe元素和反应生成的Cu元素、Ni元素等相互渗透，冷却后形成Cu-Fe-Ni固溶体，起到了固溶强化的效果，且使二者呈冶金结合，最终，实现了焊缝强度的较高。

通过实验研究，我们研制了可用于军用工程机械焊接中的新材料，弥补了传统的对军事装备焊接中的不足，将该技术运用于军用工程机械中，能够大幅提高军用工程机械的可靠性和稳定性，使其在军事应用中的价值得到凸显，提高工程兵部队遂行工程保障任务的能力。