Mehanske lastnosti spajkanih spojev Mechanical Properties of Brazed Joints B. Zore1, Institut za varilstvo, Ljubljana L. Kosec, Oddelek za materiale in metalurgijo, NTF, Univerza v Ljubljani Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-04-21 Raziskali smo mehanske lastnosti in analizirali mikrostrukturo spajkanih spojev z ogljikovim konstrukcijskim jeklom (spajka L-Ag40Cd), nerjavnim jeklom vrste 18-8 (spajki L-Ag40Cd in L-Ni7), z bakrom in medjo (spajka L-CuP7). Primerjali smo mehanske lastnosti spajkanih spojev in osnovnih materialov, ki so biii izpostavljeni temperaturnemu ciklu spajkanja. Ključne besede: spajkanje, tehnologija spajkanja, talilo, spajkani spoj, mehanske lastnosti A study of mechanical properties and an analysis of microstructure of brazed joints with carbon struetural steel (brazing filler material: L-Ag40Cd), stainless steel 18-8 (brazing filler metals: L-Ag40Cd and L-Ni7), copper and brass (brazing filler metal: L-CuP7) were made. -4 comparison of the mechanical properties of the brazed joints and of those of the parent metal subject to thermal cycies during brazing was made. Key words: brazing, brazing technology, brazing fiux, brazed joint, mechanical properties 1 Uvod Mehanske lastnosti spajkanih spojev so odvisne od različnih parametrov: širine spajkane reže, vrste in mehanskih lastnosti osnovnega materiala in spajke, talila, zaščitne atmosfere, razmer pri spajkanju (temperatura, čas), hrapavosti površine, oblike spoja jtd.'-2-3'4-5-6-7-8-9-10- Ii.12.13 Zelo pomembna je tudi tehnika spajkanja. Glede na mesto dodane spajke razlikujemo naslednje tehnike4-813- 14.15. a) z dodatkom spajke na mesto spoja po celotnem stiku (folija, pasta, platiranje) b) z dodatkom spajke na mesto spoja, vendar le na del stične površine (folija, pasta, žičke, platiranje) c) z dodatkom spajke ob spoju ali v pripravljene utore (žička, pasta). Vse tehnike omogočajo dobro zalitje spoja z minimalnimi napakami ali celo brez njih. Namen preizkusov je bil izdelati čimbolj popolne sočelne spajkane spoje, ki naj bi bili primerjalni za to tehnologijo. menom ali v peči z zaščitno mešanico Hk + N2 in brez kontrole spajkane reže, (reža, odvisna od mase zgornjega m in m 0 ci 4ll2 15 Slika 1: Oblika vzorcev Figure 1: Forms of brazed test pieces 2 Preizkusi Za preizkuse smo uporabili različne osnovne materiale (elektrolizni baker, med CuZn39Pb2, avstenitno ner-javno jeklo 18-8, konstrukcijska jekla z 0,16 in 0,34% ogljika). Vzorci so bili okroglega in kvadratnega preseka. Dimenzije vzorcev so označene na sliki 1, uporabljeni tehniki spajkanja pa prikazani na sliki 2. Spajkanci so bili brušeni z vodobrusnim papirjem št. 220 in nato pet minut jedkani v 10% H2SO4. Med dva kosa smo dali talilo, pri tehniki b) pa smo žičke spajke postavili prečno na smer brusnih raz. Spajkali smo s pla- ' Mm. Bonu ZORC Institut /a varilstvu Ptujska W. mit Ljubljana a) b) Slika 2: Uporabljene tehnike spajkanja Figure 2: Brazing techniques applied Tabela 1: Parametri spajkanja Table 1: Brazing parameters Material (Base metals) Spajka (Filler metals) Talilo (Flux) Tehnika (Technique) Temperatura spajanja (Brazing temperature) Čas spajkanja** (Brazing time) Elektrolizni baker L-CuP7 (93 % Cu, 7 % P) žica cf> 2 mm / plamensko b 750 °C 10 s CuZn39Pb2 L-CuP7 žica (J) 2 mm F-SH1*** plamensko a in b 750 °C 10 s Č. 4580 L-Ag40Cd žica 2 mm F-SH1 *** plamensko a in b 680 °C 10 s L-Ni7 - pasta (77%Ni, 13%Cr, 10 % P) / v peči a 1065 °C 5 min navadno konstrukcijsko jeklo z 0,16 % in 0.3 % ogljika L-As 40 Cd (40%Ae, 19%Cu, 21% Zn, 20%Cd) žica (b 2 mm F-SH1 plamensko a in b 680 °C 10 s ** čas od slalitve spajke do prenehanja ogrevanja oziroma prehod skozi ogrevno komoro (the time between melting-down of brazing filler metal and termination of heating) *** uporabljeni talili (fluxes applied): Institut za varilstvo in Degussa h special dela vzorca). V tabeli 1 je spisek spajkalnih parametrov in uporabljenih spajk ter talil. 3 Preiskave Preiskali smo metalografske značilnosti spojev, natezno trdnost in žilavost osnovnega materiala ter spojev. Makroskopsko smo pregledali tudi prelomne površine spojev z namenom, da bi ugotovili obseg zali tja. 3.1 Metalografska preiskava spojev Nekateri značilni spoji so prikazani na sliki 3. Najširše reže so bile dobljene pri spajkanju bakra in medi s spajko L-CuP7, znatno ožje pa pri spajkanju jekla s srebrovo in nikljevo spajko. Mikrostruktura spoja se pri spajkanju bakra in medi z L-CuP7 posebej ne razlikuje. Le-ta je iz evtektika (acu + Cu?P). ki je prikazan na fotografijah v sivi barvi, in zmesnih kristalov na osnovi bakra acu (bolj ali manj okrogla bela polja). Trdna raztopina acu je tudi na osnovnem materialu v obliki zveznega pasu, le v bakru je opaziti penetracijo spajke po kristalnih mejah. Podoben je tudi spoj nerjavnega jekla z L-Ni7. Trdna raztopina na osnovi niklja oiNi je izločena v mestoma prekinjenem valovitem pasu na osnovnem materialu. Spoj je sestavljen iz zmesnih kristalov na osnovi niklja ctNi in evtektika (otNi + NijP). Po mejah osnovnega materiala pa je prednostna difuzija nekaterih sestavin spajke. Mikrostruktura spojev pri konstrukcijskem in ner-javnem jeklu, izdelanih s spajko L-Ag40Cd, je zelo podobna. Dendriti, ki so trdna raztopina pretežno cinka v bakru, so obdani z evtektikom, ki ga tvorita fazi, bogati z bakrom in cinkom ter srebrom in kadmijem16. Trdna raztopina baker - cink je predvsem ob meji z osnovo. Penetracije spajke ali difuzije posameznih elementov iz spajke v osnovo ni opaziti. 3.2 Mehanske lastnosti Merili smo natezno trdnost in žilavost osnovnega materiala in spajkanih spojev. Osnovni material je doživel enak temperturni ciklus kot spoji. Žilavost osnovnega materiala smo preizkušali pri preizkušancih z V-zarezo, spajkane spoje pa brez nje. Preizkušanci za natezni preizkus so bili izdelani iz kombinacije jekel z 0,16% ogljika in jekla z 0,34% ogljika, žilavostni preizkušanci pa iz jekla z 0,16% ogljika. Mehanske lastnosti smo merili na treh paralelah. Pri elektroliznem bakru smo dobili enake vrednosti za natezno trdnost in raztezek osnovnega materiala in spajkanih vzorcev. Vzrok za to je pretrganje spajkanih vzorcev v bakru. Preizkušanci drugih so se pretrgali v spoju. Prelom žilavostnih epruvet je potekal po spoju. To kažejo tudi zelo majhne žilavosti v primerjavi z osnovnim materialom. Natezna trdnost osnovnega materiala se je po spajkanju zmanjšala, povečala pa sta se raztezek in žilavost. Spajkanje medi z L-CuP7 in nerjavnega jekla vrste 18-8 s srebrovo spajko kažejo, daje talilo Degussa h spe-cial boljše od talila Instituta za varilstvo. Že med samim delom je bilo talilo Degussa h special bolj tekoče, kar je omogočilo že pri uporabi tehnike b kvalitetne spoje brez napak ali z malo njih. Podobne natezne trdnosti so bile pri talilu Instituta za varilstvo dobljene s predhodnim platiranjem spajkalnih površin s spajko. To dokazuje, da je to talilo dobro razkrojilo V. •> f • (t » , .v * •* » f i r "v • f-, I Pov. (Magn.): 100 x Pov. (Magn.): 100 x osnova: Cu | CuZn39Pb2 base metal: Cu | CuZn39Pb2 spajka (brazing alloy): L-CuP7 > ' r t'.. k ( w > ' V 0 'X \ sil I Pov. (Magn.): 400 x osnova: Č. 4580 base metal: X5CrNil8 9 spajka (brazing alloy):L-Ni7 Pov. (Magn.): 400 x osnova: jeklo z 0,16 % C in 0,34 % C base metal :structural steel (0,16 and 0,34 % C) spajka (brazing alloy): L-Ag40Cd Slika 3: Mikrostrukture spojev Figure 3: Microstructures of brazed joints Pov. (Magn.): 400 x osnova: Č. 4580 base metal: X5CrNil8 9 spajka (brazing alloy):L-Ag40Cd površinske kromove okside, vendar prepočasi za tehniko spajkanja b. Zaradi večje viskoznosti talila ga spajka pri hitrem zoženju reže po stalitvi (masa vzorca) ni mogla izriniti iz nje. Zato je ostalo več nezalitih mest. Če bi režo kontrolirali z distančniki, bi po vsej verjetnosti dobili podobne mehanske lastnosti. Očitno je, da potrebuje institutsko talilo širšo režo v primerjavi z Degussa h spe-cial. Žilavosti spojev iz predhodno platiranih spajkancev so bile malo večje. Verjetno pa bi pri večjem številu vzorcev obeh vrst prišli do podobne povprečne vred- nosti. Najslabše mehanske lastnosti so imeli spoji z L-Ni7, ki je zelo krhka. Pri ogljikovem jeklu so bile podobne trdnosti neodvisne od tehnike spajkanja. Institutsko talilo je bilo dovolj kvalitetno (agresivno), da je hitro reagiralo s površinskimi oksidi. Omogočilo je dobro oprijemljivost in tekočnost spajke tudi v ozki reži, ki se je pojavila po stalitvi spajke in pritisku zaradi lastne mase vzorca. Na prelomih preizkušancev za natezni preizkus so tri značilne oblike. Slika 5 a) prikazuje spajkani spoj z večjim številom napak (nezalita mesta, poroznost). M18 1 ^ r 4>10 ! J K a) natezna epruveta a) tensile test specimen Slika 4: Dimenzije in oblika epruvet Figure 4: Dimensions and shape of test specimens - za osnovni material - for base metal ol r4 '4 - za spajkani spoj - for brazed joints b) žilavostna epruveta b) taugness test specimen talilo (flux) Instituta za varilstvo tehnika b (technique b) talilo (flux) Instituta za varilstvo tehnika a (technique a) Slika S: Prelomne površine spajkanih spojev s srebrovo spajko na nerjavnem jeklu Figure 5: Fracture surfaces of brazed joints on stainless steel made with silver filler metal Takšne površine so nastale pri spajkanju nerjavnega jekla in medi pri tehniki b) ob uporabi institutskega talila. To je razlog za slabše mehanske lastnosti spojev. Prelom poteka po sredini spajke. Slika 5 b) nam kaže značilno prelomno površino spa-jkanega spoja s predhodno platiranima stičnima površinama s spajko. Vidna je poroznost. Take površine so nastale na ogljikovem in nerjavnem jeklu s srebrovo spajko pri tehniki spajkanja a, na nerjavnem jeklu z L-Ni7 in pri spajkanju bakra z L-CuP7. Drobna poroznost ima zelo majhen vpliv na mehanske lastnosti. Prelom poteka po sredini spajke. Slika 5 c) prikazuje prelomno površino, ki je značilna za spajkanje medi z L-CuP7, ter nerjavnega in ogljikovega jekla s srebrovo spajko in tehniko b z ustreznim talilom. Spoj ima zelo malo vidnih napak, prelom pa se širi pretežno na mejni površini z osnovo (vidne so brusne raze). V tem primeru je popustila adhezijska vez. Kljub različnim prelomnim površinam (sliki 5 b in 5 c) so bile mehanske lastnosti spojev, kjer sta bili preizkušeni obe tehniki, zelo podobne. 4 Sklep Rezultati preiskav so pokazali, da spajkalni ciklus vpliva na mehanske lastnosti preizkušanih osnovnih materialov, tako da se zmanjša natezna trdnost, povečata pa raztezek in žilavost. talilo (flux) Degussa h special tehnika b (technique b) Tabela 2: Mehanske lastnosti Table 2: Mechanical properties Material Spajka in talilo Tehnika Natezna trdnost Raztezek Žilavost Opombe (Base metals) (Filler metals. spajkanja (Tensile strength) (Elongation) (Impact streneth) (Remarks) Flux) (Brazing tehnique (N/mm2) (%) (J/cm2) elektrolizni / / 294; 295; 295 24,5; 24,7; 27,4 102; 102; 103 dobavljeno stanje baker / / 223; 230; 232 41; 41; 43 170; 172; 173 simulacija spajkanja L-CuP7 brez talila plamensko b 223; 230: 232 41; 41; 43 3,8; 3,8; 3,6 spajkani spoj / / 447; 447; 449 21,6; 22; 22 9,45; 10,4; 10,8 dobavljeno stanje CuZn39Pb2 / / 419; 423; 425 28,4; 30,7; 31 26; 27; 30 simulacija spajkanja L-CuP7 F-SH1 * plamensko b 150; 167; 197 / 1,1; 1,4; 1,7 spajkani spoj L-CuP7 F-SH 1 ** plamensko b 208; 213; 223 / 2,2; 2,2; 2,4 spajkani spoj / / 650; 653; 662 40; 41; 42 259; 268; 273 dobavljeno stanje / / 635; 640; 643 46; 48; 50 292; 311; 326 simulacija spajkanja L-Ag 40 Cd F-SH1 * plamensko b 133; 164; 214 / 1,3; 1,3; 1,4 spajkani spoj Č. 4580 L-Aa40 Cd F- plamensko a 354; 358; 386 / 4,3; 4,3; 6,1 spajkani spoj SH1 * (platirano) L-Ae40 Cd F- SH1 ** plamensko b / 332; 378; 409 / 3,6; 3,7; 3,8 spajkani spoj / 587; 600; 611 52; 53; 53 317; 320; 331 simulacija spajkanja v peči L-Ni7 atm. peč a 110; 121; 128 / /*** spajkani spoj (H2N2) Jeklo / / 646; 662; 662 20; 22; 22,4 215; 218; 219 dostavljeno stanje (0,16 % C) / / 573; 580; 586 26,5; 28. 30 259; 260; 268 simulacija spajkanja Jeklo / / 755, 764, 770 14; 15,8; 16,6 / dostavljeno stanje (0,34 % C) / / 673; 675; 680 24,5; 26,5, 26,8 / simulacija spajkanja Jeklo L-Ag40Cd F- plamensko b 462; 528; 534 / / spajkani spoj SH1 * (0.16 L-Ag40Cd F- plamensko a 404; 522; 526 / / spajkani spoj %C/0,34%C) SH1* (platirano) Jeklo L-Ag40Cd F- plamensko b / / 5,9; 6,1; 8,5; spajkani spoj SH1* 0,1 % C L-Ag40Cd F- plamensko a / / 6,6; 6,8; 8,1 spajkani spoj SH1* (platirano) * talilo, izdelek Instituta za varilstov (flux, made by Institut za varilstvo) ** talilo Degussa h special (flux, Degussa h Special) *** vzorci razpadli že med izdelavo na stružnici (failure of the brazed joints during machining) Tehnika spajkanja ima lahko odločilno vlogo na kvaliteto in mehanske lastnosti spajkanih spojev, njena izbira pa je odvisna predvsem od talila, kar dokazuje spajkanje medi in nerjavnega jekla z različnimi talili. Žilavosti spajkanih spojev so zelo slabe, kljub temu da so srebrove spajke duktilne. Spoji imajo, ne glede na spajko, zelo slabo odpornost proti širjenju razpoke. Spajkani spoji redko dosegajo trdnost osnovnega materiala: vzorci največkrat počijo po spoju (izjema je npr. baker, spajkan s spajko L-CuP7). Od preizkušenih spajk ima L-Ni7 slabe mehanske lastnosti kljub difuzijskemu spoju. Primerjava s srebrovimi spajkami (adhezijski spoj) pa kaže, da difuzijska povezava spajke z osnovo ni merilo za dobre mehanske lastnosti spajkanih spojev. 5 Literatura 1 H. Manko: Solders and Soldering, Mc Graw-Hill New York, 1992 2N. Bredzs: Investigation of factors determining the tensile strength of brazed joints. Welding Journal, 33, 1954, ll,545s-563s 1 J. Colbus et al.: Notes on the strength of brazed joints. Welding Journal, 41, 1962, 9, 4I3s-919s "Brazing Manual. American Welding Society, 1963 SY. Suezawa: Effects of roughness on the soldered joint strength. Transactions of the Japan Welding Society, 5, 1974, 2, 52-61 6 Y. Suezawa: Investigation of roughness effects on the tensile strength of brazed joint. Transactions of the Japan Welding Society, 3, 1972, 2, 17-25 ?Y. Suezawa: Relation between roughness and impact strength of brazed joint. Transactions of the Japan Welding Societv, 7, 1976, 1, 9-17 SG. Humpston, D. M. Jacobson: Principles of soldering und brazing, ASM International, 1993 9 J. D. Boughton, M. H. Sloboda: Embrittling effects of trace quantities of aluminium and phosphorus on joints brazed in steels. Welding and Metal Fabrication, 38, 1970, 8, 335-340 L. Steinhauser. V. Knott: Loten von Titanlegirungen in Triebwerksbau. DVS Verlag. Dusseldorf, DVS-BericIite. Band 125. 1989, 25-29 11 D. S. Duvall et al: TLP bonding: a new method for joining heat resis-tant alloys. Welding Journal, 58. 1974, 4. 203-214 12E. E. Schillinger. H. J. Addison, j.r.: Effect of fluxes on steel joints brazed vvith silver base filler metal; Welding Journal, 1976, 10, 302s-308s "Welding Handbook, seetion 3B; Welding, cutting and related proc-esses. AWS, 1971 14 G. Sheward: High temperature brazing in controlled atmospheres. Pergamon Press, 1985, 18-19 15 P. Žaremba: Hart- und Hochtemperaturloten, DVS Verlag, Dusseldorf, 1988. 63-65 in 79-81 16 Kawakatsu: Corrosion of B-Ag brazed joints in stainless steel. Weld-ing Journal. 52, 1973, 6, 233s-239s