粉末冶金钎焊料配方的研究.docx
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粉末冶金钎焊料配方的研究
粉末冶金钎焊料配方的研发
摘要：
钎焊是依靠钎料的熔化流动和凝固形成致密焊缝、牢固接头的方法，钎焊仅是钎料熔化、母材不熔化，在钎焊过程中，将钎焊组件的温度提高到钎料熔点以上，熔化的钎料和母材的相互作用导致在钎料凝固时生成冶金结合；在钎焊形成中，液滴在固体表面的湿润现象和流动性是最基本的模型，母材被钎料湿润对于保证他们紧密接触并形成良好的接触是必须的，这些现象的驱动因素是表面能的热力学概念，以及发生在钎焊过程中化学反映生成相形成的自由能，在湿润条件被建立后，毛细现象导致液体钎料流动，起到了使用液体金属填充接头间隙的作用，无论润湿性还是流动性都受界面间的化学反应和钎料本身的影响。
润湿性以及流动性最终影响接头的性能。
关键词：
粉末冶金钎焊镍基钎料焊接接头基体材料湿润性
前言：
粉末冶金（PM））是制造金属、金属间化合物、金属一非金属化合物粉末和利用这些粉末通过成形一烧结制造工程材料、功能材料及其异型制品的工艺技术。
粉末冶金是使材料高性能化、多功能化、复合化、超精细化、纳米结构化和使制品高强化、形状复杂化、微型化、精密化的制造技术。
也是高效、节能、节材、环境友好、低成本、大批量的生产工艺。
由于相邻学科和相关技术的相互渗透和结合，更赋予了粉末冶金新的发展活力。
在对进入产业化而迅速成长和开发趋于成熟阶段的粉末冶金新技术的基础上，已经在机械制造、汽车、电器、航空等工业领域获得广泛应用。
PM新技术在汽车用零部件生产中的推广应用现在在汽车上应用的PM零件的生产仍以冷模压一烧结工艺为主。
虽然其产品的精度、复杂程度、性能稳定性和成本等方面均有长足的进步，但零件的几何形状复杂程度也受到冷模压的制约。
PM新技术烧结焊接的出现和产业化，对PM零件在汽车上的应用起到了重要的推动作用。
一、产品介绍
行星齿轮机构，是自动变速器的重要组成部分之一，主要由太阳轮（也称中心轮）、内齿圈、行星托架和行星齿轮等元件组成，行星架总成是变速箱、分动箱行星齿轮机构齿轮组的的核心零件。
其传统制造模式为钢件机加工后焊接在一起，然后在补充大量的机加工完成改零件的主要工艺，结构简图见图一，其组件行星架为带有孔的相对平的板，行星齿轮架为带有板且由板横向延伸的支腿；压制后一个组件和另一个组件的支腿邻接进行组装在一起，烧结焊接完成即为该零件的主要制造工艺，烧结钎焊技术适应结构此类复杂的零件，大大降低成本，减轻质量。
烧结和钎焊一次完成，质量降低60％ 以上，机加工量减少70％以上，东风汽车有限公司粉末冶金厂成功研制开发了烧结焊接的粉末冶金特种工艺，填补了粉末冶金行业特种工艺应用的空白。
图一粉末冶金行星架产品结构图
二、产品分析
由于行星架机械加工材料利用率不高且难于机械加工，成本消耗较大，这迫切需要一种新的加工方式代替原有的机加工方式；行星架形状由于有横贯槽的存在，传统加工方式以及成形方法难以成形，而通用加工方法为两件分别机加工后然后焊接在一起。
从图示中可以看出两件的机加工难度较大，不能适用批量生产，且在焊接过程中存在一定缺陷；随着粉末冶金冷压技术的提高，由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，从两种分体来看，非常适合于粉末冶金的生产，但粉末冶金由于孔隙孔隙的数量、形态和分布影响材料的物理性能如热传导率、热膨胀率和淬硬性等，这些物理性能直接影响材料可焊性，使焊接较同成份的材料相比不具有焊接性能。
三、钎焊材料选择
材料的成分以及母体密度为影响焊接质量的主要因素之一
3.1母体材料成分的研究：
材料成份的含量、种类对零件的强度、韧性、硬度等力学性能影响很大。
首先怎样在材料中采取稳定的组织成分可保证焊接质量，从而达到连接的目的，而后又能够达到烧结零件的目的；其次怎样使两压坏间产生适量的扩散层，既能维持大部分铁基零件的原有特性首先，又能存留大部分钎焊于粉末冶金两界面之间，形成高强度的结合性能。
再次，原材料应满足母体性能的要求，所以原材料应该具备以下四个方面的性能：
（1）粉末必须具备稳定的粒度分布与粒度组成且化学成分均匀、无偏析、稳定的流速以及稳定松装密度等重要特性。
避免在烧结焊接中因温度和时间及压坯密度不均匀等造成的扩散不充分而引起组织不均匀，并使零件性能产生波动以及降低连接质量，而采用无偏析粉末原料的，这类现象很少发生，
（2）要求材料具有较好的尺寸变化稳定性，以满足零件的高精度要求。
（3）材料烧结后具有高的强度和一定的韧性，满足预先设定的要求。
同时，零件有耐磨性要求，所以零件必须有良好的淬透性，热处理时达到较高的硬度。
（4）低于一定的密度（<6.5g/cm3）的材料几乎不能采用进行焊接，因为低的强度不允许材料吸收能量;烧结材料内部的孔隙也吸附了大量的气体，密度不仅对焊接强度而且对焊接缺陷特别是气孔影响很大，低于一定密度的烧结材料焊后强度低，气孔多。
因此要求材料压缩性能好，能够实现高密度压制
3.2母体材料成分的选择：
根据以上提出的材料性能要求，经过性能试验对比和烧结综合参数测定，结合现有的材料标准提供的相关材质达到的性能指标，对行星齿轮架架Fe-Cu-C材料。
行星架选取选取Fe-Ni-Mo-Cu-C材料。
A、碳的存在可控制铁基烧结材料的显微组织，从而控制材料的强度以及硬度。
对材料的选择和烧结、热处理等工艺的制订与应用具有指导意义。
B、铜是烧结钢中常用的合金元素，铜在1083℃时熔化，产生液相，促进烧结过程，并且铜对铁起固溶强化作用，用以提高材料强度，因为铜能够过早的产生液相，所以能够有利于烧结初期Cu的均匀分布，从而改善Cu扩散的起始条件。
C、镍与铁可互溶产生固溶强化作用，Ni可固溶与铁素体中，同时对氧的亲和能力和对铁的亲和能力差不多，所以对保护气氛无苛刻要求，含Ni钢韧性好，因此凡结构零件需要热处理强化材料的，Ni是主要选用元素之一其作用可以显著的改善材料的韧度、拉伸性能以及淬透性。
D、钼在烧结材料中是辅加元素，在烧结中优先形成碳化物，形成碳化物的直接作用主要是弥散强化，提高烧结件的强度，硬度和耐磨性，其另外一个作用为提高回火稳定性，降低回火脆性，
E、材料中含有的低熔点物质较多且偏析于层间，在焊接热应力作用下产生裂纹。
解决热裂纹的办法一是根据裂纹的性质合理地改善材料的合金系统，如添加一定的NI、Mo、W、都能有效地防止裂纹，二是限制有害杂质S、P的含量;
3.3通过上述研究，我们可以看出母体材料的选择既能保证母体的本身铁基零件的特性要求，又可以满足焊接特性要求设想。
表1行星架粉性能
松装密度（g/cm3）
流动性（s/50g）
成形性（g/cm3，542Mpa）
3.02
34.5
7.0
粒度组成（Wt%）
+250μm
-250/+150μm
-150/+45μm
-45μm
痕量
9.3
66.3
24.4
材料
化学成分（Wt%）
极限拉伸强度（MPa）
伸长率（%）（25.4mm）
Fe
Cu
C
Ni
Mo
其它
CPF006
92.4
2.5
0.6
3.5
0.5
0.5
987，965，977
0.8，0.72，0.84
表二行星架与行星齿轮架硬度表（HB）
件号
1
2
3
4
5
行星架
160
161
160.5
160
162
行星齿轮架
118
115
120
116
125
四、钎焊的工艺研究
钎焊是依靠钎料的熔化流动和凝固形成致密焊缝、牢固接头的方法，钎焊仅是钎料熔化、母材不熔化，在钎焊过程中，将钎焊组件的温度提高到钎料熔点以上，熔化的钎料和母材的相互作用导致在钎料凝固时生成冶金结合；在钎焊形成中，液滴在固体表面的湿润现象和流动性是最基本的模型，母材被钎料湿润对于保证他们紧密接触并形成良好的接触是必须的，这些现象的驱动因素是表面能的热力学概念，以及发生在钎焊过程中化学反映生成相形成的自由能，在湿润条件被建立后，毛细现象导致液体钎料流动，起到了使用液体金属填充接头间隙的作用，无论润湿性还是流动性都受界面间的化学反应和钎料本身的影响。
润湿性以及流动性最终影响接头的性能。
因此选择粉末冶金钎焊剂时，一定要从母材、钎焊料、钎焊方法、钎焊加热温度及时间、焊缝形状等具体因素出发。
4.1母体材料的选择
从上述论证中已对母体材料进行了选择，这里不再论述。
4.2钎焊接头的设计：
接头设计的变化对钎焊特性的影响，充分表现在接头间隙对钎焊强度的影响，合理设计接头的间隙，会导致焊缝的强度超过母体的强度，导致接头强度比钎料自身强度高许多的原因是薄的钎料层的截面收缩被抑制，因此，钎料处于非常高的三项应力状态，这将增加它的强度值，随着接头间隙的增加，抑制收缩的能力减弱或者消失，接头强度接近于钎料的自身强度。
结合粉末冶金零件成形特点、零件自身的结构特点以及对后续钎焊料的选择、钎焊温度的影响等。
对接头的设计把握如下原则：
首先保证保证钎焊料的流动的要求，粉末冶金零件结构比较疏松，晶界清晰，钎料在熔化时容易被表面溶渗，为保证满意的流动性，在钎料以及母体材料被均匀加热的过程中，需要钎料流动很长的焊缝；其次采用合理的钎料形状以及样式来预置钎焊料，特别是在烧结焊接过程中，保持设计时的正确位置；再次满足零件本身外观美观的要求；第四、保证具有较大的搭接面，以达到一定的强度要求，通过以上分
析设计如下的接头方式；
4.3钎焊温度的选择：
首先简要我们论述一下粉末冶金的烧结原理，烧结就实质而言，是将粉末冶金压坏在低于材料主要组分熔点以下进行高温处理，在特定温度和气氛中发生一系列复杂的物理和化学变化，将粉末冶金压坏中粉末颗粒由机械啮合的聚集体变为原子结合的聚结体，最终获得材料必要地物理和力学性能。
其次我们论述一下高熔点钎焊的特点，第一由于高熔点钎焊料含贵重金属较少，价格较低，第二，高的熔化温度增强了母材与钎料之间的相互作用；结合本厂的设备能力以及根据粉末冶金工艺特点，本着烧结焊接一次完成的思想，我们选取炉中钎焊的焊接方式。
并初步拟定温度为1140℃，气氛在N2+H2混合气完成烧结钎焊工作，
4.4钎焊料的选择
4.5钎焊料选择的影响因素
第一、钎焊母材对选择钎料的影响，钎焊料必须与母材相互作用，具有冶金兼容性，钎料在温度高于熔点温度时，湿润并溶渗与粉末冶金母体表面，在毛细作用下，钎料与母体表面形成固溶体，从而实现结合；
第二，加热温度的影响，加热温度必须超过钎焊料的固—液相间温度；
第三，工件使用要求对选择使用钎焊料的影响，根据零件的使用要求，抗拉强度大于70MPa；
第四、根据母材烧结条件的要求，烧结气氛对选择钎焊料的影响，它必须消除空气等的不利影响，还原表面氧化物且能促进钎料的流动能力。
4.6钎焊料的初步选择
主要元素选择：
第一铜在1083℃时熔化，铁的熔点为1538℃，铜的液相温度高于母体的奥氏体化的温度范围，因而是安全地，铜对铁也可起到固溶强化作用。
粉末冶金母体材料的烧结温度为1140℃，根据此确定铜为主要元素。
第二镍的密度8.9克/厘米3。
熔点1455℃，沸点2730℃。
有好的耐腐蚀性，在空气中不被氧化镍和铁的熔点不相上下，镍与铁可互溶产生固溶强化作用，Ni可固溶与铁素体中，同时对氧的亲和能力和对铁的亲和能力差不多，铜与镍能够无限互溶，同时镍扩大奥氏体相区，铜与镍的相图如图
第三锰的熔点1244℃，沸点2097℃。
锰具有明显得固溶强化作用，还有细化铁素体和珠光体以及增加珠光体含量的作用故锰是强化元素，也是具有韧化作用的元素，还可以改善润湿性能以及流动性，锰存在的主要问题是和氧的亲和力较大；
第四B的添加，添加的B可以在基体中形成快速扩散，其次可以改善钎焊料的润湿性能，同时B可以使镍的熔点大大降低，镍与硼的相图；
第五硅同样可以降低熔点的作用，但硅会形成脆性的金属间化合物；
4.7通过相图以及综合分析。
通过以上分析。
为达到钎焊性能要求我们选用以上为主要元素的钎焊料确定以下配方进行综合试验
表三、钎焊料化学成分，％
型号
Cu
Ni
Mn
B
Si
Fe
QHL01
40
35
20
2.5
1.5
1
QHL02
45
30
21
2
1
1
QHL03
40
30
25
2.5
1.5
1
QHL04
45
25
25
2
2
1
QHL05
45
35
15
1.5
2.5
1
并结合相关原理拟定烧结钎焊炉中钎焊工艺，见下表
表四、烧结钎焊烧结炉参数
序号
预烧区
烧结区
冷却区
温度℃
750
1120
40
时间
90
80
140
气氛
90%N2+10%H2
压力
40mbar
露点℃
-40
通过正交试验法，确定合理配方：
表五、QHL01钎焊材料正交实验表
试验号
因素
结果
主要项
次要项
型号
粉重
粉料形状
拉脱力（KN）
剩余焊料（g）
1
QHL01
2-3g
粉末
195
1.4
2
QHL01
2-3g
块状
208
1.4
3
QHL01
3-4g
粉末
220
1.4
4
QHL01
3-4g
块状
237
1.2
表六、QHL02钎焊材料正交实验表
试验号
因素
结果
主要项
次要项
型号
粉重
粉料形状
拉脱力（KN）
剩余焊料（g）
1
QHL02
2-3g
粉末
52
4.5
2
QHL02
2-3g
块状
78
4.2
3
QHL02
3-4g
粉末
58
4.5
4
QHL02
3-4g
块状
79
4.3
表七、QHL03钎焊材料正交实验表
试验号
因素
结果
主要项
次要项
型号
粉重
粉料形状
拉脱力（KN）
剩余焊料（g）
1
QHL03
2-3g
粉末
132
3.8
2
QHL03
2-3g
块状
140
3.6
3
QHL03
3-4g
粉末
134
3.2
4
QHL03
3-4g
块状
151
3.8
表八、QHL04钎焊材料正交实验表
试验号
因素
结果
主要项
次要项
型号
粉重
粉料形状
拉脱力（KN）
剩余焊料（g）
1
QHL04
2-3g
粉末
5
5.2
2
QHL04
2-3g
块状
8
4.8
3
QHL04
3-4g
粉末
3
5.4
4
QHL04
3-4g
块状
12
5.1
表九、QHL05钎焊材料正交实验表
试验号
因素
结果
主要项
次要项
型号
粉重
粉料形状
拉脱力
剩余焊料
1
QHL05
2-3g
粉末
125
3.4
2
QHL05
2-3g
块状
182
2.6
3
QHL05
3-4g
粉末
153
3.1
4
QHL05
3-4g
块状
199
2.8
通过以上正交实验，我们发现QHL01钎焊料在粉重为3-4g，钎焊料成块状时拉脱力达到做大，且焊渣剩余量最小，我们初步确定选用QHL01的钎焊料。
通过分析计算，其抗拉强度在76MPa，其拉脱力满足要求产品要求，
五、钎焊改进工艺
通过试验我们对接头、母材以及钎焊料进行了合理选择以及运用，成功实现了烧结焊接一次完成的工艺。
产品设计满足了实际功能要求，但是我们清醒认识到，目前其钎焊强度存在一定的风险，其拉脱力必须大于其要求的一定值，降低风险指数。
5.1改进工艺的分析：
正如前面所进行的分析一样，影响钎焊的主要因素为接头的设计、母材、钎料的选择以及为了获得所要求的特性而采取得的工艺特性等。
我们前面已经对适合粉末冶金特点的母材以及钎焊料、炉中钎焊工艺、接头设计进行了分析，但对焊缝的大小只按设想进行了取值，并为进行相关的优化设计。
5.2接头导流槽的分析及改进思路
当钎焊料与适当的保护气氛进行钎焊时，因为保护气氛具有还原作用因而能促进钎料流动的能力，所以在此烧结钎焊工艺中，并不涉及钎剂，在钎焊时，依靠紧密靠近的大体对称的表面之间的毛细作用把溶态钎焊料吸入，钎焊料流入接头的距离由配合表面的间隙及所用钎焊料所确定，在接头配合中（零间隙），熔态钎料自由流动，直到配合表面卡住或者擦伤而妨碍毛细作用时，反之，如果太大的间隙，钎焊料将完全停止流动，怎样充分验证在烧结钎焊过程中焊料流动更加均匀，怎样合理设置导流槽更加有利于钎焊。
设置导流槽可以更加有利于粉末冶金气体挥发物排出以及在钎焊过程中气体的排除，同时钎焊料在导流槽中作长距离的流动时，有自动排渣的作用，具有最佳的气密性以及较大的承载能力，从以上分析中，导流槽大小将决定钎焊的承载能力
5.3接头导流槽的正交试验
通过试验确定，表十列出了不同的导流槽大小进行钎焊时的拉脱力。
序号
焊缝（深度）
拉脱力（KN）
1
0.5
235
2
0.4
258
3
0.3
278
4
0.2
300
5
0.1
192
6
0
15
最终我们确定为0.3mm的导流槽
5.4实施效果的对比
表十一
件号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
拉脱力（KN）
285
302
295
母体拉断
305
289
292
286
292
315
抗拉强度（Mpa）
90
96
93
97
91
92
91
92
100
以上结果表明，用导流槽的大小直接影响钎焊时的承载能力。
5.5金相检查
六、发展前景以及存在的问题
烧结焊接技术以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如应用变速箱等汽车部件等，自动化的生产使得生产率提高，成本下降，增强了产品的市场竞争力;焊接时不加填充料，保证了焊缝金属的连续和一致，但是，烧结焊接技术目前在粉末冶金材料领域的研究和应用还十分有限，主要是因为粉末冶金材料焊接时难以避免气孔及孔洞的出现，从而使焊接质量受到影响;焊接工艺及材料的选取也比一般的材料难度大;此外焊缝强度虽然较高，但对母材密度的受到限制。
怎样对低密度产品进行焊接，更多的进行粉末冶金材料的焊接工艺、材料及其焊接行为等基础研究，是推广烧结焊接技术在粉末冶金材料加工中应用的重要前提。
七、社会效益：
烧结焊接技术成功应用，是对粉末冶金成形技术的补充和突破。
传统成形理论，对于内型竖槽没有办法实现一次成形，只有通过分体成形，尔后通过熔渗烧结或者烧结膨胀或者收缩来完成分体件间的结合。
其废品率极高，成本相对较大，对于烧结钎焊技术以及粉末冶金行星架齿轮总成的研制，目前国内还没有资料报道。
我们成功研究出烧结钎焊技术以及粉末冶金行星架齿轮总，对提高我厂的荣誉度、彰显我厂技术实力将是一件非常有意义的事情，同时对提高东风公司在粉末冶金行业的地位具有深远的影响。
八、台架试验情况
（见台架试验报告单）
九、结论：
9.1研发人员对总成的充分理解，成功的设计了粉末冶金零件行星架齿轮总成
9.2成功研制开发了烧结焊接的粉末冶金特种工艺，填补了粉末冶金行业特种工艺应用的空白。
9.3针对粉末冶金钎焊结构，结合钎焊的理论以及粉末冶金的特点，实现了粉末冶金钎焊结构的创新。
9.4该项目成功研制了粉末冶金冶金钎焊料配方，对粉末冶金钎焊是新的开辟，并成功进行应用，对粉末冶金行业具有深远意义；
参考资料：
（1）粉末冶金原理第2版黄培云冶金工业出版社1997
（2）钎焊技术及应用赵越等编著化学工业出版社2004
（3）粉末冶金零件设计与应用必备韩凤麟中国机械通用零部件工业协会粉末冶金专业协会2001.3
（4）.粉末冶金工艺学刘传习周作平科学普及出版社1985.3
（5）简明钎焊工手册钱洪渊机械工业出版社1999
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