釬焊不銹鋼界面行為分析

釬焊圓角根部各相組織的形成除受釬料成分決定以外，還與釬料和母材之間的相互擴散密切相關。釬料與母材之間的相互擴散有兩種情況，一是母材向釬料中的溶解和擴散，二是釬料成分向母材中的擴散。兩者之間的溶解擴散作用受釬焊工藝因素影響較大。

一、母材成分向釬料中的溶解擴散

釬焊過程不可避免將產生固體母材向液態釬料中的溶解，對于BNi-5釬料釬焊不銹鋼來說，母材的適量溶解將使釬料中Fe元素含量增加，促使釬縫合金化，提高釬焊接頭的性能，但母材的過度溶解會在釬焊接頭中生成FeNi3化合物，降低接頭的強度。圖4-9為1000℃下保溫1h擴散處理前后BNi-5釬焊不銹鋼304L，母材中Fe元素在釬焊圓角中的擴散距離。在距離界面20μm的釬料層中，Fe含量趨于平穩，占釬料成分的15%左右，說明母材在釬料中溶解量較大，不利于接頭強度的提高。

另外，母材的過度溶解也意味著母材的厚度減小，承載能力下降，疲勞壽命縮短。所以對于BNi-5釬焊不銹鋼來說，要在形成良好釬焊接頭的情況下控制母材的溶解量，以提高接頭強度和疲勞壽命。用BNi-5釬料釬焊不銹鋼304與304L管板接頭304L母材溶解情況金相照片。若以母材的溶解厚度代表母材的溶解量，在正常釬焊規范下釬焊時，母材的溶解厚度為80μm，一般情況下，這樣的溶解量是合理的，但相對于0.5mm的不銹鋼管壁而言，溶解的厚度已接近管壁總厚度的1/6，一定程度上降低了母材的承載能力，縮短了產品的疲勞壽命。高溫下，母材在液態釬料中的溶解，除與母材和釬料的成分直接相關外，還與釬焊溫度、釬焊保溫時間以及釬焊間隙等因素有關。

WS為母材溶解厚度(m)；ρL和ρm分別為液態釬料及固態母材的密度(kg/m3)；CL和a為溶解常數，分別表示一定溫度下固態母材在液態釬料中的極限溶解度和溶解速度系數，均為釬焊溫度的函數；WB是釬焊間隙(m)；t是釬焊保溫時間(s)。釬焊間隙越大，母材的溶解越多，母材在液態釬料中的溶解厚度隨釬焊間隙的增大呈指數減速增加趨勢。母材溶解厚度隨釬焊間隙增大而增大主要是因為釬焊間隙增大時，釬料用量增多，釬料對母材的飽和溶解量也必然增加。隨著釬焊保溫時間的增加，母材溶解厚度也增加。在剛開始釬焊保溫時，母材溶解厚度隨釬焊保溫時間的延長顯著增加，當保溫一定時間后，再延長釬焊保溫時間，母材溶解厚度的增加不明顯，這種情況可以看作是釬料對母材的溶解已達到飽和狀態。

母材溶解厚度與釬焊溫度的關系可由CL和a隨釬焊溫度的變化規律推出，母材在液態釬料中的溶解度CL和溶解速度a隨釬焊溫度的升高而呈線性增加，因而溶解厚度隨釬焊溫度的升高而增加。釬焊溫度對母材溶解的影響比釬焊保溫時間強烈，所以，在實際制定釬焊工藝參數的時候，一定不能輕易提高釬焊溫度。另外，要采用小的釬焊間隙并保證裝配精度，還要在保證釬焊接頭質量的前提下盡量減少釬料的用量，使母材的溶解量得到控制，提高產品疲勞壽命。

二、釬料成分向母材中的擴散

釬料成分在母材中的擴散流量(J)與濃度梯度(dC/dx)、擴散系數(D)、擴散面積(S)和擴散時間(dt)有關。BNi-5釬焊圓角中存在著大量的化合物相，減少釬焊圓角處的脆性化合物就是要使Si元素得到充分擴散，使其含量降到其在鎳基固溶體中的固溶度之下。圖4-11為BNi-5釬焊不銹鋼304L接頭經1000℃1h擴散處理前后Si元素在母材中的擴散情況。

在正常釬焊規范下，Si元素在304L母材中的擴散深度為25μm，經1000℃1h擴散處理后擴散深度增加到40μm，擴散層的含Si量也進一步增加。但擴散距離還是相當短的，這主要是由Si元素在不銹鋼304L中的擴散系數決定的。

溫度是影響擴散系數的較主要因素，由式可以看出，擴散系數D與溫度T呈指數關系，隨著溫度的升高，擴散系數急劇增大。這是由于溫度越高，則原子的振動能越大，因此借助于能量起伏而越過勢壘進行遷移的原子幾率越大。此外，溫度升高，金屬內部的空位濃度提高，這也有利于擴散。對于BNi-5釬焊不銹鋼來說，Si元素在不銹鋼母材中的擴散速度和擴散深度隨釬焊溫度的提高而增大。不同的晶體結構也具有不同的擴散系數。致密度大的晶體結構中的擴散系數，都比致密度小的晶體結構的擴散系數要小得多，致密度越大，原子越難遷移。奧氏體組織相對于鐵素體組織具有更大的致密度，因此，Si原子在奧氏體不銹鋼304L中較難遷移，擴散速度相對較慢。

不同類型的固溶體，溶質原子的擴散激活能不同，間隙原子的擴散激活能都比置換原子的小，所以擴散速度比較大。而Si原子向不銹鋼中的擴散，實際上是向鐵中的固溶，Si在γ-Fe中的固溶是以置換原子存在的，其擴散激活能較大，所以擴散速度較慢。在金屬及合金中，擴散既可以在晶內進行，也可以沿外表面、晶界及相界進行。對于一定的晶體結構，表面擴散最快，晶界次之，亞晶界又次之，晶內擴散最慢。原子沿晶界擴散比晶內快，是由于晶界處的晶格畸變較大，能量較高，擴散激活能要比晶內的小，原子易于擴散遷移。一般半徑小的原子易沿晶界擴散，如B，而半徑大的原子，如Si，則主要向晶內擴散，所以其擴散速度很慢。但這種差別會隨著溫度的升高而逐漸消失。

所以即使在1000℃下長時間保溫，Si向母材的擴散程度也很有限，又因為Si在鎳基固溶體中的溶解度有限，所以，當釬縫中Si的含量超過其在鎳固溶體中的固溶度時，在擴散不充分的情況下就會形成各種硅的化合物相。http://www.upheartbreakhill.com