Trdnostne lastnosti visokotemperaturno spajkanih spojev v vakuumu The Strength Properties of High Temperature Vacuum Brazed Joints D. Kmetič, V. Leskovšek, J. Žvokelj, Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, Ljubljana J. Gnamuš, Železarna Ravne, Ravne na Koroškem V vakuumski peči smo visokotemperaturno spajkali hitrorezno jeklo na konstrukcijsko jeklo. Kot dodajni material smo uporabili spajki izdelani na bazi Ni, Cr in Si in Cu. Vzorce smo istočasno toplotno obdelali. Določili smo strižno trdnost prekrovnega spoja in natezno trdnost čelnega spoja. Ključne besede: Orodna jekla, visokotemperaturno spajkanje, mehanske lastnosti High temperature brazed joints betvveen HSS and structural carbon steel vvith simultaneous heat treatment were analyzed. Two brazing alloys based on Ni-Cr-Si and Cu were applied as filler metals. Shear strength of an overlap joint and the tensile strength of a butt joint vvere determined. Key vvords: Tool steels, high temperatures vacuum brazing, mechanical properties 1 Uvod Visokotemperaturno spajkanje poteka pri temperaturah nad 900°C. To je že področje austenitizacije orodnih jekel, zato lahko v istem ciklusu orodno jeklo spajkamo na konstrukcijsko jeklo in orodje istočasno toplotno obdelamo. Z izdelavo orodij po tej tehnologiji lahko nadomestimo do 70% dragega orodnega jekla s cenejšim konstrukcijskim jeklom. Postopek ima še druge prednosti, prihranek energije, deformacije orodij so po toplotni obdelavi zelo majhne, orodje je izdelano do končne faze in je potrebno le še brušenje, vrtanje izvrtin za pritrditev orodja je v konstrukcijsko jeklo enostavno in tudi z ekološkega stališča je tehnologija neoporečna. 2 Eksperimentalni del Lastnosti spajkanega spoja in orodnega jekla so odvisne od temperaturnih in časovnih pogojev spajkanja in toplotne obdelave. Značilno za visokotemperaturno spajkanje je, da zelo hitro potekajo difuzijski procesi na meji med tekočo in trdno fazo (spajka/jeklo), ki vplivajo na izoblikovanje mikrostrukture vezne plasti. Trdnostne lastnosti visoko temperaturno, v vakuumu spajkanih spojev, so v veliki meri odvisne od mikrostruktumih značilnosti vezne plasti. Pri preiskavah smo uporabili hitrorezni orodni jekli BRM 2 (Č.7680) in OS V 1 (Č.9880) in konstrukcijsko jeklo Ck 15 (Č. 1221). Za dodajni material smo uporabili dve spajki, ki jih izdeluje firma Nicrobraz Wall Čolmonoy, z oznakama LM in 30, in sta izdelani na bazi Ni, Cr in Si in čisti Cu. Kemijska sestava jekel in spajk je podana v tabeli 1. Največjo trdnost spajkanega spoja dosežemo s prekrovnim spojem, zato sc ta vrsta spoja tudi največ uporablja. Prekritje je funkcija natezne trdnosti šibkejšega materiala in strižne trdnosti spajkanega spoja. Prekritje je tako definirano z, enačbo: T kjer pomenijo: / dolžina prekritja v mm, Rm natezna trdnost šibkejšega materiala v N/mm2, r strižna trdnost spajkanega spoja v N/mm2 in d debelina spajkanih lamel v mm. Oslabitev spoja zaradi napak pri spajkanju upoštevamo z varnostnim faktorjem. Tako dobimo za kovinske materiale z nizko natezno trdnostjo dolžino prekritja enako trikratni debelini, za materiale z. visoko natezno trdnostjo pa šestkratni debelini spajkanih lamel. Za naše preiskave smo izdelali vzorce z enkratnim in štirikratnim prekritjem (slika 1). Tako obliko preizkušancev za določitev strižne trdnosti smo izbrali zato, da so bili preizkušanci v trgalnem stroju INSTRON dejansko le natezno obremenjeni. Pri mehkem in trdem spajkanju čelnega spoja praviloma ne uporabljamo. Trdnosti visokotemperaturnih vakuumskih spojev so višje, tako, da to vrsto spoja v praksi lahko uporabimo. Trdnost spoja je odvisna od vrste spajke, mikrostruktumih značilnosti vezne plasti in natezne trdnosti konstrukcijskega jekla. Preizkušanec za natezni preizkus je prikazan na sliki 2. Na vzorcih, spajkanih s prekrovnim spojem, z enkratnim prekritjem in dolžino prekritja enako trikratni debelini spajkanih lamel, smo naredili tudi upogibne preizkuse. Na spajkanem spoju robov na lamelah nismo posneli, zato so bili pogoji preizkušanja zelo ostri. Na uporabnih spojih morajo biti robovi, zaradi boljših trdnostnih lastnosti, posneti. Preizkušance smo obremenjevali na sredini spajkanega spoja s trnom premera 30 mm. Tabela I. Kemijska sestava jekel in spajk v odstotkih C Si Mn P S Cr W Mo V Co BRM 2 0.89 0.35 0.29 0.018 0.018 4.2 6.3 4.9 1.8 - OSV 1 1.42 0.31 0.38 0.012 0.017 4.4 6.5 3.4 4.8 4.9 Ck 15 0.14 0.27 0.32 0.007 0.012 0.1 - - LM 30 Cu 7% Cr, 4.5% Si, 3.0% Fe, 2.1%. B, rnaks. 0.06% C, Ni ost. 19%. Cr, 10.2% Si, rnaks. 0.10%. C, Ni osi. 99.8% Cu Tabela 2. Strižne trdnosti prekrovmh spojev Slika 1. Strižna preizkušanca z enkratnim in štirikratnim prekritjem. Figure 1. Shear specimens vvith single and fourfold overlap. Slika 2. Natezni preizkušanec. Figure 2. Tensile specimen. Dolžina Vzorec Spajka Prekritje prekritja r (N/mnr) A/l LM 4 kratno 3 x d > 30 A/2* LM 4 kratno 3 x d 27 A/3 LM 4 kratno 6 x d > 30 A/4* LM 4 kratno 6 x d 18 A/5 LM 1 kratno 3 \ d > 71 A/6 LM 1 kratno 2 x d > 210 B/l 30 4 kratno 3 s d > 30 B/2* 30 4 kratno 3 x d 27 B/3 30 4 kratno 6 x d > 20 B/4 30 1 kratno 3 x d > 60 C/1 Cu 4 kratno 3 x d > 32 C/2 Cu 4 kratno 6 x d > 62 C/3 Cu 1 kratno 3 x d > 66 C/4 Cu 1 kratno 2 k d > 205 * vzorci so se porušili po spajkanem spoju Vzorce spajkane z dodajnim materialom LM in Cu smo spajkali pri temperaturi 1120°C, vzorce spajkane s spajko 30 pa pri temperaturi 1160°C. Vakuum med spajkanjem je bil 10-3 mbar. Po kaljenju v toku dušika z absolutnim tlakom 5 bar smo vzorce dvakrat popuščali pri 550°C. Tako toplotno obdelano hitrorezno jeklo ima mikrostrukturo iz popuščenega martenzita in drobnih karbidov in trdoto od 63 do 64 HRC, trdota konstrukcijskega jekla s feritno perlitno bainitno mikrostrukturo pa je 145 HV in natezna trdnost od 490 do 510 N/mnr. Slika 3. Strižna preizkušanca s štirikratnim prekntjem po nateznem preizkušanju. Figure 3. Shear specimens vvith fourfold overlap after the tensile test. 3 Rezultati preiskav Podatki o vzorcih in strižne trdnosti nateznih preizkušanj so podani v tabeli 2. Iz rezultatov vidimo, da se je pri večini preiskušancev porušilo konstrukcijsko jeklo (slika 3). Strižna trdnost je odvisna od prekritja, enkratno ali štirikratno, in dolžine prekritja. Največja je pri enkratnem prekritju in dolžini prekritja enaki dvakratni debelini spajkanih lamel. Nekoliko višje trdnosti smo dobili pri vzorcih spajkanih s spajko LM. Trdnosti čelnih spojev so visoke in so le malo nižje od natezne trdnosti, ki jo ima konstrukcijsko jeklo pri tej toplotni obdelavi, ki ustreza kaljenju in popuščanju hitroreznega jekla (tabela 3). Preiskušanci nimajo praktično nobenega raztezka in kontrakcije. Vzorec Spajka Re (N/mnr) Rm (N/mm2) A/8 LM 330 445 C/7 Cu 340 475 C/8 Cu 325 345 (napaka v vezni plasti) Tabela 3. Natezne trdnosti čelno spajkanih preizkušancev Slika 4. Inicial za nastanek mikrorazpok, ki potekajo po eutektični fazi, so mikroporozna mesta — spajka I.M (pov. 200 x ). Figure 4. Initiation spot of microcracks progressing through the eutectic phase are the microporous regions — LM brazing alloy (magn. 200 times). Na vzorcih, spajkanih s Cu, so med preizkušanjem nastajale razpoke v vezni plasti na meji med dodajnim materialom in konstrukcijskim jeklom (slika 6). V temu področju so se porušili tudi natezni preizkušanci. Zanimivo pa je, da smo pri nateznih preizkušancih opazili, da lahko poteka prelom deloma tudi po konstrukcijskem ali orodnem jeklu. Morfološke značilnosti prelomnih površin so zelo različne. Na vzorcih spajkanih s spajko LM se dobro ločijo prelomne površine, ki potekajo preko dendritnih kristalov, od tistih, ki potekajo preko eutektika in 7 faze (slika 7). Krhke cepilne prelomne površine, ki potekajo preko eutektika in 7 faze, so značilne tudi za preizkušance spa-jkane s spajko 30. Izrazitih dendritov na teh preizkušancih nismo opazili, opazi pa se neka usmerjenost prelomnih površin (slika 8). Prelomne površine vzorcev spajkanih s Cu potekajo večinoma po dodajnem materialu in so žilave. V jamicah se opazijo drobni vključki bakrovega oksida (slika 9). Trdnostne lastnosti upogibnih preizkušancev so odvisne od debeline lamel spajkanega vzorca in načina obremenjevanja. Vzorci izdelani iz lamel debeline 10 mm so se porušili po spajkanem spoju, ne da bi se lamele deformirale. Pri vzorcih iz lamel debeline 5 mm pa je pomembno kako vzorec obremenjujemo. V primeru, ko smo s trnom obremenjevali lamelo iz konstrukcijskega jekla, se je ta sprva upogibala, pri določeni obremenitvi pa je prišlo do porušitve v vezni plasti spajke. Pri obremenjevanju lamele hitroreznega jekla, se lamela iz konstrukcijskega jekla up-ogne za 90°, v vezni plasti pa nismo opazili nobenih znakov porušitve. Spajkane spoje mehanskih preizkušancev smo metalo-grafsko pregledali. Na vzorcih s prekrovnim spojem, ki so se porušili po konstrukcijskem jeklu, smo v vezni plasti opazili le posamezne mikrorazpoke. Na vzorcih, ki so se porušili po vezni plasti, smo v vseh primerih opazili mikroporozna področja, ki so iniciali za nastanek mikrorazpok. Mikrorazpoke in razpoke, po katerih je prišlo do porušitve, potekajo na vzorcih spajkanih s spajkama LM in 30, po eutektični fazi, ki je na sredini vezne plasti (sliki 4 in 5). Na vzorcih, spajkanih s tema dodajnima materialoma, je ogljik iz orodnega jekla difundiral v konstrukcijsko jeklo v taki meri, da je mikrostruktura konstrukcijskega jekla ob meji s spajko perlitno bainitna. Ogljik se v bakru ne topi, zato difuzija ogljika preko bakra ni mogoča in konstrukcijsko jeklo ima v področju ob vezni plasti feritno perlitno bainitno mikrostrukturo. Slika 5. Mikrorazpoke potekajo po eutektični fazi — spajka LM. Figure 5. Microcracks progressing through the eutectic phase — LM brazing alloy. Slika 6. Mikrostruktura vezne plasti na preizkušancu BRM 2-Cu-Ck 15. Figure 6. Microstructure of bonding layer in BRM 2-Cu-Ck 15 specimen. Slika 7. Prelom preko euteklika in 7 faze — spajka LM. Figure 7. Fracture through the eutectic and -> phase — I,M hrazing al loy. Slika 8. Prelomna površina preizkušanea spajkanega s spajko 30. Figure 8. Fracture surface of the specimen hrazed with hrazing allov 30. 4 Zaključek Trdnostne lastnosti visokotemperaturno vakuumsko spajkanih spojev smo določili na prekrovno in čelno spajkanih preizkušancih. Preizkušance smo izdelali iz hitroreznih jekel BRM 2 in OS V 1 in konstrukcijskega jekla Ck 15. Spajkali smo jih z dodajnima materialoma, izdelanima na bazi Ni, Cr in Si in s Cu. Slika 9. Prelomna površina vzorca spajkanega s Cu — v jamicah so vključki bakrovega oksida. Figure 9. Fracture surface of the specimen brazed vvith Cu — inclusions of copper oxide are visihle in dimples. Strižna trdnost prekrovnega spoja je pri dolžini prekritja enaki 3 do 6 kratni debelini spajkanih lamel tako visoka, da se pri ustrezno izdelanih spojih, poruši konstrukcijsko jeklo. Trdnosti čelno spajkanih preizkušancev so za to vrsto spoja zelo visoke. Do porušitve pride po spajkanem spoju, natezne trdnosti pa so le malo nižje od trdnosti konstrukcijskega jekla, toplotno obdelanega pri pogojih, ki ustrezajo hitroreznim jeklom. Trdnostne lastnosti so odvisne od kvalitete spajkanega spoja, mikrostruktumih značilnosti vezne plasti, ki so odvisne od pogojev spajkanja in toplotne obdelave in od mehanskih lastnosti šibkejšega materiala. 5 Literatura ' E.P. Gradiševskij. L.K. Borusevič. Žurnal neograničeskoj himiji. 8. 1915-1920 (1963) Metals Handbook. Welding and Brazing, 8"11 edition vol 6 3 R. Blickensderfer. Metal Progres. 4. 47-50 (19X8) 4 Z.H. Guo, N. Ridley. Science and Technologv. 3, 945-953 (1987) 5 H. Mizuhura, Metal Progres. 2. 53-55 (1987) 6 G. Aggen. R.A. Long. E.E. Revnolds. \Veldina research supplement, 7. 366-372 (1957) M.D. Bellvvare. The vvelding journal. 7. 683-691 (1958) s N.F. Kazakov: Diffusion Bonding of Materials. Mir Pub-lishers. Moscovv. 1985 y D. Kmetic. J. Gnamuš. F. Vodopivec. B. Ralič, Zbornik XXXIX. posveta o metalurgiji in kovinskih gradivih. 157-168. Portorož 1988 "' D. Kmetič. V. Leskovšek, F. Vodopivec. J. Gnamuš, Zbornik XL. posveta o metalurgiji in kovinskih gradivih. 175-182, Portorož 1989 11 D. Kmetic. V. Leskovšek. J. Gnamuš, F. Vodopivec. G. Rihar. Spajanje orodnih jekel na konstrukcijska jekla v vakuumski žarilni peči, poročilo MI, Ljubljana 1989 V. Leskovšek, D. Kmetic, J. Gnamuš, G. Rihar: Visoko temperaturno vakuumsko spajkanje orodnih jekel na konstrukcijska jekla z istočasno toplotno obdelavo v vakuumski peči, poročilo MI, 1988 13 E. Ludscheider, T. Cosack, Welding research, 10, 215-221 (1988) 14 J.J. Ramon, S.F. Dirnfeld, Welding journal, 10, 19-21 (1988) 15 V. Leskovšek, D. Kmetič, J. Gnamuš, G. Rihar, Vuoto, 2, 515-518 (1990)