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钛合金眼镜镜架钎焊用钎料的研究

2022-05-23 17:45 BBIN·宝盈王海彬杜军平

钛合金眼镜镜架钎焊用钎料的研究

BBIN·宝盈王海彬杜军平

摘要通过对几种铜基钎料的性能对比及金相分析，研究了合金元素对铜基钎料钎焊钛合金的性能影响。从而确定了氩气保护下电阻钎焊钎焊钛合金用铜基钎料Cu-Ni-Mn-Al的成份，找到了改善铜基钎料对钛母材溶蚀的合金元素Al及含量。

关键词：钛合金钎焊铜基钎料电阻钎焊银焊条银焊丝银焊线

0 前言

随着科技的发展和人民生活水平的改善，钛及其合金的应用越来越广泛，由于钛金属重量轻、生物相容性好，比强度高，抗腐蚀性强，在手表和眼镜行业得到广泛应用。由于手表和眼镜多为钎焊制品，就产生了对钛金属的钎焊要求，眼镜和手表产量大，钎焊点多，要求钎焊效率高、方便、易操作。所以真空钎焊就不适合生产需要，目前眼镜厂大都采用氩气保护下的电阻钎焊，利用Ti-Cu-Ni非晶焊线钎焊纯钛制品，这种需求越来越多。目前国内还没有生产这种的钎料厂家，手表厂和眼镜厂都是从日本进口这类焊线，价格贵且交货周期长。因此厂家迫切要求有一种效率高、价格低廉、性能稳定的氩气保护钎焊工艺和材料取代目前的方法。铜基钎料对母材溶蚀性很大，本文重点研究如何通过添加合金元素阻止铜基钎料对钛母材的溶蚀，获得性能优良的钎料。

1 实验材料、方法、及设备工艺

1.1 实验材料

表1 TC4的化学成份（%）

成份	Ti	Fe	N	H	V	Al	O
含量	余量	0.30	0.05	0.015	4.50	5.50	0.15

我们选用钛合金TC4为母材，母材的化学成分列于表1，润湿性试样采用50mm×50mm×1mm的TC4板材。

1.2 试验设备和方法

常规的板式单片搭接接头存在钎角较难完全清除、搭接面积测量不准确、钎缝间隙不一致以及接头在变形过程中存在一定的扭矩等影响试验数据准确性的因素。为了精确的获得抗拉强度和抗剪强度，我们特设计如图1所示的钎焊接头

本试验中钎料的润湿性试验采用的试验炉与GB11364-89一致，使用氩气保护，要求使用高纯氩气，其露点必需是-54℃或更低，并且采用三种钎焊温度：950℃、1050℃、1150℃，保温5秒。测定抗拉强度、抗腐蚀性、抗剪强度的钎焊接头利用TN-1X型钛金属眼镜架微电脑自动焊接机钎焊。采用三种钎焊温度：950℃、1050℃、1150℃，保温0.5秒。通过对比分析钎料的强度和钎焊性能来确定钎料的成份。

钎焊前加工后钎焊前钎焊前加工后

a 抗拉强度接头 b 抗剪强度接头

图1 钎焊接头装配示意图

2 钎料成份的设计

根据金属学原理，为了实现所研制的钎料具有优良的钎焊性能，必须对各有关合金元素进行详细分析，从而设计、实验研究出理想的钎料。

Cu、Ni 可以与钛形成低熔共晶，所以一般钛合金钎料大都选用Cu、Ni做为降低熔化温度的元素，且其材料成本低廉。若钎料中加入Cu量超过15%时，会形成脆性金属间化合物，若同时加入Ni，再加入少量的Li，钎焊接头的强度和韧性明显上升。Cu、Ni可以与钛发生强烈作用，钎焊时会快速扩散到基体金属中与钛反应造成对基体的溶蚀和形成脆性的扩散层。因此不利于薄壁件的钎焊。应严格控制钎焊温度和钎焊时间，使钎料和基体金属的反应和溶蚀保持在可接受的范围以内。

Mn 在铜、镍基钎料中加入少量对降低熔点作用很�。饕俏烁纳魄チ系娜笫院吞岣呓油非慷龋艏尤�0.5%的Mn，钎料的抗腐蚀性能得到极大的改善。由于Mn的蒸气压很高，所以不适宜真空钎焊，**在惰性气体保护下钎焊。

Al 在钎料中可以降低钎料的熔点，与钛基体相互作用�。腩训暮辖鸹从�*弱，能够提高接头的抗高温氧化和抗盐雾腐蚀性能，可以促进钎料的润湿性和基体表面氧化膜的去除。在较低温度范围内（＜700℃），铝可以促进氧向钛基体中扩散溶解而使氧化膜从钛表面去除，在高温范围内（＞700℃），铝促进钎料的润湿性主要通过液相铝与钛界面区相互反应。不过，控制不好，容易产生过量的TiAl₃金属间化合物的形成，使接头的性能下降，

根据上述分析，，如果我们采用Cu基钎料，加入Ni、Mn、Al、等元素，共设计了三种不同成分的合金，在三种合金中均保持Ni含量为40%，适当调整Mn、Al含量，来获得性能合乎要求的钎料，我们设计成分如表2所示。钎料采用真空中频感应冶炼，石英坩埚真空度为1pa，原料用纯度为99.9%的电解Cu、Ni、Mn、Al合金。熔炼时待原料熔化后，保持约30分钟使成分均匀，然后浇铸到金属模中，热轧成0.05mm厚的薄带。

表2 钎料化学成分

名称	合金元素（%）
名称	Cu	Ni	Mn	Al	Li
THL-1	55	40	5
THL-2	55	40	3	2
THL-3	54	40	4	1

3 钎料的性能对比与分析

3.1 合金成分对钎料润湿性的影响

如图2 所示，三种钎料里润湿性随着含Mn量的增加而增加，钎焊温度随着含Al量的增加而逐渐降低，由于THL-2含铝高，所以钎焊温度比较低，大约在1000℃，润湿性比较好。THL-3含铝量少，含锰量高，故钎焊温度较高，大约在11

3.2 合金成分对钎焊接头抗拉强度的影响

由图3可知，三种钎料的钎焊接头抗拉强度随着含Mn量增加而增加，随着含Al量的增加而减少。THL-1钎料在1150℃以下基本无效果。THL-2由于含Al较多，钎焊温度较低，强度较低，钎焊温度基本对抗拉强度无影响。THL-3由于含Mn量较多，故抗拉强度较高，熔点较高，在1150℃时断于母材。

3.3 合金成分对接头的抗剪强度的影响

合金元素对钎料钎焊接头抗剪强度的影响如图4所示，随着钎料含Mn量增加，钎焊接头的抗剪强度也增大。随着含Al量的增加，接头的抗剪强度下降。由于THL-2含Al量较多，钎料与母材的合金化反应较弱，故钎焊温度对HL-2的接头抗剪强度影响不大。THL-3含Mn量较大，其钎焊接头的抗剪强度较大。

3.4 合金成分对接头的耐腐蚀性能的影响

合金成分对钎料的抗腐蚀性能影响如图5所示，在合适的钎焊温度下随着钎料含Mn量的增加，钎焊接头的抗腐蚀性逐渐增加。随着含Al量的增加，钎料的抗腐蚀性能有适当的提高。THL-1由于钎焊温度没到，所以其接头抗腐蚀性差。THL-2钎料含Al量多，当钎焊温度过高时，由于Al的过度消耗，使得钎焊接头的抗腐蚀性能急剧下降。THL-3钎料含Mn量高，其接头抗腐蚀性好。

3.5 钎料THL-3的钎缝显微组织分析

由图6a中可看出钎料THL-3与母材形成非常均匀的、致密的、较宽的扩散层，钎缝处由取向一致的等轴晶组成，所以钎焊接头的抗剪强度、抗拉强度、抗腐蚀性能都较好。从图6b中可看出，在钎缝与母材交界处，有两层扩散层，据分析靠近母材一侧为黑色富含Cu、Ni的一层组织，靠近钎料的一侧为白色富含Ti、Zr的一层组织，这是由于钎料中不含Al,钎焊时Cu、Ni强烈的向Ti中扩散，而钎料中Cu、Ni比例低，造成钎料一侧Ti富集所致。钎料对母材的溶蚀非常明显。其抗拉强度、抗剪强度、抗腐蚀性能都较THL-3低。

图6a 钎料THL-3显微组织 (×400) 图6b 钎料THL-1显微组织（×400）

3.6 钎料THL-3室温金相组织分析

钎料THL-3的室温金相组织如图7所示，图为钎料的铸态组织，由粗大的α相树枝状组织组成，枝间有第二相析出，由于Al在Cu中的固溶度比较低，第二相是Al的共溶析出，所以铸态的THL-3非常脆硬，这种组织经过固溶处理后，会变为均匀的等轴晶粒，韧性转变的比较好。

图7 钎料THL-4 室温金相组织 (×300)

4 结论

1 少量的Mn能够增加钎料的耐腐蚀性能，提高钎料的抗拉强度、抗剪强度、润湿性。少量的Al能够降低钎料的熔点，提高钎料的抗腐蚀性能，能够去除氧化膜，增加润湿性，可以抑制基体与钎料合金化。

2 钎料THL-3钎焊性能良好，适合本试验要求，其钎焊温度为1050℃，能够满足用户需要，且价格低廉。是一种新型的钛合金钎焊用钎料。

参考文献

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5 林肇琦。有色金属材料学第1版。沈阳:东北工学院出版社，1986

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