氧枪喷头钎焊焊缝的组织和性能.pdf

第6 l 卷第3 期 2 O O9 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 20 O9 氧枪喷头钎焊焊缝的组织和性能 牛显明1 ，张新子2 ，刘嘉平2 ，张平祥2 ，徐永涛2 1 ．兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ；2 ．首钢岷山机械厂，甘肃天水7 4 1O O O 摘要通过分析转炉氧枪喷头设计结构、使用环境和失效形式，探讨银基钎料的组织和性能。多元银基钎料中，锌、镉总量 不得高于4 0 ％，否则易形成较多的脆性相，对焊缝的性能不利。选择B A 9 4 5 c u z n 钎料采用炉内空气钎焊技术，实现了氧枪喷头的 钎焊连接。结果表明，焊缝成分呈中心富银、边缘富铜的规律分布，微观组织主要以银、铜为基的固溶体为主，并有少量的金属间 化合物口相存在，焊缝组织致密，综合性能良好。 关键词金属材料；氧枪喷头；钎焊焊缝；组织和性能 中图分类号T G 4 2 5 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 一0 2 l l 2 0 0 9 0 3 一0 0 2 8 一0 5 转炉炼钢用氧枪喷头由枪身和喷头两部分组 成，连接方式采用外管焊接 钢铜焊接 、中管与分 水盘螺纹连接、内管与上部氧管插接 靠密封圈密 封 。喷头在距钢水液面约1 4 0 0 m m J 处工作，正常 吹炼时，氧气流以2 马赫左右的速度从喷嘴喷出并 吹人钢液中，其底面要承受高于2 0 0 0 ℃心3 的高温辐 射。在倾钢后伸入渣液中改为吹氮气，实现溅渣护 炉。喷头又分为铸造喷头和锻压组合式喷头。其中 锻压组合式氧枪喷头是世界上转炉炼钢用氧先进技 术装备“ 。。喷头是一个易损件，失效后将从枪身上 切割换下。它在炼钢中用量很大，尤其对于我国这 样一个钢铁大国，研究改进它的性能和降低生产成 本，对提高国产化水平具有十分重大的现实意义。 1氧枪喷头钎焊连接结构 氧枪喷头的上部进氧管 紫铜T 1 和底部喷孑L 无氧铜T u l 的组合是通过喉管 紫铜T 1 过渡连 接的，上部和底部温挤压成型、4 1 ，形状复杂、连接焊 缝位置特殊，因此要保持加工过程母材的物理性能 和几何形状，采用钎焊连接是较好的工艺选择。如 图1 和图2 所示，这种结构氧枪喷头的钎焊缝分上 下两道，五孑L 共计十道缝。焊接前上部、喉管和底部 已基本金切到位，为达到五孔的尺寸、角度等设计参 数p 。，保证喷头的气体动力学性能，孑L 内仅留 0 ．0 5 m m 的铰销量。 收稿日期2 0 0 7 一0 9 1 2 作者简介牛显明 1 9 6 0 一 ，男，陕西宝鸡市人，高级工程师，主要 从事高温有色金属制备技术等方丽的研究。 ● 图1氧枪喷头的焊接结构 F i g ．1 S t l ’u c t u r es c h e m eo fw e l d e do x y g e nl a n c en o z z l e 图2 焊接组合式氧枪喷头 F i g ．2 C o m b i n e dw e I d e do x y g e nl a n c en o z z l e 2选用钎料的性能分析∞划1 钎料选择是钎焊的最重要环节。经过十多年对 氧枪的使用和分析，认为由于氧枪喷头在喷氧时，要 承受高于2 0 0 0 ℃的转炉炼钢的热辐射环境，在溅渣 护炉时浸入渣液又要受其热传导及侵蚀的作用，内 外温差大，激热激冷频繁，交变应力强。熔蚀、浸蚀、 变形和渗漏是氧枪失效的主要形式，尤其采用高压 水冷却，使用中决不允许焊缝渗漏、开裂，对安全性 要求极高。根据氧枪喷头的使用和失效形式，银基 钎料的熔点适中，工艺性好，并具有良好的强度、韧 万方数据 第3 期牛显明等氧枪喷头钎焊焊缝的组织和性能2 9 性、导电性、导热性、抗振性和抗腐蚀性，是氧枪喷头 钎焊最理想的钎料。 2 ．1 银基二元合金钎料 银基钎料的主要合金元素是铜、锌、镉和锡等元 素。铜是最主要的合金元素，因添加铜可降低银的 熔化温度，又不会形成脆性相。含铜2 8 ％的银铜合 金为共晶成分，熔化温度7 8 0 ℃，见图3 。B A 9 7 2 c u 是一种性能很好的氧枪钎焊用二元合金钎料，且非 常适合于真空钎焊。A g 与z n ，C d 形成简单下包晶 系，即随着z n ，c d 浓度增高，合金液相线从A g 的熔 点连续下降至z n ，c d 的熔点。A g z n ，A g c d 与 C u Z n 系相图相似，由四个包晶反应组成，见图4 。 A ＆原子％ 1 n2 n3 n4 5 f l“17 08 09 0 1 1 0 0 1 0 0 0 9 0 0 一 氨8 0 0 赠7 0 乱 0 5 0 0 令匙1 8 4 ．5 ‘C ＼＼ ％1 ．9 3 ℃ ＼＼ 乃 ＼ ＼ ／ f 7 8 0 t、＼ ／ c “／’’．9 7 1 ．99 1 ．2 ＼A g ～莎 ／ 、≮ 、 L 、 渖采曼53 ’ ＼＼苫谊 ＆热 ＼ Ag |L y广1 弋、≮ ＼＼ 龇蓊 ／者7 ‘ ＼ ＼ 4 1 ．64 85 【＼ y S 、。3 4 3 W ， q 3鼢 2 4 0竖 I o ’ I c d4 2 ．2孵 ．2 埘’＼| | q7 l O2 03 0出 5 06 7 08 { 9 0l O O c d 摩尔分数，％ c d 图4 银- 镉相图 F i g ．4A g C dp h a s ed i a g r a m 2 ．2 银基三元合金钎料 如果在铜银二元合金中添加锌可进一步降低其 熔化温度。根据A g c u z n 合金相图的液相线，见图 5 ，图中各二元系边界上的E 和u 符号代表共晶与 包晶反应。这些反应延伸至三元相区并相交u r l 和U 记点。在固态，约2 5 ％Z n 以下的三元相区，为 由A g ．C u 共晶分解所形成富A g 和富C u 固溶体区， 在超过2 5 ％z n 的广大区域中，由c u Z n 和A g z n 二 元系中所形成的相延伸至三元相区并构成复杂的固 相区。A g c u z n 合金具有良好流动性与浸润性，对 许多金属都具有良好焊接性能，是工业中广泛应用 的钎料合金。该合金系的最低熔化温度约为6 7 0 ℃ 左右。作为钎料用合金，除了熔化温度应尽可能低 外，还要考虑到它的组织和性能，即组织中不应出现 脆性相，至少不出现数量较多的脆性相，以免影响钎 焊后的加工 铰制 性能和钎焊接头的力学性能。 就A g - c u z n 合金而言，希望成分落于A g “1 银固 溶体 相、C u d 2 铜固溶体 相或A g C u 相区域内， 见图6 ，因为A g 和c u 相都是韧性极好的相组织。 如果合金成分落在c u 芦 A g ，c u z n 和A g 届 A g ，c u z n 两相区内尚可加工，因为卢 A g ，c u z n 相不太脆。如果合金成分落在y A g ，c u ，z n 。两相 区内，则合金就很难加工了，因为 A g ，c u ，z n 。是极 脆的相，合金组织内绝不允许出现这种相，见表1 ， 所以A g c u z n 钎料合金的z n 含量应低于4 0 ％。 各种银铜锌钎料就是以不同含银量为基础 考虑钎 料成本 ，配合不同的含铜量和含银量以满足熔化 温度和力学性能的要求所组成的合金。这些三元合 金如B A 9 5 0 c u z n 和B A 酣5 c u z n 等综合性能好，能 很好地满足氧枪钎焊的需要。尤其B A 9 4 5 c u z n 是 前苏联的牌号Ho ，实际应用广泛。 c u 2 04 0 6 08 0 n 9 A g 质量分数，％ 图5 银- 铜．锌液相图 F i g ．5A g C u Z nl i q u i d p h a s ed i a g r a m 2 ．3 银基四元合金钎料 为了进一步降低银基钎料的熔化温度还可在银 铜锌合金中加镉。K a r l 等人对A g ．C u ．z n ．C d 钎料进 行了比较详细的研究。图7 为A g C u ．c d 液相简图。 在C u - A g 边E l 为共晶点。在A g C d 边，U l ，眈，嵋 和酣为包晶点。在C d C u 边，E 2 ，E 3 为共晶点， 嬲，隅，们为包晶点。这些反应延伸至三元相区并 在E7 1 l ，U 丁l ，U 他，们3 ，U 舛和U 巧相交，液相面温 度从c u 角、A g 角它们的各自熔点向 E 丁l 三元共晶点 逐渐降低。在固态，c u c d 和 万方数据 3 0有色金属第6 1 卷 C u1 02 03 0 4 05 0 6 07 0 8 0 9 A g A g 质量分数／％ 图6 银一铜- 锌固相图 图7 银- 铜一镉液相图 F i g ．7 A g - C u C dl i q u i d p h a s ed i a g r a m A g c d 二元系中的许多相都延伸到三元系中，形成 复杂区。由于四元相图很复杂，故A g ，C u 参照常用 钎料的含量选定为几个定量，z n ，c d 则为变量，其 结果如图7 所示。其中“1 表示A g 固溶体，理2 表示 c u 固溶体，卢1 表示A g c d 相，胆表示c u c d 相，卢z 表示A g ．z n 相。d l 和d 2 相韧性极好，口1 相的性能 也比较好，它的熔化温度较低，韧性和强度均比肛 相好，口2 相熔化温度低，但很脆。钎料组织中不宜 出现大量的厣2 和肛相，如表1 所示。因此在满足 氧枪焊缝物理和化学性能的前提下，考虑成本较低 和更低熔点，更高的强度与塑性以及更好的流动性 因素，还可选用B A 9 5 0 c u z n C d 或B A 9 4 5 c u z n C d 的 钎料。然而，该钎料中的c d 元素易挥发且有毒，在 焊接时会造成对人体的危害，因此要加强排风。 3焊缝的组织和性能分析 3 ．1 钎缝的显微组织 钎料熔化进入钎缝时，母材向液态钎料中溶解， 随着钎料向前方流动，和母材同组元的成分增多，即 逐渐呈亚共晶组织。钎料流动距离越长，母材向钎 料中溶解作用越来越缓。在冷却时，熔态钎料中的 过剩相 与母材同一种组元 即沿着母材的某些晶 粒为晶核长大。图8 a 为8 2 0 ℃时B A 9 4 5 c u z n 钎 料钎焊紫铜的焊缝金相组织。作为晶核的晶面上往 往是晶面原子密排的那些晶面，因此其生长速度很 快。靠近母材的黑色的峰峦状的晶粒，就是如上所 述的规律。在冷却速度很快时，如图8 b 过剩相不 能完全沿着以母材晶粒为晶核析出，而会在未凝固 的钎料中以放射状初晶的形式析出，形成亚共晶及 包晶钎缝组织。 表1B A 9 4 5 C u Z n 和B A 9 4 5 C u Z n C d 的电子化合物 T a b l e1 B A 9 4 5 C u Z na n dB A 9 4 5C u Z n C de l e c t r o n i cc h e m i c a lc o m p o u n d A g Z n口A g Z n亭A g z n 1 ．3 7 5 ～1 ．5 8 6 y A 9 5 z n 8 1 ．5 8 一1 ．6 3 s A g Z n 3 1 ．6 7 ～1 ．8 9 垒g 璺色垒竺 ￡垒￡生 i z 垒g i 生 z 垒堑竺 i 垒g 竺 料的扩散，焊缝组织成分已发生了较大的变化，靠近 焊缝边沿的扩散区，银的浓度降低，而铜的浓度升 高，中心区则相反。图9 为用J S M 一5 6 0 0 设备对 B a 9 4 5 c u z n 钎料在8 2 0 ℃钎焊紫铜时所做的E D s 分 析。A 和c 点靠近边沿，铜的浓度升高，以a 2 和仅1 。 一焊缝界面组织； b 一焊缝中心组织相为主 d 2 相略大于“1 ，并有少量的卢 A g z n 和 图8B A 9 4 5 C u z n 钎料钎焊紫铜的焊缝金相组织 C u z n 相存在。B 点靠近中心区铜浓度降低，产生 F i g ．8 F i l l e tr n i c m s t Ⅷc t u r eo fc o p p e r b r a Z e d Ⅵr i t hB a 9 4 5 c u Z n 了富银区，则以“1 相为主，伴有较A 和c 点略多的 3 ．2钎缝组织的成分 | B C u z n 相。如图9 所示，这样的成分分布有利于 钎焊最终形成的焊缝中，由于母材的溶解和钎 形成良好的扩散区、延性过渡区和中心强度区。 万方数据 第3 期 牛显明等氧枪喷头钉焊焊缝的组织和性能 3 I A g C u Z n L 理 K d K d 4 2 ．8 28 3 ．1 6 4 4 ．5 7 4 6 1 ．4 88 9 2 ．7 3 4 3 0 ．7 4 3 0 ．7 l 7 4 ．7 13 2 ．2 5 4 7 ．4 17 ．5 24 5 ．9 83 0 6 ．8 04 4 ．9 92 6 5 ．8 85 7 ．7 31 1 ．4 7 5 6 ．4 7 9 ．7 79 ．3 39 ．4 55 2 ．1 74 6 ．4 14 5 ．1 l1 1 ．5 61 3 ．8 3 1 1 ．2 8 图9B A 9 4 5 C u Z n 钎料钎焊氧枪焊缝 的X 射线能谱分析 F i g ．9 E D Sa n a l y s i so fb r a z i n gs e a mo fo x y g e nl a n c e n o z z l eu s i n gB A 酗5C u Z na sb r a z i n ga l l o y 3 ．3 加热温度和时间对组织的影响 图1 0 为不同钎焊温度下，保温1 5 m i n 时，钎料 B A 9 4 5 C u z n 接头的显微组织。图中大块、树枝状的 黑色相是c u a 2 铜固溶体 、白色相是A g a 1 银固 溶体 ，灰色相为硬脆相y A g ，c u ，z n 。，黑色弥散 组织为理1 | 8 A g ，C u z n 或d 2 卢 A g ，C u z n 。从 图1 0 还可以看出，基体中的c u 元素向钎缝发生了 溶解扩散，钎缝中心一定宽度的区域内出现了低c u 区，而在扩散区及相邻的界面区出现了富c u 现象， 这是由于钎料熔化后，钎缝中心的C u 元素通过液 相通道向母材扩散的结果”“。。另外由图1 0 的四 幅照片可见，图1 0 d 是在6 8 0 ℃温度下钎焊的，焊 a 一8 2 0 ℃； b 一7 8 0 ℃； c 一7 2 0 ℃； d 一6 8 0 ℃ 图1 0不同温度下B A 9 4 5 C u Z n 钎料钎焊 紫铜时焊缝的组织 F i g ．1 0 M i c r o s t r u c t u r eo fb r a z i n gs e a mu s i n g B A 酗5C u Z na td i f f e r e n ft e m p e r a t u r 。 缝中还存在着大量的未熔的高熔点相 d 2 和d 1 、 依次随着钎焊温度的提高，图1 0 c 和图1 0 b 中 的未熔的高熔点相 仪2 和仅1 逐渐减少，直至图1 0 a 焊缝组织达到最理想的相组分。 图1 1 为炉中钎焊时加热温度、保温时间与抗拉 强度的关系曲线。由曲线可以看出，抗拉强度在某 一保温时问时出现峰值。保温时间小于和大于此 值，剪切强度都会下降，这与不同钎焊温度和保温时 间时获得不同的焊缝显微组织有关。 奇 山 一 似 骥 鼎 蟮 ／一一f 卜一～、IL ＼ ／’／。、 。l ＼＼ ， ／／，＼＼＼．＼＼ ￡，／ ＼≮■～～1 pC ， L 一 保温时间 1 I l i n 图1 l保温时间与强度的关系 F i g ．11 R e l a t i o n s h i pb e t w e e n 丁一口。6 3 ．4 焊接方法对组织 性能 的影响 火焰手工钎焊适应面广，并且可控制火焰气氛， 对防止氧化，提高润湿性具有很好的作用，但钎焊温 度不可控，焊接温度不均匀，会造成焊缝熔蚀、熔析 过度、夹渣和气孔，零件变形大等缺陷，这些缺陷极 大的影响了焊缝的密封性和力学性能。炉内真空钎 焊焊缝虽然能获得较好的综合性能，可靠性很强，但 对钎料有要求，且设备投资大，使用成本很高，只有 在要求极高，其他方法又不能满足的情况下使用。 批量生产时广泛采用的方法是炉内保护钎焊和炉内 空气钎焊，这两种方法比较，成本最低的是炉内空气 图1 2焊缝的X 射线感光图像 F i g ．12I m 8 9 eo fXp h o t o r e c 。p t i o nf b rb r a z i n gs e a m 万方数据 3 2 有色金属第6 l 卷 钎焊。针对氧枪喷头的焊接，经过数十次实验掌握 了银基铜、锌、镉钎料炉内空气钎焊的技术参数和工 艺方法。图1 2 为炉内空气钎焊氧枪焊缝的x 射线 感光照片，除白色部分为填料环熔化后形成的空洞 外，其余焊缝部位非常致密，无缺陷存在。另外经 3 M P a 水压试验3 0 m i n 无泄压，达到产品标准。表3 所列为几种焊接方法生产的产品和附带试样性能试 验统计。 表3焊接方法对性能影响 T a b l e3I n n u e n c eo fb r a z i n gm e t h o do np r o p e r t y 参考文献 4结论 银基钎料熔点适中，工艺性好，并具有良好的强 度、韧性、导电性、导热性、抗振性和抗腐蚀性，是氧 枪喷头钎焊最理想的钎料。适合氧枪喷头钎焊的银 铜、银铜锌和银铜锌镉多元钎料，当锌镉总量大于 4 0 ％时，其焊缝组织具有以银、铜为基的固溶体、还 有届体心立方 A g z n 或A g c d 、孝密排六方 A g z n 或A g C d 、7 黄铜 A 9 5 z n 8 或A 9 5 C d 8 和占密排六方 A g z n ，或A g c d 。 的电子化合物存在。尤其7 和s 性能较脆，在钎缝中是不希望出现的相，锌镉总含量 在4 0 ％以下具有较好的综合性能。对于氧枪喷头 的生产，选择银基钎料B A 9 4 5 c u z n 采用炉内空气钎 焊生产工艺，产品合格率高、性能稳定、成本低廉。 [ 1 ] 王雅贞，张岩，张红文．氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 3 3 7 0 3 9 0 ． [ 2 ] 冯键，贾艳．转炉炼钢实训[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 4 2 3 2 2 3 7 ． [ 3 ] 李承祚，张飞虎，孙达庚，等．氧气转炉锻压组合式氧枪喷的研制与应用[ J ] ．冶金设备，2 0 0 2 ，1 3 2 2 4 7 5 0 ． [ 4 ] 牛显明，赵丽琴，郭武奎，等．温热成形工艺技术在氧枪喷头中的应用[ J ] ．兰州理工大学学报，2 0 0 4 ，3 0 2 3 2 3 4 ． [ 5 ] 屈文胜，赵殿清，张昭．2 1 0 t 转炉五孔氧枪喷头的研制及应用[ J ] ．包钢科技，2 0 0 4 ，3 0 2 3 0 3 3 ． [ 6 ] 张启运，庄鸿寿．焊接手册[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 9 8 5 1 0 3 ． [ 7 ] 何纯孝，周月华，王文娜．贵金属合金相图第一补编 1 9 7 6 1 9 8 5 [ M ] ．北京；冶金工业出版社，1 9 9 3 1 0 9 ． [ 8 ] 宁远涛，赵怀志．银[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 5 2 4 9 2 5 1 ． [ 9 ] 阎承沛．真空热处理与设备设计[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 8 8 3 9 1 ． [ 1 0 ] c o r a l i eV ， M a r t e - f r a n c o i s eD ， R a y i s aV ，e ta 1 ． I n t e r f a c i a lr e a c t i o n si na l u m i n a ／c u A g r ib r a z e ／c u N is y s t e m [ J ] ． S p e c i a l M a t e r i a l s ，2 0 0 5 ，5 2 1 1 6 ． [ 11 ] s H I u ERK ，w usK ，c H A NcH ．T h ei n t e r f a c i a lr e a c t i o n so fi n f r a r e db r a z i n gC ua n dT iw i t ht w os i l v e rb a s e db r a z ea u o y s [ J ] ．J o u r n a lo fA l l o y sa n dc o m p o u n d s ，2 0 0 4 ，3 7 2 6 1 4 8 1 5 7 ． M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fB r a z i n gS e a mO fo x y g e nL a n c eN O z z l e N l UX t 旺n m j n 一，z H A N GX i n z } ，L l UJ k p i n 9 1 ，z H A N GP 汛g x i o n 9 2 ．X UY 0 n g ．t 。0 1 ．G o f f e g eq 厂M o ￡e r j n b 口凡dE 增i n e e r i n g ，L o ，。矗o uu n i “ e ，3 i 砂矿7 0 c 凡o Z o g y ，L 。，L z o “7 3 0 0 5 0 ，C i n 口； 2 ．S o “g Ⅱ，l g 肘i n 5 危n nM o c 厅i n eB u i Z d i n gF Ⅱc ￡0 7 y ，n o n 5 M i7 4 1 0 0 0 ，G 口n s H ，C 危i n o A b s t r a c t T h em i c r o s n ’u c t u r ea n d p r o p e r t i e s o ft h e A g - b a s e db r a z i n ga l l o y a r e i n v e s t i g a t e dt h r o u g ha n a l y z i n g t h e d e s i g n i n gs t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c ea n df a i l u r ef b r mo fc o n v e n e ro x y g e nl a n c en o z z l e ． T h eb r i t t l ep h a s e s w o u l df b r mw h e nt h et o t a lc o n t e n t so fZ na n d ’C da r eb e y o n d4 0 ％ a m o n gA g b a s e db r a z i n g ，w h i c hr e s u l t si nt h e w o r s ep r o p e r t i e so ft h eb r a z i n gs e a m ．T h eb r a z e dj o i n to ft h eo x y g e nl a n c en o z z l ei sa c c o m p l i s h e dw i t hB A 9 4 5C u Z n a sb r a z i n ga l l o yi nt h es t o v ea t m o s p h e r e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i l v e ri sr i c hi nt h ec e n t e ra n dt h ec o p p e ri sr i c h a tt h e e d g eo f t h eb r a z i n gs e a m ．T h em a i nc o m p o s i t i o no fw e l d i n gs e a mi s A g ／C u s o l i ds o l u t i o na n dl i t t l e i n t e 卜m e t a l l i ce o m p o u n d 卢p h a s e s ．T h em i c r o s t r u c t u r eo fw e l d i n gs e a mi sc o m p a c ta n dt h ec o m p r e h e n s i V ep r o p e r t i e s o fb r a z i n gs e a ma r ee x c e l l e n t ． K e y w O r d s m e t a lm a t e “a l ； o x y g e n1 a n c en o z z l e ； b r a z e dw e l ds e a m ；m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 万方数据