Armirani spajkani spoji povečane žilavosti
Reinforced Brazed Joints vvith Elevated Toughness
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
Predlagan in dokazan je način izboljšanja mehanskih lastnosti spajkanih spojev z armiranjem. V teh spojih je povečana odpornost proti širjenju razpok ter udarna žilavost. Opisali smo dva načina trdne povezave armature in osnove. Z osnovo nepovezana ali slabo spojena armatura ne izboljša žilavosti spoja. Spoj z dobro povezano armaturo in osnovo pa ima veliko žilavost.
Ključne besede: spajkani spoj. armatura, nepovezana armatura in osnova, povezana armatura in osnova, mehanske lastnosti
A mechanism of improvement of mechanical properties, of brazed joints by reinforcing is presented and confirmed. In ali joints inereased crack propagation resistance and toughness are observed. Two alternative ways of good joining of the armour and the base metal are deseribed. An unconnected or weakly connected armour has practicaily no influence, while an appropriately joined armour and base metal in a joint show high toughness values of brazed joints.
Key words: brazed joint, armour, unconnected armour and base metal, joined armor and base metal, mechanical properties
1 Uvod
Armiranje spajkanih spojev je znano že iz tridesetih let. ko pojma armiranje in kompozit v svojem današnjem pomenu nista bila poznana. Večina literaturnih virov ga opisuje v zvezi s spajanjem kermetov ali keramike s kovinami ali pri spajanju keramike.
Največkrat je bil uporabljen vmesni ploščati vložek1-2-3-4-5-6 iz duktilnih kovin (baker, nikelj, srebro) ali iz kovin z majhno temperaturno razteznostjo (volfram. molibden). Vsaka vrsta kovin na svoj način zmanjša zaostale napetosti v spoju in nastanek napak, ki so posledica razlik v temperaturni razteznosti sestavin spaj-kanega spoja. Za zgoraj opisane namene so se uporabljale še različne valovite folije, mrežice in sa-tovja1-2-7-8.
To so značilne oblike togih in povezanih armatur, medtem ko sta pri ploščatem vložku dva spajkana spoja z vsemi značilnimi slabostmi spojev (slaba žilavost, slaba odpornost proti začetku in širjenju razpoke). Uporabljali so tudi kompozitne spajke s kovinskimi delci7 8 in vlakni ogljika9-10-11.
Mehanske lastnosti armirane spajke slede kompozit-nemu mehanizmu reagiranja na zunanje obremenitve.
Po dosedaj znanih mehanskih lastnosti spajkanih spojev karbidnih trdin in jekel se kompozitne lastnosti spajke prenašajo tudi v spoj7-8. Pri spajkanju z medjo je bilo ugotovljeno skoraj dvakratno povečanje strižne trdnosti in raztezkov v primerjavi s klasično spajkanimi spoji. Ugotovljen je bil tudi vpliv trdnosti materiala armature. Tako je npr. uporaba mreže iz nerjavnega avstenitnega jekla zvečala strižno trdnost z medjo narejenega spoja za 70% v primerjavi z nearmiranim spajkanim spojem. Uporaba mrež iz maloogljičnega jekla ni zboljšala striž-
1 Mag. Borut ZORC
Institut /a varilstvo
Ptujska 19. 1000 Ljubljana
ne trdnosti spoja, saj je bila trdnost tega jekla enaka ali celo slabša od trdnosti spajke oziroma medi.
Kompozitno spajko so pri kovinskih materialih uporabljali predvsem pri spajkanju v širokih režah (wide gap brazing), kjer so v spajko dodajali kovinski prah12-13-14-15. Ta se med spajkanjem ne tali, zato imajo te spajke značilno kompozitno sestavo.
Pri spajkanju jekla z bakrom so uporabljali ploščati kovinski vložek, ki je rabil za nastanek nove faze16.
Izboljšanje mehanskih lastnosti je bilo odvisno predvsem od obsega medsebojnih reakcij med spajko, delci in osnovo ter vrste dodanega materiala prahu.
2 Razvoj armiranih spajkanih spojev kovina -kovina
O uporabi armature (žice, mreže, valovite folije, sa-tovja) pri spajkanju kovin ni podatkov. Metoda ima realne možnosti za izdelavo spajkanih spojev z načrtovanimi mehanskimi lastnostmi.
Po znanem načinu armiranja pri spajkanju karbidnih trdin ali keramike s kovino še vedno ostaja problem odpornosti proti nastanku in širjenju razpok v spajkanih spojih. Vzrok temu je vrzel med osnovo in armaturo, v kateri se nahaja spajka, kar razpoki ne otežuje ali preprečuje njenega napredovanja.
Edini pogoj za izboljšanje žilavosti in odpornosti proti širjenju razpoke v armiranem spoju je, da se armatura poveže z osnovo s trdno raztopino oziroma medsebojnim zraščanjem. Ta princip je bil prvič idejno prikazan17-18 ter preizkušen in dokazan v raziskavi19. Nadaljnje raziskave žilavosti tako spajkanih spojev so vzpodbudne.
2.1 Povezave armature z osnovo
Armaturo in osnovo lahko povežemo na dva načina:
(
OSNOVA (BASE METAL)
nehomogena trdna raztopina (unhomogeneous solid solution)
spajka (braze metal)
homogena trdna raztopina (homogeneous solid solution)
ŽIČKA .ARMATURE (WIRE OF ARMOUR)
a) s TLP procesom (with TLP proces)
spajka (braze metal)
b) z difuzijskih varjenjem (with diffusion welding)
Slika 1: Povezava armature in osnove v spajkanem spoju (shematično) Figure 1: Joining of armour and base metal in brazed joint (schematically)
•	v tekočem - s spremembo evtektika spajke v trdno raztopino
•	v trdnem - z difuzijskim varjenjem, kjer spajka pri metalurških reakcijah ni potrebna.
V	tekočem povežemo armaturo na način TLP (tran-sient liquid phase), ki temelji na razredčenju evtektične spajke na ključnem elementu (npr. bor, silicij, fosfor pri nikljevih spajkah), ki difundira v osnovo in armaturo. Tekoči evtektik se spreminja v trdno raztopino, ki se vrašča v osnovo in armaturo. Pri tem uporaba sile ni neobhodna, s stiskanjem pa se pospeši.
V	trdnem povežemo armaturo in osnovo z difuzijskim varjenjem. Tekoča spajka pri tem ne sodeluje, rabi pa kot zaščita pred oksidacijo in kot polnitev prostora med segmenti armature. Spajka je do osnove in armature inertna, zato jo je potrebno odstraniti iz dela med armaturo in osnovo. Ce ne, difuzijsko varjenje osnove in armature ni mogoče. To pomeni, da je potrebna dovolj velike pritisna sila med spajkanjem, kar omogoči dober kontakt osnove in armature.
Na sliki 1 sta prikazani povezavi osnove in armature iz enakega ali sorodnega materiala.
Razlika med obema načinoma je v tem, da je pri povezavi s procesom TLP na osnovi in armaturi pas trdne raztopine, ki nastaja zaradi difuzije ključnega elementa iz spajke v osnovo in armaturo. Ta poveže obe komponenti.
Ker pri difuzijskem zvarjanju spajka ne sodeluje, tega pasu novo nastale trdne raztopine, ki bi povezal obe komponenti, ni. Tuje deformacija ene od sestavin nujna. Zato je pri povezavi pomembna kombinacija difuzije ter poprave z rekristalizacijo.
3 Preizkusi
Preizkusili smo naslednje materiale:
•	konstrukcijsko ogljikovo jeklo (armatura: maloo-gljično jeklo C < 0,1%, patentirana žica, avstenitno nerjavno jeklo vrste 18-8, spajka L-Ag40Cd)
•	avstenitno nerjavno jeklo 18-8 (armatura: nerjavno jeklo 18-8, spajka L-Ag40Cd, L-Ni7)
•	baker (armatura: baker, nerjavno jeklo 18-8, nerjavno jeklo 18-8 z galvanskim nanosom bakra, nerjavno jeklo 18-8 z galvanskim in naknadno žarjenim nanosom bakra; spajka L-CuP7)
•	med CuZn39Pb2 (armatura: kot pri bakru). Spajkali smo s plamenskim postopkom, razen v primeru spajke L-Ni7, kjer smo spajkali v peči v zaščiti vodika in dušika.
Žilavost spojev smo merili na epruvetah dimenzij 10 x 10 x 55 mm brez zareze.
4 Rezultati in diskusija
4.1 Armirani spajkani spoji brez povezave osnove in armature
Na sliki 2 je prikazan prečni prerez na prelomno površino spajkanega spoja na ogljikovem jeklu, izdelanem s spajko L-Ag40Cd in armaturo iz patentirane
prelomna površina
osnova
Slika 2: Spoj maloogljičnega jekla z armaturo iz patentirane žice in spajke L-Ag40Cd. Prečni prerez čez prelom žilavostnega preizkušanca (pov. 50 x)
Figure 2: A joint consisting of low-carbon steel, the armour made of patented wire. and brazing filler material L-Ag40Cd. Fracture eross-seetion of notehed test bar (magn. 50 x)
B. Zore, L. Kosec: Armirani spajkani spoji povečane žilavosti spajka	nerjavna žička
ostanek spajke
osnova: maloogljično jeklo
500 x
osnova
žička
patentirana žica
mikrostruktura spoja
10x	1000x
prikaz površine stika med armaturo in osnovo (jamice); duktilni prelom pri strižnem preizkusu
b) osnova: maloogljično jeklo armatura: jeklo 18 Cr/8 Ni spajka: L-Ag40Cd
maloogljično jeklo	40Qx
a) osnova: maloogljično jeklo armatura: patentirana žica spajka: L-Ag40Cd
Slika 3: Povezava osnove in armature z difuzijskim varjenjem v spajkanem spoju Figure 3: Joining of base metal and armour by diffusion welding in brazed joint
bakrena prevleka
področje reakcije med spajko in bakreno osnovo ter prevleko
baker
osnova: baker
armatura: jeklo 18 Cr/8 Ni, pobakreno spajka: L-CuP7
Slika 4: Povezava armature in osnove s procesom TLP v spajkanem spoju Figure 4: Joining of armour and base metal by TLP process in brazed joint
nerjavno jeklo
žice. Prelom poteka po spajki na meji med armaturo in osnovo. Žilavost tako spajkanih spojev se bistveno ne razlikuje od žilavosti spojev brez armature in je 3 - 15 J/cm2, odvisno od napak v spoju. Vpliva materiala armature ni bilo opaziti.
Podobne pojave smo opazili tudi na armiranem spoju iz avstenitnega nerjavnega jekla 18-8 s srebrovo spajko L-Ag40Cd. Enaki spoji, izdelani s spajko L-Ni7, so popokali že med izdelavo vzorcev, prav tako tudi nearmi-rani spoji.
Vpliv armature pa je bilo opaziti pri spajkanju bakra in medi s spajko L-CuP7. Žilavosti nearmiranih spajkanih spojev so bile: baker (3,6 - 3,8 J/cm2), med CuZn39Pb2 (1,1-2,4 J/cm2).
Izmerjene žilavosti spojev so:
a)	osnova: baker
9
•	armatura iz bakra: 3,6 - 7,5 J/cm"
•	armatura iz jekla 18-8: 1,2- 1,8 J/cm"
•	armatura iz galvansko z bakrom prevlečenega jekla 18-8: 2,0 - 4,9 J/cm2
•	armatura iz galvansko z bakrom prevlečenega in žar-jenega jekla 18-8: 7,8 - 8,8 J/cm"
b)	osnova: med CuZn39Ph?
•	armatura iz bakra: 3,0 - 5,2 J/cm"
•	armatura iz jekla 18-8: 0,9 - 1,0 J/cm2
•	armatura iz galvansko z bakrom prevlečenega jekla 18Cr/8Ni: 1,9 - 2,9 J/cm2
•	armatura iz galvansko z bakrom prevlečenega in žar-jenega jekla 18Cr/8Ni: 3,9 - 4.8 J/cm2
Dvakratno povečanje žilavosti je opaziti pri uporabi bakrene armature ali galvansko z bakrom prevlečene armature avstenitnega jekla, ki je bilo po nanosu žarjeno (950°C, 2 uri).
Na prerezih, prečno na prelomno površino, smo opazili:
a)	pri spajkanju jekel s spajko L-Ag40Cd in uporabi različnih jeklenih armatur je prelom po spajki ali vezni plasti med spajko in osnovo ali armaturo;
b)	pri spajkanju bakra in medi s spajko LCuP7
•	pri bakreni armaturi je prelom po spajki in ponekod tudi čez bakrene žice
•	pri armaturi iz nerjavnega jekla 18-8 poteka prelom na meji spajka - armatura ali čez spajko med posameznimi deli armature
•	pri armaturi z bakrom elektrolizno prevlečenega jekla 18-8 poteka prelom predvsem po spajki med armaturo in osnovo. Bakrena prevleka se trga od armature.
•	pri armaturi z bakrom elektrolizno prevlečene in žar-jene žice jekla 18-8 je prelom pretežno po spajki med armaturo in osnovo. Opaziti je ločevanje bakrene prevleke od žice nerjavnega jekla na posameznih mestih.
V vseh primerih spajkanja bakra in medi je na stiku osnove in armature že prisotna medsebojna povezava s trdno raztopino. To vpliva na povečanje žilavosti spojev z bakreno in žarjeno z bakrom prevlečeno nerjavno armaturo.
Pri uporabi armature iz gole žice nerjavnega jekla je nastala vmesna plast (ki je najverjetneje železov ali nik-ljev fosfid). Ta je zelo krhka. Povezava elektrolizno
brez armature
nepovezana armatura z osnovo
dobro povezana armatura z osnovo
osnova: maloogljično jeklo armatura: maloogljično jeklo spajka: L-Ag 40 Cd
Slika 5: Primerjava prelomnih površin žilavostnih preizkušancev Figure 5: Comparison of fracture surfaces of toughness test pieces
žilavost: 3-15 J/cm2
žilavost: 3-15 J/cm2
žilavost: 70- 120 J/cm2
nanesenega bakra na jeklo je slaba. Zato se žilavost spojev ne izboljša.
4.2 A rmirani spajkani spoji s povezavo armature in osnove
Na sliki 3 je prikazan primer povezane armature iz patentirane žice z osnovo iz ogljikovega jekla. Spoj je bil spajkan s spajko L-Ag40Cd. Slika prikazuje popolno zraščenost armature in osnove. Zraščena pa sta tudi segmenta armature. Ostanek spajke sta svetla trikotnika (slika 3a).
Podoben učinek je bil tudi pri uporabi armature iz maloogljičnega jekla in avstenitnega nerjavnega jekla na ogljikovem kot tudi na nerjavnem jeklu. Slika 3b prikazuje primer zraščanje armature iz nerjavnega jekla z osnovo iz ogljikovega jekla pri spajki L-Ag40Cd. Žica armature je malo vtisnjena v osnovo. Tu spajke ni. Dobro povezavo armature iz nerjavnega jekla z osnovo iz ogljikovega jekla pri strižnem iztrgu armature iz osnove potrjuje tudi duktilen prelom.
Na sliki 4 je prikazana povezava galvansko z bakrom prevlečene armature iz nerjavnega jekla in osnove iz bakra. Uporabljali smo spajko L-CuP7.
Spajka je reagirala z osnovo in galvansko prevleko. Na večjem delu stika med žičkami se je mikrostruktura spremenila iz evtektika v trdno raztopino.
Do enakega pojava je prišlo v primeru naknadno žar-jenih galvansko prevlečenih žic in uporabi teh kot armature pri spajkanju medi z isto spajko.
Meritve žilavosti spajkanih spojev kažejo dobre rezultate. Tako je bila žilavost spojev iz maloogljičnega jekla z armaturo iz drugega maloogljičnega jekla, spajkanih s spajko L-Ag40Cd, 106-124 J/cm2. To je v povprečju 12-kratno povečanje v primerjavi z enakim spojem brez armature ali z nepovezano armaturo in osnovo. Na sliki 5 je vidna primerjava prelomnih površin žilavostnih preizkušancev spajkanih spojev iz ogljikovega jekla s spajko L-Ag40Cd. Veliko prečno širjenje je le pri ustrezni povezavi armature z osnovo. Temu je vzrok velika žilavost spojev.
5 Sklepi
Naše raziskave povedo, da je moč z armiranjem pomembno izboljšati odpornost spojev proti začetku in širjenju razpok ter povečati njihovo žilavost k povečanju žilavosti prispeva predvsem povečanje duktilnosti. Za povečanje žilavosti morajo biti izpolnjeni določeni pogoji.
Armatura in osnova morata biti dobro povezani. Povečanje žilavosti je odvisno od izbire vrste armature glede na osnovo ter spajko in sposobnosti trdne medsebojne povezave armature in osnove. Trdnost povezave lahko povečamo z nanosi, ki so sorodni enemu ali obema partnerjema. Pri nanosu bakra na nerjavno jeklo je ta mejna površina šibko mesto. Z difuzijskim žarjenjem se trdnost izboljša.
6	Literatura
1 G. R. van Houten: A survey of the bonding of cermets to metals. Welding Journal, 12, 1958, 558s-569s :A. G. Foley. D. J. Andrevvs: Joining ceramics to metals by brazing. DVS-GmbH, Dusseldorf, Berichte Baru/. 148. 1992. 258-263 1 Y. Nakao et al.: Brazing of aluminium nitride to copper. DVS-GinbH, Dusseldorf, Berichte Band, 148. 1992, 63-67 4 K. Sasabe: Brazing of ceramic turboeharger rotor. DVS-GmbH. Dusseldorf, Berichte Band, 125. 1989, 164-167 ' L. Dom et al.: Strength behaviour of ceramic-metal brazed joints vvith nickel interlayers at room temperature and at 600°C. Sdnveissen und Schneiden, 3. 1993. E44-E46 in 140-145 fiE. Lugscheider et al.: The use of interlayers for the relaxation of stresses in activebrazed silicon nitride-steel joints. Sdnveissen und Schneiden. 2, 1995, E22-E25 in 97-107
7	Z. Mirski: Methods for iinproving mechanical properties of brazed joints vvith sintered carbides. DVS-GmbH, Diisseldorf. Berichte Band 125, 1989, 145-148
*Z. Mirski: Compozit brazed joints vvith sintered carbides, DVS-GmbH. Dusseldorf. Berichte Band 148. 1992, 174-177 ''C. T. Ho, D. D. L. Chung: Carbon fiber reinforced tin Iead alloy as a lovv thermal expansion solder perform. Journal ofmaterials research, 6, 1990. 1266-1270
111 C. T. Ho: Carbon fiber reinforced tin-lead alloy composites. Journal ofmaterials research. 8. 1994. 2144-2147
II	J. Cao, D. D. L. Chung: Carbon fiber silver - copper brazing filler composites for brazing ceramics. H'elding Journal. 1, 1992, 21s-24s H. Zhuang et al: Wide gap brazing of stainless steel vvith nickel base brazing alloys. Welding in the world, 24, 1986, 9/10, 201-208
" E. Lugscheider et al.: Wide gap brazing of pipelines systems. Pipeline technologv conference, Oostende (Belgium), 15-18 October 1990, 8.21-8.28
14 V. N. Radzievsky, L. N. Baranava: Special features of formation of a brazed joint in vvide gaps vvith a filler vvhen vacuum brazing steel, VJelding International, 4, 1991, 307-309
13 V. Radzievsky, K. Wittke: Hight tempeature brazing a large steel struetures vvith vvide braze gap. Sdnveissen und Schneiden, 11, 1992, E199-E201 in 603-605
16T. Yoshida, H, Ohmura: High-impact strength brazed joints in steel, Welding Journal, 10, 1986, 268s-272s
17 B. Zore. L. Kosec: Izboljšanje mehanskih lastnosti spajkanih spojev s kompozitno spajko. Kovine, zlitine, tehnologije, 1-2, 1995, 350-353
III	B. Zore: Načini povišanja mehanskih lastnosti spajkanih spojev. Varilna tehnika, 1, 1995, 3-10
'"B. Zore. L. Kosec: Koinpozitni spajkani spoji. Kovine, zlitine, tehnologije, 1-2, 1996, 125-130