本发明系一种新颖的核工业用钎焊料。特别适用于钎焊核工业反应堆用不锈钢、耐蚀合金和高温合金等金属材料的薄壁构件。目前,国际上核工业反应堆有关构件通用的制造方法有两种,一种是熔化焊焊接方法;另一种是钎焊焊接的方法。从60年代以来,大、中型反应堆的格架制造大部分采用钎焊。而且所使用的钎焊料主要是BNi-7系列(即Ni-Cr-P系)焊料。象美国、英国和西德就一直使用这种钎焊料制造格架。表1列出有几个主要国家所采用的BNi-7系列焊料成分和熔点、钎焊温度。 表1 一些国家所采用的BNi-7系钎焊料成分
及熔点
BNi-7系列钎焊料的特点是熔点较低,这利于改善钎焊工艺性能并可减少母材因受热而降低性能的影响。但其缺点是强度低(<20Kg/mm2),塑性差(扭转试验的扭转角小于270℃),并对一些活性元素含量较高的高温合金,其钎焊工艺性能差,使得被焊接部件需要镀镍才能进行钎焊,造成工艺复杂。同时,由于含磷量高,钎焊料的熔蚀较大(>20μm),有损于基体材料的强度,特别是对薄壁材料。
另外,国外研究和使用的另一大类核反应堆用钎焊料是BNi-5系列(即Ni-Cr-Si系)表2列出了这一系列的一些焊料的具体成分及熔点。
表2 BNi-5系列钎焊料具体成分及熔点
BNi-5系钎焊料的优点是强度较高,可达30Kg/mm2,熔蚀也较小,一般在20μm以下,但主要缺点是熔点太高,从而使钎焊温度大大超过了许多变形材料的再结晶温度,导致基体合金性能的变化,特别是在焊接薄壁材料时,显得更加严重。
本发明的目的在于提出了一种熔点低、强度高、熔蚀小以及抗腐蚀性能和抗中子辐照性能优异的钎焊料,特别适用于钎焊核工业反应堆用不锈钢、耐蚀合金和高温合金等金属材料的薄壁构件。
本发明是以Ni为基的,含有Cr、Si、Ge、Fe、P、Pd的钎焊料,其具体成分范围如下:11~19%Cr、8.5~10%Si、1~4%Ge、4~10%Fe、1~4.9%Pd、<2.0%P、余为Ni。合金元素地主要作用如下:加入11~19%Cr是为了提高强度,改善耐腐蚀性能;加入Ge能降低熔点,改善钎焊工艺性能;加入Pd能改善机械性能,特别是塑性,在一定程度上还能改善工艺性能;加入Si也是为了提高机械性能,同时可降低熔点,改善流动性;Fe的作用是提高机械性能。
本发明的熔化区域为1040~1080℃。钎焊工艺性能良好,可对含Al、Ti的高温合金(如Inconel 718)在不镀镍的情况下直接进行钎焊,省去了复杂的镀镍工序,焊料熔蚀小于20微米,且能良好地润湿该合金。用本发明制作部件时,钎焊缝成形性好,表面光洁,特别适用于大面积多焊缝的钎焊。
采用本发明进行钎焊,其接头具有较高的机械性能,钎焊接头在350℃下的抗拉强度可达35~40公斤/毫米2,扭转试验的扭转角大于360°。同时,抗腐蚀性能,特别是抗应力腐蚀性能优良,三点拱形试样在8、15、25公斤/毫米2三种应力条件下,在含有氯离子的介质中进行试验,均未发现应力腐蚀现象。本发明还具有优异的抗中子辐照性能,在高通量中子辐照下,于350℃进行辐照试验,辐照后,钎焊接头性能仍然良好,即辐照前后性能上没有大的变化。
本发明的生产工艺如下:
采用真空感应炉冶炼,冶炼前将炉子清扫干净,装料时,先把Ni块,Cr块,Pd块、Fe块及含磷合金等加入炉中,随之缓慢加热升温,待化清后,降低输入功率,使钢水降温,然后再加入Ge、Si,此时要向炉中输入氩气(0.5大气压左右),避免强烈沸腾。利用加入Ge、Si后引起的沸腾,可以有效的搅拌钢水,待成分均匀后,降低功率,使钢水温度降低,出钢温度通常以1200-1300℃为宜。即采取低温出钢。因钎焊料熔点低,出钢温度高易烧模和粘模。
钢水铸入生铁锭模内,脱模后采用机械方法去除氧化铁皮以保证质量,用颚式破碎机将锭块破碎成小于φ15mm的小颗粒金属,然后再用粉碎机制成小于120目的粉末,经过筛后就可得到可用的粉末钎焊料。同时也可在专用设备上用雾化法制取粉末。
实施例一
以11.3%Cr、9.0%Si、4.0%Ge、8.5%Fe、4.7%Pd、余为Ni的成分配比备料,在真空感应炉上冶炼,随后制成钎焊料,钎接Inconel 718合金。焊前用双氧水。HCl和H2O各1/3的溶液进行清洗后,再浸入丙酮进一步清洗,随后烘干。在冷壁真空炉内直接进行钎焊,被焊材料不镀镍。钎焊规范为:真空度1×10-4乇,加热温度1100℃,保温时间10分钟,炉冷。所得的钎接接头具有良好的机械性能,350℃时的抗拉强度为35公斤/毫米2,熔蚀小于20微米。
实施例二
按重量比为15%Cr、10%Si、10%Fe、1%Ge、1%Pd1.6%P、余为Ni的成分进行配料,经真空感应炉冶炼后制成钎焊料,用该钎焊料焊接厚度为0.1毫米的18-8不锈钢环形薄壁构件,构件外径为400毫米。焊前用稀盐酸及丙酮清洗,然后烘干,在冷壁真空炉内进行钎焊,钎焊规范为:加热温度1120℃,保温时间15分钟,真空度1×10-4乇。钎接接头性能良好,室温抗拉强度为36公斤/毫米2,500℃的高温抗拉强度为13公斤/毫米2。熔蚀小于20微米。
实施例三
按表3所列成分配比,在真空感应炉上冶炼了4个不同成分的镍基钎焊料,并按实施例一进行钎焊。
表3