烧结钎焊粉末冶金零件研究.pdf

第 2 2卷第 1期 2 0 1 2年 2月 粉 末 冶 金 工 业 POW DER M ET ALLURGY I NDUS T RY Vo l _ 2 2 No．1 Fe b ． 2 O1 2 烧结钎焊粉末冶金零件研究 So ko l o ws k i Pet er K Ho e g a n a e s公 司 ， Ci n n a mi n s o n， NJ 等 ，0 8 0 7 7美 国 摘 要 烧结钎焊是一种 已确立的粉末冶金零件连接工艺， 经常用于生产汽车零部件。成功的 钎 焊连接 主要 取 决 于钎 焊合 金 、 连接 表 面与烧 结 气氛 间的相 互作 用 。将 广 泛使 用的钎 焊合金 ， An c o r b r a z e 7 2 AB 7 2 ， 设 计 成与 焊接 的母 体材 料 形 成 合金 和 能 局部 密封 钢粉 末 冶金 零 件 的 表面孔隙， 从 而可防止因熔渗造成钎料材料的大量损 失。本 文将检验在不 同生产工艺条件下 钎焊的性状 ， 和研究与表征焊剂与铁使钎焊合金的改性对熔化与凝固性状的影响。 关 键词 烧 结钎 焊 ； 钎 焊合 金 ； 熔渗 ； 钎 焊 连接 ； 焊 剂 中图分 类号 T F 1 2 4 ． 5 文 献标识 码 A 文 章编 号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 2 0 1 ～0 0 0 9 0 8 CONSI DERATI ONS I N S I NTER BRAZI NG PM COM PONENTS Pe t e r K． So k ol o ws ki ， Tho ma s F．M u r p hy。 a n d Br u c e A．Li nd s l e y Ho e g a n a e s C o r p o r a t i o n C i n n a mi n s o n ， N J 0 8 0 7 7 J Ab s t r a c t S i n t e r b r a z i n g i s a n e s t a b l i s h e d j o i n i n g p r o c e s s f o r p o wd e r me t a l l u r g y c o mp o n e n t s a n d i s o f t e n u s e d i n p r o d u c t i o n o f a u t o mo t i v e a p p l i c a t i o n s ． A s u c c e s s f u l l y b r a z e d j o i n t r e l i e s h e a v i l y o n t h e i n t e r a c t i o n s b e t we e n t h e b r a z e a l l o y， t h e j o i n i n g s u r f a c e s ， a n d s i n t e r i n g a t mo s p h e r e ． Th e wi d e l y u s e d b r a z e a l l o y， An c o r b r a z e 7 2 AB 7 2 ， wa s d e s i g n e d t o a l l o y wi t h t h e p a r e n t ma t e r i a l a n d l o c a l l y s e a l p o r o s i t y o f s t e e l PM p a r t s u r f a c e s ， t h e r e b y p r e v e n t i n g s i g n i f i ～ c a nt br a z e m a t e r i a l l o s s d ue t o i n f i l t r a t i o n． Br a z i n g p e r f o r ma nc e u nd e r d i f f e r e n t pr o c e s s i ng c o nd i t i on s wi l l b e e xa m i n e d a n d t he i n f l ue n c e s o f f l ux a nd i r o n mod ． f i c a t i o ns t o t he br a z e a l l o y o n t he m e l t i ng a nd s ol i d i f i c a t i o n b e ha vi or a r e e xp l or e d a nd c ha r a c t e r i z e d． Ke y wo r d s s i n t e r b r a z i n g ， b r a z e a l l o y ， i n f i l t r a t i o n， b r a z e j o i n t ， f l u x 随着粉末冶金 P M 产业继续促进及 近终形生 产工艺的复杂化 ， 许多产品设计都包括有连接技术 ， 以将几个压制件制成部件。这扩大了粉末冶金 的能 力， 使之和传统制造方法相竞争 ， 以为各种应用提供 成 本 可行 的复 杂形 状零件 。烧结钎 焊 是一 种 比较容 易将零件有效连接在一起 的方法 。尽管钎焊机理本 身很复杂 ， 可能不十分了解 ， 但一般做法相当简单明 了， 可以减少制造调整 中的额外 的工序 。它可通过 在可控气氛中同时烧结与连接生坯， 以一道工序完 成在粉末冶金中的两道工序 烧结与其后 的粘结或 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 0 7 作者简介 P e t e r K． S o k o l o ws k i ， 博士 ， 高级工程师 。 焊接 。在选择配合烧结钎焊的粉末冶金工艺时， 特 别是与得到设计相同的昂贵、 耗时的铸、 锻件切削加 工相 比较时， 都能显示出其经济优势口 ] 。显然， 在制 造最 终形 零件 时 ， 烧结 钎 焊 已成 为不 可 或 缺 的连 接 工艺 ， 因为它已成功用 于生产汽车产业的分动箱行 星齿 轮架 与 减 速 器 毂 盘 _ 】 。母 材 表 面 间 的 金 属 结合强度足以达到高性能粉末冶金零件的要求 。 已知粉末冶金工艺的一种特异特性 ， 是零件 中 的连通孔隙可产生相当大的毛细力。尽管毛细作用 会把熔化的钎料吸进设计的必要的连接间隙 ， 但孑 L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 粉末冶金工业 第 2 2卷 隙 的毛 细力 一般 太 大 ， 很 快 就 会将 钎 料 从 连 接界 面 吸走。孔隙网络起着将填料金属吸进零件容积 内的 管道作用， 这可能导致连接处填料金属不足 。为此 孔隙总是烧结钎焊 中的一个难题 。解决此问题的一 种选择 ， 是钎焊前进行铜熔渗 ， 从而可将多孔性体完 全充填 。可 是 ， 这 种 方法 不 但 效 率低 而 且 可 能成 本 过高 。 另 一种 方法是 将零件 生 坯压 制 到 密度 高 于 7 ． 2 g ／ c m。 ， 也可防上熔渗[ 4 ] 。可是 ， 短距离熔渗对提高 结合强度可能是有利的， 在较高密度下 ， 表面孔隙的 封闭可能会完全阻止这种情况发生。这样做 ， 结合 强度可 能 比预期 的要小 。 因此 ， 粉末冶金钎焊需要能够部分熔渗， 而大部 分保持在预定 的问隙中以形成牢固结合的特种填料 合金 。已确立的钎焊合 金， An c o r b r a z e 7 2 ， 是专 门 为粉末 冶金 产业 此 项用 途 而 设计 的 ， 在 短 距 离熔 渗 后 即 固化 。这 可 防止钎料 材料 过分损 失在 零件容 积 内， 留下足够的填料合金 以实现母体表面间的牢 固 金属结合 。这一机制出现在钎料材料与铁基体溶解 而产生熔化钎焊材料的液相线温度升高时。随着液 相线温度升高， 表面张力增高 ， 流动性降低 ， 使钎料 合金难以进一步渗入 ， 最终在或接近烧结温度处 固 化 。从原理上讲 ， 这些就是用钎焊连接粉末冶金零 件 的工 序 ， 尽 管如 此 ， 它 并 不 总是 一 种顺 利 、 可 控 的 工艺， 因为有许多外部参数会影响其性状 。 尽管粉末冶金烧结焊接已在成功地应用 ， 但似 乎有许多随机事件发生 ， 当钎料材料在合金与铁熔 化时未能及时封住接近零件表面 的孔隙时， 则会发 生过多的熔渗 。从 图 1 a 可看出一个合格 的钎焊 连 接 的实例 ， 展示 出 的间隙 中有 足够 量 的填料合 金 ， 母体表面有最小熔渗 ， 这可能具有适度的连接强度 。 图 1 钎焊连接实例 a 显示钎料合金 亮相 熔渗进母材极小的 良好钎焊 连接实例 ； b 一过多钎料合金 的熔渗 ， 导致在连接区中形成连续空隙的不 良钎焊连接实例 母体材料是 F C 一 0 2 0 8 ， 密度 7 ． 0 g ／ c m ， 图像都是用 2 体积分数 硝酸醇液一 4 质量分数 苦味酸醇液浸蚀的 与此相反 ， 图 1 b 示出在连接处两侧都有过多 的熔渗 ， 较亮的相是富集 的钎料合金。由于熔渗太 多， 剩余的填充间隙 的钎料材料量不足。这种现象 并不总是容易理解 的， 当制造过程 中出现这种情况 时， 都要下很大力气去解决它 。大家知道 ， 一些零件 制造商用在钎料预混合粉 中添加少量铁粉 以防止表 面腐蚀 ， 通常用液相处理 ， 可能会抵消过多熔渗 。以 前支持这种方法的研究工作表明， 在钎料预混合粉 中添加铁粉将影响固化温度的起始 ， 或许会影响熔 渗程度 ． 6 _ 。 在 进 行 钎 焊 时 已 确 立 了 许 多 要 遵 循 的 准 则l_ 1 。一个关键因素是气氛组成 ， 并且在烧结的 每一阶段都须要严格控制。当零件在预热带时， 最 重要的是要轻微氧化以促进有效脱出润滑剂而不会 熏黑。进入高温加热带的残留在表面上的污染物， 可能对润滑有不 良影 响， 阻碍钎料合金 流过 问隙。 如果预热带的气氛过分氧化 ， 钎料合金组成可能被 氧化。在这种场合， 在高温加热带可能不会充分还 原钎料材料 ， 或者钎料材料被焊剂改变使着可适 当 润湿与流动 。钎料表面的绿色表示是过度氧化的迹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 S o k o l o ws k i P e t e r K．等 烧结钎 焊粉末冶金零件研究 象_ 1 ] 。当装炉量改变与发送零件速度变化时， 可能 需要调整气氛。烧结时的另外一个因素涉及到零件 的加热 温度 分布 ， 鉴 于较 高 温 度 可将 钎 料 材 料 由较 冷区吸走 ， 故零件 的温度不均匀可能会导致钎焊合 金 不规 则 的 流 动 。这 可 能 会 形 成 不 均 匀 的钎 焊 连 接 。另外 ， 加热速度慢可能促使 钎料合金 的低熔点 成分从钎料 中析出， 在与铁合金化后很快再凝固， 阻 止剩余的钎料流人间隙__ 2 ] 。 液态钎料有效地润湿母体材料 ， 常常是成功进 行钎焊作业的关键 。表面氧化物会阻止钎料合金在 表 面上 的散 布 ， 在 钎料 通过 连 接处进 行 虹 吸之前 ， 必 须将其清除l_ 8 ] 。因此 ， 关键是要含有一种焊剂 以溶 解钎料与母体材料二者的表 面氧化物 ， 在表面张力 减小时 ， 促使钎料润湿与展开 。在使用焊剂时， 会在 放置钎焊片处 留下含金属氧化物 代表性 的为 Mn 或 S i 氧化物 的玻璃质残渣 。残渣一般是粘着的 ， 也 有 实例 表 明 ， 如 果 不 除 去 ， 使 用 时 会 剥 落 。因 而 ， 习惯的做法是 ， 在零件设计 中包 含有盲孑 L 或封 闭的 空洞用来保持残渣 ， 防止在使用时干扰活动件 。如 果使用钎焊时 ， 采用 开孔设计 ， 可推荐采用像洗涤、 化学浸蚀或研磨作用使残渣松散去除类似玻璃的焊 剂 残渣 的方 法 ， 尽 管 如 此 ， 在 烧 结 钎 焊 时 ， 在 钎 料 中 添 加焊 剂是 必要 的 ， 除非 生产 是在 真空 室 中进行 。 在历史上， 烧结钎焊大多在炉 中用吸热气氛与 An c o r b r a z e 7 2进行的， 因为这种主要钎焊合金是为 在这种气氛 中使用而设计的。吸热煤气 的典型组成 为 2 O ～3 0 C O， 3 O ～4 O H2 ， 4 O ～4 7 N2 ， 1 水蒸气及 0 ． 5 C O 和能够根据要求 的效应调 节露点与碳势。这些年来 ， 许多烧结炉为了经济效 益而转向采用 干燥、 贫 弱气氛 体积分 数 9 0 N 一 1 O H 。面 临 的难 题 是 ， 气 氛 组 成 已改 变 ， 这 导 致 钎焊性能不可预知 ， 却必须提供始终如一 的钎焊结 果 。为了更好地了解钎焊合金与影响钎焊性状的工 艺参数 ， 进行 了以下研究 以定性地评估钎焊合金 的 熔化与凝固的性状 ， 和在预混合粉 中如何添加铁来 改变其在贫弱烧结气氛中的相互作用。 1 方 法 这项研究使用的钎料合金 ， 是水雾化法生产 的 An c o r b r a z e 7 2 ， 其标称组成 质量分数 为 41 Ni ，4 O Cu，1 5 M n，1 ． 8 S i ，1 ． 5 B。 用于压制 圆片的是市场上可买到的粒度分布为 4 2 5 m／ 7 5 m的 。添加 0 ． 7 5 Ac r a wa x润滑剂制成 预混合粉 ， 在 2 O MP a下压制成 圆片， 每个 圆片重 0 ． 8 5 g 。将钎料 圆片置 于直径 1英寸基体 压坯之 上 ， 在 Ab b a t t 高温 连续 带 式烧 结 炉 中于 1 1 2 0 ℃ 下 烧结 ， 测定了钎料的润湿性状 。将基体压坯压制到 密度 7 ． 0 g ／ c m， 其 组 成 是 由市 场 可 实 到 的 An c o r s t e e l 1 0 0 0 B铁 粉 ， Ac u P o wd e r 8 0 8 1铜粉 及 As b u r y 3 2 0 3 H 型石 墨 。表 1列 出 了所 有 可 能 组 合 的 评 价 参 数 。另外 ， 在第 二 次 发 送 的钎 焊 小 片 测定 生 坯 表 面或烧结表 面的影响前 ， 一组基体压坯 在 9 0 N 一 1 0 H。中进行 过 预 烧结 。烧 结 后 用 目视 检 查 钎 焊 小片的残留物 ， 观察所列不同参数的影响。 表 1 钎焊润湿研究参数 压坯组成钎料添加剂 质量分数 烧结气氛 体积分数 作为对润湿性状研究 的观察结果 ， 进一步研究 了基体压坯 中石墨含量的影 响。铁基混合粉 质量 分 数 是 由 2 C u粉与 三种 石墨 含量 0 ． 3 ， 0 ． 6 ， 0 ． 8 制成的。钎焊连接是 由这些混合粉压制到密 度 7 ． 0 g ／ c m。的 ， 尺 寸 为 1 ． 2 5 i n0 ． 2 5 i n 0 ． 5 i n 的矩形生坯试条叠加构成的。顶端的试条中央钻有 孔 ， 以便放 置一 小片 钎料 。将 试样 在 1 1 2 0 ℃ ， 于 9 0 N 一 1 O H 气氛 体积分数 中进行 了烧 结钎 焊。为了在零件间形成间距 ， 将顶端试条 的一面压 制 成 为倒 斜 边 的 ， 以在 上 、 下 试 条 间形 成 0 ． 0 7 6 ～ 0 ． 1 2 7 mm 的间隙。将试样在垂直于连接面的方向 切开 ， 随后依照标准金相法进行镶样与抛光 以便获 得光学图像 。另外， 用 自动图像分析仪测定 了横穿 烧结钎焊连接区的孔隙分布和 自钎焊连接处 中心线 距 离 的关 系 。 此 外 ， 用差 热分 析 DT A 对 钎 料 的熔化 与凝 固 性状及其 与 铁 的相互 作 用进 行 了评 估。用 S T A 4 4 9 J u p i t e在 4 0 ml ／ mi n的流动的氮气氛中在氧化铝 坩 埚 中对代表性试 样 同时进行 了热重一 差热分 析。 温度曲线包括 以 2 0 ℃／ mi n冷却 到 6 0 0 ℃之前 ， 以 2 O ℃／ mi n由 2 5 ℃升温到 1 1 3 0 ℃ ， 保温 5 mi n 。以将 细铁粉混进钎料预混粉的方式研究了铁进入钎料合 金溶液中的影响。另外 ， 用模拟典型零件组成进行 的烧结钎焊的 DT A， 检验了 F C 一 0 2 0 8预混合粉层间 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 S o k o l o w s k i P e t e r K．等 烧结钎焊粉末冶金零件研究 1 3 不 通 的 。 3 在钎料预混合粉 中添加细铁粉 ， 好像会导致 熔渗到压坯中的量减小 ， 正进一步研究这种相互作 用 。 4 在所有试验条件下， 添加 焊剂都是需要 的， 可溶解 表 面 的氧化 物 和 促 进 表 面 润湿 ； 关 于钎 料 在 表面上如何流动 ， 与 3 质量分数 焊剂相比， 将焊 剂增大到 5 ％ 质量分数 似乎并未看出改善 。在实 验室的条件下 ， 增加焊剂含量没有看出有任何好处 ， 而可 能进 一步 受到 满载 生产 炉 的影响 。 5 基体材料中的铜粉 ， 对烧结前试样生坯的表 面润湿没有影 响。压坯 的预烧结 会导致对 含 0 ～ 2 质量分数 铜 的钎料表面展开 略有改进。这种 性状暗示 ， 在铁表面溶 解的铜会减小与铁接触 的钎 料的润湿角 ， 使其更成功地合金化 ， 从 而阻止熔渗 ， 而促使代之以展开 。 6 在钎料预混合粉 中添加石墨有不 良影响， 完 全 阻止钎 料颗 粒 聚 集 与 润湿 压 坯 表 面 。这 暗示 ， 在 炉子预热带产生的任何残渣与烟黑， 都会大大阻止 钎料润湿表面与流动 ， 而这与焊剂含量无关 。 7 在这项研究 中， 在气 氛 中注入少量 0 ． 5 体积分数 C O或 CH 好像并没有改善润湿性状 或防止熔渗。但是 ， 在满载的生产炉中， 结果可能不 同 。 2 ． 2支持 的证 据 在大多数情况下 ， 不论参数如何 ， 变化通常结果 是钎料会熔渗进基体压坯。一个有趣 的观察 本实 验 的整个 的持 续趋 势 是 ， 由于减 少 石 墨 含量 ， 钎 料 材料在表面上 的展开会增大 ， 这与熔渗正相反 。为 进一步研究基体材料 中石墨含量 的影响， 利用混合 有不同石墨含量 的基体试条 ， 进行了钎焊连接。 2 ． 2 ． 1 石 墨 的影 响 如 图 3所示 ， 对 利 用 压 制 到 7 ． 0 g ／ c m。的基 体 材料 F C 一 0 2 0 X X----碳 含量 制取 的烧 结钎 焊 试条 进 行了对比。 a 是烧结体碳含量 砌 c 为 0 ． 2 8 9 ／ 6 的 ， 钎焊连接处很清晰。请注意， 零件中的熔渗是最小 的 ， 因为早在熔渗之前就将孔 隙网络封堵 了。 b 的基体材料烧结体碳 含量 叫 c 为 0 ． 5 5 ， 在将孔 隙封堵之前 ， 钎料合金就已更深地流入零件中。 c 的烧结体碳含量 W C 为 0 ． 7 2 ， 零件表 面与钎焊 连接 处 间的界 面更 模 糊 ， 这 是 因 为 由原 始 表 面溶 解 的铁 量增 多 ， 钎 料材 料 更 进 一 步熔 渗 进 毗 连 的零 件 中。在 叫 C 一0 ． 7 2 烧结体碳水平下钎料似乎进 一 步熔渗进了开孔 网络 ， 但这并不意味着发生了过 多熔渗， 因为连接处依然完全充满钎料材料。值得 注意的是 ， 连接处的显微结构形态 由于使较 多钎料 合金熔渗进零件而发 生了变化。迄今 ， 尚未试验测 定过这种显微结构变化对连接处强度 的影响。但是 认为 ， 需要钎料合金对基体材料进行一些熔渗， 以促 进较 均匀 的金属 结合 ， 见 图 3 c 。 图 3 基体材料组成 F O - 0 2 0 X x0 ． 3 ， 0 ． 6 ， 0 ， 8石墨 中碳含量不同对烧结钎焊连接处的影响的比较 a 烧结体碳含量 ∞ c 0 ． 2 8 ； b 烧结体碳含量 w c 一0 ． 5 5 ； c 烧结体碳含量 c 0 ． 7 2 ％ 零件都压制到 7 ． 0 g ／ c m。 ； 图像为抛光的光学照片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 粉末冶金工业 第 2 2卷 为支持增大熔渗的 目视观测， 对图 3示 的试样 用图像分析测定了百分率孔隙度和 自估计的钎焊连 接处 中心线 的距离 的关系。这些测量结果示 于图 4 。 已知 基体 零 件 的平 均起 始 孔 隙度 约为 l 1 ， 孔 隙度水平应增加到距离钎焊作用远处的值 。对于 W c 0 ． 2 8 烧结体 碳的合金化零 件， 在距 中心线 3 0 0 g m 以内 ， 孔 隙度水 平就很 快升 高到 了基体 零 件 的孔隙度水平 ， 这说明很少发生熔渗 。这种测量与 上面的目测结果很一致。在达到基体试条的标称孔 隙度水平之前 ， 基体零件的较高的碳含量， 会导致熔 渗深度稍有增加， 如测得的 自中心线的较大距离为 4 4 0 “ - - - 5 0 0肚 m 所 表 明 的 。这些 结 果 表 明 ， 碳 含 量 影 响钎焊连接处的形成 ， 并且可能影响熔渗程度 。但 是 ， 还不十分明了碳含量是如何具体地改变润湿性 状的， 是通过帮助减少表面的氧化物还是控制 了熔 化钎料的表面张力 ， 阻止它与铁表面 的密切接触 。 熔渗随着碳含量增加而增强， 这种迹象表明， 钎料一 开始是不能与铁合金化的， 因此才能不断地被吸进 多孑 L 性体 中。 图 4 一 基 体 试 条 的 平 均 孔 隙 度 ， 一 J 二 ／ ,T ～ 一 ， ． ．2 8 ％ S C 。∥ 0 ． 5 5 ％ S C 一 7 2 ％ S C 0 l O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 自钎焊连接处至中心线的距离／ p ,m 钎焊连接处的百分率孔隙度 与自连接处 中心线距离的关系 钎焊连接的基体材料有三种烧结碳含量 S C 一 烧结碳 质量分数 2 ． 2 ． 2 铁 的影 响 另外一个值得注意的观察是， 润湿研究的结果 是添加少量细铁粉对残留在压坯表面上的钎料数量 的影响 。为了进一步研究钎料与铁的相互作用， 用 DT A研究了熔化 与凝 固的性状。如 图 5 a 所示 ， 钎料粉末 3 焊剂 质量分数 加热时的典型 DT A 曲线表明 ， 约在 9 3 5 ℃开始熔化 ， 在 约 1 0 6 0 ℃完全 熔化。但是 ， 这一结果并没有考虑 到像粉末冶金零 件烧结一 钎焊时所经受 的与铁或与其他成分 的相互 作用。为了研究钎料合金与粉末冶金钢表面的相互 作用 ， 在钎料预混合粉 中添加 了少量铁粉 ， 然后予以 混合 。 如图 5 b 所示 ， 不管预混合 的铁含量如何 ， 开 始的熔化温度依然未变 ， 这是 因为在较低温度下初 始钎料组成未发生变化 。可是当与 F e极接近很 明 显的合金开始熔化时， 液相就会局部地将铁溶进与 钎料的溶液 中。这种现象将熔化范围扩展到较高温 度 ， 对添加 质量分 数 2 与 5 9 ／ 6 质 量分 数 铁 粉 者 ， 这是 明显 的 。添加 2 O 铁 粉 时 ， 熔 化 性状 发 生 明显 变化 ， 加热到 1 1 3 0 ℃时扩展的范围好像超出了测量 的范围。当接近 1 1 3 0 ℃时， 曲线 的下降斜率表 明， 并没有完全熔化， 因为其 已达 到了典 型烧 结温度。 尽管没有示 出， 但 以后 的试验证明， 添加 2 0 铁粉 时， 在约 1 1 6 0 ℃才能接近完全熔化。 考察 图 5 c ， 在 由 1 1 3 0 ℃冷 却 时 ， 仅 只 钎料 的 凝固开始 冷却 时 的初 始 放热 峰 约在 9 5 5 ℃， 于 8 3 0 ℃完成。这表明， 如果钎料不与铁合金化 ， 则在 烧结时钎料合金可在一段时间内呈液体状态 ， 这可 能导致熔渗 。在这些条件下 ， 凝固时有两个独立 的 峰存在， 这表明有两相存在。在预混合粉中添加铁 粉 ， 在烧结钎焊的过程的冷却阶段的作用是相当明 显的， 突显出在钎料熔化与溶解铁时产生的合金化 机制 的重要 性 。钎 料 的开始凝 固温 度 随着 溶液 中铁 的添加而显著升高 。预混合 的铁粉为 2 时 ， 凝 固 开始的温度升高到 1 0 1 0 ℃， 添加 5 质量分数 铁 粉 时 ， 温度 升到 1 0 4 5 ℃ 。凝 固相 的数 目是 由于溶于 溶液 中的铁， 随着 F e外加的尽管有小的峰值 曲线 变化 。有趣 的是 ， 在 固溶体 中的 F e 含量 硼 F e 为 2 0 时， 合金的主要组分的初始凝固温度就接近于 典型的烧结温度 。这表 明， 当含有钎料的溶液的铁 含量一旦接近或大于 2 0 时 ， 钎焊合金液体的主要 组分就将在烧结温度下凝 固。如在图 3 a 所看到 的， 钎焊连接处的显微结构的 E D S分析表明 ， 在整 个连接区固溶体铁 的含量相似。 这些 DT A结果与先前 的关于用添加铁对改变 钎焊合金的熔化与凝 固性状的影响的研究[ 5 很一 致。这也暗示 ， 对钎料预混合粉添加少量铁粉也可 能是避免熔渗的一个机会。通过使铁与熔化的钎料 邻接， 为封 闭孔 隙从母材溶解 的 F e就会减少 。这 有双重作用， 由于因铁溶解 ， 可防止浸蚀零件 表面， 并在钎焊过程中很快地提前进行 封孔 ， 可防止显著 熔渗。实际上在烧结温度下， 钎料是连续熔化的 ， 在 4 2 O 8 6 4 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 S o k o l o ws k i P e t e r K．等 烧结钎焊粉末冶金零件研究 2 O 溶解铁的情形下 ， 这表明， 它可能对流动性有相 当大的影响。钎料的流动性相 当大地影响其被吸进 连通孔隙或易于虹吸到整个间隙中的能力。 自然设 计的原理如下 由于溶解铁的含量增高， 钎焊合金在 熔渗 进零 件短 距离 后 凝 固 ， 这 可 防 止 连 接 区材 料 的 Q 温度Y C al Q 温度／ 。C C 进一步损失 。相反地 ， 如果钎料不能与铁合金化 ， 在 升高的温度下液体越来越多， 较大 的可能熔渗到多 孑 L 性体中更大 的距离 ， 遗 留下的材料不足以形成强 固的连 接 。 i Q 岛 温度Y C b1 温度， ℃ d 图 5差热分析 D T A 图 a 钎料3 焊剂， 加热 到 1 1 3 o c； b 钎料 添加铁粉都含 3 焊剂 加热到 1 1 3 o c； c 钎料 ， 冷却 ； d 钎料添加铁粉 ， 冷却 温度Y C al 温度／ ℃ b 1 图 6 F C 0 2 0 8材料 与 F C 一 0 2 0 8 钎料加热到 1 1 3 0 O的差热分析 D T A { a 以及 冷却 曲线 { b 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 粉末冶金工业 第 2 2卷 为进一步研究涉及典型材料烧结钎焊的机制 ， 用 DT A与钎料相结合研究了 F C - 0 2 0 8及 F C 一 0 2 0 8 钎焊 合金 的组 成 。图 6 a 示 F C - 0 2 0 8粉 末 的基 本 曲线 ， 在 8 5 0 8 6 0 ℃左右开始 a - 7产生相变 ， 和在 9 3 0 ℃左右碳完全溶解。混入 的铜在约 1 0 8 3 ℃熔 化 ， 达到烧结温度时完全变为液体。将钎料加在两 层 F C 一 0 2 0 8混合 粉之 间 在氧 化 铝 坩埚 中 ， 可说 明 各种成分间的相互作用 ， 当有钎料存在时 ， 虽然 a - 7 相变好像移 向较高温度 ， 但还不清楚这是否只是加 热速度的影响 ， 或者是否钎料 对变动有什么影响。 另外 ， 钎料的熔化趋势 的性状与添加 2 0 铁 粉 质 量分数 的钎料预 昆 合粉 见图 5 b 相同。钎料达 到铜熔点时可能还在连续熔化， 因为铜 的拐点被遮 掩 了 。 由图 6 b 可 见 ， F C 一 0 2 0 8的冷 却 曲线 表 明 发生 反应都是在变化的， 这表明， 在冷却阶段开始前液体 铜已溶解到铁中。可是将钎料材料添加于混合粉中 后 ， 一个 相开始 于约 1 0 6 0 o C在 1 0 0 0 ℃结束 。与 图 5 d 示 的结 果 相 对 比 ， 这 表 明凝 固起 始 的 铁 含 量 F e 在 5 0A～ 2 O 之 间 。进 一 步用 添加 1 0 铁 粉 未 示 出 进 行 的 检 验 表 明 ， 铁 含 量 训 F e 接 近 1 0 时 ， 如 同凝固起始 温度约为 1 0 5 5 ℃ 的结果 所 表 明 。 3 结论 烧 结 钎 焊 是 连 接 粉 末 冶 金 零 件 的有 利 生产 工 艺 ， 其可大大扩大用粉末冶金制造的零件的复杂性 。 钎焊机制是一种受许多因素影响的复杂生产过程 ， 每一种因素都必须专 门考虑 以防止产生钎焊缺陷。 倘若在生产过程中出现像过熔渗之类 问题时， 则可 能必须根据零件设计与制约条件以及预计的烧结条 件 ， 定制钎料 预混合粉 的组成 。很 清楚 ， 钎料 充分 润湿粉末冶金零件表面和在设计 的间隙之 间依虹 吸的能力 ， 主要 取决 于烧 结气氛 和存在 的 固、 液 、 气体种类之间的表 面相互作用 。在钎料预混合粉 中添加少量 铁粉 ， 可影 响钎 料 的熔化 与凝 固性状 和在熔渗连续 阻碍 钎料过 程的情形下 ， 这可能 是 有用的 。 在钎料预混合粉 中添加细铁粉 ， 已证明可扩大 熔化范围与显著提高凝固的起始温度 。实际生产中 零件的升温速度 ， 可能低于 D TA实验的值 ， 因为结 果可能有变化。在实 际应用之前 ， 需要对给定 的应 用试验添加 F e粉。另外 ， 正如促进钎料表 面展 开 所表明的， 减低欲连接零件的石墨含量是不现实的， 因为大部分零件需要一定量的碳溶于铁 中， 以形成 粉末冶金零件需要的足够高的强度与性能 。另一个 已证明的任选项是零件 的预烧结 ， 已证 明其可减少 熔 渗 。可是这种 方 法从 经 济 上看 并 不 可行 ， 因此 也 不推荐。无论在烧结钎焊 中的挑 战如何， 适当设计 与控制时， 它依然是一种成本可行的连接方法 ， 可使 形状复杂的粉末冶金零件形成强固连结 。未来工作 将集中于加深对钎焊相互作用的了解与改进其在贫 弱气 氛 中的性状 的方法 。 参考文献 E 1 2 G a b r i e l o v I ， Wi l s o n C， a n d Ha mi l l J ． S i n t e r - B r a z i n g Au t o mot i ve Powe r t r a i n Co mp on e nt s ． I nt e r na t i on a l J o u r n a l o f Po wd e 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