Effect of brazing material pretreatment and sintering atmosphere on sinter-brazing of iron based powder metallurgy parts
-
摘要:
采用水雾化Ancorbraze 72（AB72）粉为钎焊料，对铁基粉末冶金材料进行烧结钎焊。通过钎焊料预处理和改变烧结气氛研究钎焊料润湿性及其在母体材料中的渗入深度。结果表明：随着钎焊料预处理温度的上升，钎焊料在母体表面残留物的最大直径明显减少，钎焊料在距离润湿面
1000 μm处的扩散范围逐渐降低。当预处理温度为800 ℃时，钎焊料残留物最少，距润湿面1000 μm处扩散范围最小，预处理效果最好。当预处理温度为800 ℃，处理时间长度为2 h，处理气氛为75%N2+25%H2（体积分数）时，烧结钎焊后钎焊料表面残留较少，距润湿面1000 μm处钎焊料的扩散范围最小。烧结钎焊时通入一定量的吸热性气氛可以明显改善钎焊料在基体中的渗入情况，当通入吸热性气氛流量为20 m3∙h−1时，对润湿角和渗入深度的改善效果最好。Abstract:The iron-based powder metallurgy materials were sintered and brazed with the water atomized Ancorbraze 72 (AB72) powders. The wettability and penetration depth of the brazing materials were studied by brazing material pretreatment and changing sintering atmosphere. The results show that, with the increase of pretreatment temperature, the maximum diameter of brazing residue on the matrix surface decreases obviously, and the diffusion range of brazing material at
1000 μm away from the wetting surface decreases gradually. When the pretreatment temperature is 800 ℃, the brazing residue is the least, the diffusion range is the least at1000 μm away from the wetting surface, and the pretreatment effect is the best. When the pretreatment temperature is 800 ℃, the treatment time is 2 h, and the treatment atmosphere is 75%N2+25%H2 (volume fraction), the residue on the brazing surface is less, and the diffusion range of the brazing materials is the smallest at1000 μm away from the wetting surface. A certain amount of endothermic atmosphere during the sintering brazing can obviously improve the penetration of brazing materials in the matrix. When the flow rate of endothermic atmosphere is 20 m3∙h−1, the improvement of wetting angle and penetration depth is the best.-
Keywords:
- sinter-brazing /
- brazing material pretreatment /
- sintering atmosphere /
- joint /
- infiltration
-
粉末冶金技术是一项集材料制备与零件成形于一体的节能、节材、高效、近净（终）成形、无（少）污染先进制造技术，在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和作用[1]。由于近净（终）成形生产工艺的丰富多样化，许多产品设计都包含了连接技术，通过连接技术将多个压制件制成一个部件[2–4]。对粉末冶金行业而言，多采用烧结钎焊的方法进行多部件连接。烧结钎焊在一定条件下可同时烧结和连接生坯，是将粉末冶金中的两道工序（烧结及其后续的粘结或焊接）简化为一道工序的烧结工艺。与传统的烧结＋焊接方法相比，烧结钎焊工艺具有材料利用率高、能耗低、经济效益好等优势，是节能节材的先进工艺技术[4]。相对于其他压铸和锻造工艺，粉末冶金烧结钎焊连接工艺具有明显的优势，生产效率高、耗能少、性能较为稳定，被广泛应用于行星齿轮架、减速器毂盘等汽车零部件[5–8]。
粉末冶金件成形烧结后内部形成的孔隙具有一定的毛细力，在毛细力的作用下会把钎焊料吸进连接间隙中，从而造成钎焊料的熔渗，导致在连接间隙处的钎焊料填充不足，影响成品的性能。这种焊料熔渗现象多为随机发生事件，没有明显的规律，但是会在生产中造成重大损失。目前解决熔渗的方法主要有两种，一是渗铜法，通过渗铜工艺将零件孔隙进行填充，减少毛细作用力对钎焊料的吸收；二是将零件生坯密度压制到7.20 g∙cm−3以上，减少孔隙数量。然而，渗铜法的成本较高，且效率低下；对于第二种方法，短距离熔渗对提高母材表面结合强度是有利的，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，生坯压制密度过高，材料的结合强度可能比预期的要小[7,9–10]。因此，粉末冶金钎焊需要能够部分熔渗，以保证大部分钎焊料保持在预定间隙中以形成牢固结合的特种填料合金。研究发现对钎焊料进行预处理和调节烧结气氛可以改善钎焊料的润湿性和熔渗效果。本文研究了钎焊料的预处理和烧结气氛两个因素对钎焊料扩散范围（距润湿面
1000 μm）、润湿角和渗入深度的影响，通过钎焊料的预处理和调节烧结气氛改善钎焊料的润湿性和渗入深度，使形状复杂的粉末冶金零件形成强固连结。1. 实验材料及方法
1.1 实验原料
实验用钎焊料为海格纳士（Hoeganaes）有限公司生产的水雾化Ancorbraze 72（AB72）粉，水雾化铁粉（纯度＞99.4%）由山西鑫晟新材料有限公司生产，电解铜粉（纯度＞99.7%）由北京有研科技集团有限公司生产，胶体石墨（纯度＞99.0%）由上海华谊集团生产。钎焊料AB72粉为非常用粉末，其微观形貌如图1所示。
1.2 实验步骤
将钎焊料压制成密度5.0 g∙cm−3的小球，分别进行不同温度和时长预处理。在预处理时长为2 h条件下，分别在400、500、600、700和800 ℃温度进行预处理，预处理气氛为75%N2+25%H2（体积分数）。在800 ℃预处理温度条件下，分别进行1、2、3、4、5 h预处理，预处理气氛为75%N2+25%H2（体积分数）。
将水雾化铁粉、电解铜粉、胶体石墨、润滑剂按表1成分配比混合均匀，并压制成密度为7.00 g∙cm−3的母体样件。将预处理的钎焊料小球置于实验母体样件中心，在高温连续带式烧结炉中进行烧结钎焊实验，烧结温度为
1120 ℃，气氛为常规氮氢气氛（97%N2+3%H2，体积分数）。采用体式显微镜直接观察母体样件表面钎焊料残留情况及距润湿表面1000 μm处钎焊料扩散情况。表 1 母材合金成分（质量分数）Table 1. Chemical composition of the base materials% 水雾化铁粉 电解铜粉 胶体石墨 润滑剂 96.6 2.0 0.8 0.6 2. 结果与讨论
2.1 焊料预处理温度对润湿性的影响
图2为不同温度预处理的钎焊料在母体材料上烧结钎焊后的形貌，图片一定程度上反应了实际生产中钎焊料经过烧结后表面钎焊料的残留情况（主要为助焊剂残渣及部分钎焊料）。图3为不同温度预处理的钎焊料在母体材料上烧结钎焊后钎焊料的渗入和扩散情况。图2和图3主要反应预处理温度对钎焊料残留物和扩散的影响。
![]()
图 2 不同温度预处理的钎焊料在母体材料上烧结钎焊后的残留外观：（a）未预处理；（b）400 ℃；（c）500 ℃；（d）600 ℃；（e）700 ℃；（f）800 ℃Figure 2. Residuum of the brazed solders treated at different pretreatment temperatures: (a) not pretreatment; (b) 400 ℃; (c) 500 ℃; (d) 600 ℃; (e) 700 ℃; (f) 800 ℃![]()
图 3 不同温度预处理的钎焊料距润湿面1000 μm处焊料扩散情况：（a）未预处理；（b）400 ℃；（c）500 ℃；（d）600 ℃；（e）700 ℃；（f）800 ℃Figure 3. Solder diffusion at1000 μm away from the wetting surface with different pretreatment temperatures: (a) not pretreatment; (b) 400 ℃; (c) 500 ℃; (d) 600 ℃; (e) 700 ℃; (f) 800 ℃图4为不同预处理温度下残留物直径及距润湿面
1000 μm处扩散范围。由图4可以看出，随着钎焊料预处理温度的上升，钎焊料在母体表面残留物的最大直径明显减少，钎焊料在距离润湿面1000 μm处的扩散范围逐渐降低。主要原因为在氮氢气氛条件下，高温预处理提前去除了钎焊料表面的氧化物，改善了钎焊料的表面润湿性，避免润湿性过差导致的表面大量残留物。而且，随着预处理的温度越高，钎焊料表面氧化物去除的越干净，钎焊料的表面润湿性越好。在实际生产中，钎焊料烧结时残留物减少有利于钎焊料的铺展。钎焊料未处理时距润湿面1000 μm处扩散范围为11.62 mm，随着钎焊料预处理温度的升高，扩散范围逐渐缩小至6.83 mm。气氛调节改善了钎焊料在垂直方向的熔渗情况，因此在距离润湿表面1000 μm处的钎焊料横向扩散范围越小，越有利于减少零件熔渗现象的比例。综上所述，钎焊料在800 ℃预处理，钎焊料残留物最少，距润湿面1000 μm处扩散范围最小，预处理效果最好。![]()
图 4 不同预处理温度下的残留物直径及距润湿面1000 μm处扩散范围Figure 4. Diameter of residuum and the diffusion range at the different pretreatment temperatures2.2 钎焊料预处理时间对润湿性的影响
设定钎焊料预处理温度为800 ℃，在该温度下对钎焊料进行不同时长预处理，观察不同预处理时长对钎焊料残留最大直径和距润湿面
1000 μm处扩散范围的影响，结果如图5所示。当预处理温度为800 ℃时，对钎焊料进行预处理2 h即可达到较少的钎焊料残留和较小的钎焊料扩散范围。这是由于通过高温还原性气氛处理后，钎焊料中的氧化物被还原，钎焊料熔化后黏度低，如式（1）Washburn方程[11–12]所示。![]()
图 5 不同预处理时长下的残留物直径及距润湿面1000 μm处扩散范围Figure 5. Diameter of residuum and the diffusion range in different pretreatment times$$ {h^{\text{2}}}{\text{ = }}\frac{{cr\sigma t{\text{cos}}\theta }}{{{\text{2}}\eta }} $$ (1) 式中：c为毛细管形状系数，r为平均毛细管半径，σ为液体表面张力，η为液体黏度，θ为接触角，h为扩散尺寸，t为扩散时间。当黏度降低时，扩散性得到改善，继续提升预处理时长可以达到更好的效果，但考虑到成本问题，认为800 ℃下预处理2 h效果较好。
综上所述，当钎焊料在氮氢气氛下（75%N2+25%H2）经过800 ℃预处理2 h后可以有效减少在实际烧结时的钎焊料残留，同时可以有效缩小距润湿表面
1000 μm处的焊料扩散范围，可以更好地使熔化后的钎焊料在润湿面及距润湿面较浅的范围进行扩散。2.3 烧结气氛对润湿性的影响
除了工艺参数，烧结气氛对烧结钎焊也起到了至关重要的作用，图6为不同烧结气氛对烧结钎焊的影响。由图6可以看出，随着吸热性气氛（甲烷裂解气氛）流量的增加，钎焊料渗入深度明显改善，润湿角也随着吸热性气氛流量的增加先增大后减小。吸热性气氛的主要作用是协助钎焊料熔化后在基体的浅层更快的固化[5]，防止钎焊料熔化后过分熔渗，当加入少量吸热性气氛后，钎焊料不再渗透，仅在表面堆积，因此润湿角较大；继续增加吸热性气氛流量，可以更进一步降低氧含量，降低黏度，有利于润湿和钎焊料扩散。但由于吸热性气氛协助钎焊料固化，因此渗入深度变化较小，但润湿角降低明显。实验中当吸热性气氛流量为20 m3∙h−1时，钎焊料的润湿角为15 °，渗入深度为337 μm；继续增加吸热性气氛流量，对润湿角和渗入深度改善效果并不明显。
![]()
图 6 不同烧结气氛下钎焊料润湿角度和渗入深度Figure 6. Wetting angle and the infiltration depth in the different sinter atmosphere3. 结论
（1）通过调节钎焊料的预处理温度和处理时长可以有效改善钎焊料在润湿表面的扩散情况。当预处理温度为800 ℃，处理时间为2 h，处理气氛为75%N2+25%H2（体积分数）时，烧结后钎焊料表面残留较少，距润湿面
1000 μm处钎焊料的扩散范围最小。（2）烧结钎焊时通入一定量的吸热性气氛可以明显改善钎焊料在基体中的渗入情况，当通入吸热性气氛流量为20 m3∙h−1时，对润湿角和渗入深度的改善效果最好。
-
![]()
图 2 不同温度预处理的钎焊料在母体材料上烧结钎焊后的残留外观：（a）未预处理；（b）400 ℃；（c）500 ℃；（d）600 ℃；（e）700 ℃；（f）800 ℃
Figure 2. Residuum of the brazed solders treated at different pretreatment temperatures: (a) not pretreatment; (b) 400 ℃; (c) 500 ℃; (d) 600 ℃; (e) 700 ℃; (f) 800 ℃
![]()
图 3 不同温度预处理的钎焊料距润湿面
1000 μm处焊料扩散情况：（a）未预处理；（b）400 ℃；（c）500 ℃；（d）600 ℃；（e）700 ℃；（f）800 ℃Figure 3. Solder diffusion at
1000 μm away from the wetting surface with different pretreatment temperatures: (a) not pretreatment; (b) 400 ℃; (c) 500 ℃; (d) 600 ℃; (e) 700 ℃; (f) 800 ℃![]()
图 4 不同预处理温度下的残留物直径及距润湿面
1000 μm处扩散范围Figure 4. Diameter of residuum and the diffusion range at the different pretreatment temperatures
![]()
图 5 不同预处理时长下的残留物直径及距润湿面
1000 μm处扩散范围Figure 5. Diameter of residuum and the diffusion range in different pretreatment times
![]()
图 6 不同烧结气氛下钎焊料润湿角度和渗入深度
Figure 6. Wetting angle and the infiltration depth in the different sinter atmosphere
表 1 母材合金成分（质量分数）
Table 1 Chemical composition of the base materials
% 水雾化铁粉 电解铜粉 胶体石墨 润滑剂 96.6 2.0 0.8 0.6 
下载: 导出CSV
-
[1] 李元元, 肖志瑜, 陈维平, 等. 粉末冶金高致密化成形技术的新进展. 粉末冶金材料科学与工程, 2005, 10(1): 1 DOI: 10.3969/j.issn.1673-0224.2005.01.001 Li Y Y, Xiao Z Y, Chen W P, et al. Progress in high density powder metallurgy forming technology. Mater Sci Eng Powder Metall, 2005, 10(1): 1 DOI: 10.3969/j.issn.1673-0224.2005.01.001
[2] 黄培云. 粉末冶金原理. 2版. 北京: 冶金工业出版社, 2004 Huang P Y. Theory of Power Metallurgy. 2nd Ed. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004
[3] Sokolowski P K, Murphy T F, Lindsley B A. Considerations in sinter-brazing PM components // 2010 International Conference on Powder Metallurgy and Particulate Materials. Hollywood, 2010: 387
[4] 黄永强, 申小平, 康利梅. 烧结钎焊粉末冶金铁基零件的材料成分与结构优化. 粉末冶金工业, 2023, 33(4): 32 Huang Y Q, Shen X P, Kang L M. Material composition and structure optimization for sinter-brazing ferrous powder metallurgy components. Powder Metall Ind, 2023, 33(4): 32
[5] Williams B. 近年来热等静压(HIP)处理与应用发展趋势. 粉末冶金技术, 2014, 32(6): 464 Williams B. Recent trends in hot isostatic pressing (HIP): processing and applications. Powder Metall Technol, 2014, 32(6): 464
[6] 李增峰, 葛渊, 刘海彦, 等. 铂铱合金焊料钎焊性能研究. 粉末冶金技术, 2017, 35(3): 202 Li Z F, Ge Y, Liu H Y, et al. Study on brazing performance of platinum-iridium alloy solders. Powder Metall Technol, 2017, 35(3): 202
[7] 何灵敏, 童郁彬, 毛增光, 等. 铁基粉末冶金零件的连接与焊接. 粉末冶金技术, 2011, 29(4): 283 He L M, Tong Y B, Mao Z G, et al. Joining and welding of ferrous PM parts. Powder Metall Technol, 2011, 29(4): 283
[8] Sokolowski P K, Murphy T F, Lindsley B A. 烧结钎焊粉末冶金零件研究. 粉末冶金工业, 2012, 22(1): 9 DOI: 10.3969/j.issn.1006-6543.2012.01.002 Sokolowski P K, Murphy T F, Lindsley B A. Considerations in sinter-brazing PM components. Powder Metall Ind, 2012, 22(1): 9 DOI: 10.3969/j.issn.1006-6543.2012.01.002
[9] 包崇玺, 曹阳, 易健宏, 等. 高密度铁基粉末冶金零件制备技术. 粉末冶金技术, 2022, 40(5): 458 Bao C X, Cao Y, Yi J H, et al. Preparation processes of high density iron-based powder metallurgy parts. Powder Metall Technol, 2022, 40(5): 458
[10] 肖紫圣, 罗成, 华健杰, 等. 洁净燃料发动机粉末冶金阀座熔渗烧结工艺研究. 粉末冶金技术, 2017, 35(4): 454 Xiao Z S, Luo C, Hua J J, et al. Study on melt infiltration sintering process of powder metallurgy valve seat for clean fuel engine. Powder Metall Technol, 2017, 35(4): 454
[11] Lei M, Li Y L, Liu Y P, et al. Effect of weaving structures on the water wicking-evaporating behavior of woven fabrics. Polymoers, 2020, 12(2): 422 DOI: 10.3390/polym12020422
[12] 王俊捷, 寇继生, 蔡建超, 等. 基于Tolman长度的Lucas-Washburn渗吸模型改进及数值模拟. 计算物理, 2021, 38(5): 521 Wang J J, Kou J S, Cai J C, et al. Tolman Length-based modified Lucas-Washburn capillary-driven model and numerical simulation. Chin J Comput Phys, 2021, 38(5): 521
计量
- 文章访问数: 398
- HTML全文浏览量: 14
- PDF下载量: 24
