一种钢高温钎焊异种接头组织与性能

42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊异种接头组织与性能Microstructure and properties of 42CrMo and 38MnVS6 steel brazed joints at high temperature摘 要42CrMo钢属于超高强度钢，具有高韧性、高强度、高渗透性、良好的机械性能及可加工性等优点，应用相当广泛。这种钢材适宜制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。38MnVS6非调质钢多适用于生产汽车转向节，可替代40Cr钢制造，性能更优良。关键词 42CrMo钢 38MnVS6钢 高温钎焊 接头组织 力学性能第一章 绪论1.1 目的与意义 因工业污染导致的全球环境恶化以及内燃机技术的不断更新发展，作为发动机最重要的部件的活塞若不能承载更高的机械载荷和热载荷，那么发动机的机械效率和热效率就不能随之提高，这样对环境及技术发展都是不利的。随着发动机技术的快速发展，高负荷、高功率、高效率的活塞正被汽车产业所认可并广泛应用。传统的铝活塞已不能满足发动机越来越严格的性能要求，虽然由铝合金制造的铝制活塞重量轻、制造成本低，但工作状态不稳定，只可在350下稳定工作，同时存在因采用重力铸造而导致的缺陷率较高的问题。铝合金材料的固有特征，也导致铝活塞的硬度及强度难以满足现阶段发动机的使用要求。因此采用新型材料制造适合大部分发动机性能的活塞成为各企业以及国内外研究的重点。在这种工业背景下，工作更稳定、可靠性更高、承载强度更高、机械负荷更大的锻钢活塞已逐步替代了铝制活塞而被广泛应用。采用锻钢活塞还可提升抗磨损性能，从而延长活塞使用寿命；锻钢活塞的生产过程较铝活塞也更环保，对工作人员的身体健康损害小；采用锻钢活塞的汽车废气排放量更低，对环境的污染小，可节省能源。目前国内外采用的锻钢活塞中最受关注的是整体锻钢活塞，而整体锻钢活塞的研发利用则可代表当今背景下活塞发展的新思路与新方向。但锻钢材料活塞是一种新型活塞，在设计工艺、制造流程等方面与铝活塞有一定的区别。我国在锻钢活塞领域的研发力度仍不到位，也无锻钢活塞的设计标准，所以目前我国还不能独立批量生产锻钢活塞，而国外在这一领域的理论技术层面及加工生产层面已远远领先于我们。故早日研发出我国标志性知识产权的锻钢活塞已变得十分重要。 42CrMo钢属于超高强度合金调质钢，强度高、韧性高、经调质处理后具备抗多次冲击的能力，较高的疲劳极限数值，良好的低温冲击韧性。高温时具备高蠕变强度和高持久强度等优点。因为上述良好的机械性能以及较高的疲劳寿命，故广泛适用于制造强度较35CrMo钢或40Cr钢更高或断面较35CrMo钢或40Cr钢更大的锻件，如活塞芯、活塞杆、受载荷较大的连杆及弹簧夹、发动机的气缸等机械结构部件。其中活塞芯的主要成分为42CrMo钢，活塞杆采用42CrMo合金钢锻造制成，热处理后的活塞杆强度会提高，表面可经镀锌、镀镍等处理工艺进行装饰，以此可满足不同客户的产品要求。 38MnVS6属于微合金非调质钢，在其中加入了V元素，锻造或热轧处理后可获得相似调质钢的性能。微合金技术在20世纪60年代的发展在实质上为非调质钢的出现提供了技术理论支持。 我国的微合金化非调质钢领域开括于“六五”时期，但因为许多因素影响，20世纪90年代非调质钢的发展状况并不乐观。但21世纪科技水平和工艺的进步使非调质钢在汽车等行业应用十分广泛。38MnVS6非调质钢具有良好的耐久性和可加工性，多适用于生产汽车转向节与汽车发动机连杆。目前我国应用非调质钢零部件最多的是汽车发动机连杆，此部位消耗的非调质钢用量约占我国生产总量的50%。此种钢制造转向节可保证良好的切削性能且可省略调质处理工序，因此可缩短生产周期。同时一方面可提高一定量的经济效益，另一方面又可节约热处理能源，故可代替传统的40Cr钢制造汽车转向节。优良的产品性能指标也可满足锻钢活塞、汽车转向节的性能要求，这使得38MnVS6钢在汽车结构件的应用发展空间广阔。42CrMo和38MnVS6活塞热处理工艺参数材质热处理方式热处理设备工艺控制参数活塞硬度范围42CrMo淬火+回火淬火油槽冷却介质L-AN22机油入油温度850出油温度120介质温度60265335HB链式回火炉回火温度 63030回火时间 20020min38MnVS6控制冷却控制冷却通道锻件上线温度950冷却速度30120min锻件下线温度600250310HB 随着科学技术及工业水平的高速发展，构建不同材料而组成的复合结构将越来越受关注及广泛的应用。其中，异种金属材料的焊接研究将是科研的重点所在，这也具有很重要的理论和经济意义。 42CrMo钢因母材金属的含碳量高，合金元素所占成分也多，应用国际焊接学会计算的Ceq（碳当量）值为0.87%，导致了可焊接性较差。在焊接过程中，一部分的母材金属会熔化到焊缝金属中，从而导致了焊层金属含碳量的提高，该钢的结晶温度区间较大，偏析现象较严重，同时因化学元素硫的存在，焊接时易产生裂纹（如焊层金属中的热裂纹），焊接过程中需严格控制。42CrMo钢的淬硬倾向也较大。 对于熔点较高的钢母材金属而言，加热温度大于800的钎焊为高温钎焊。而真空钎焊是将结构件放置于真空状态下对其进行加热和保温，促使钎料在适宜的温度范围和时间范围内熔化,通过钎料的毛细作用与固态金属发生充分润湿、溶解、扩散，从而将工件焊接在一起的一种先进焊接方法。真空钎焊的突出优势是可连接异种金属、实现复杂结构件的同时焊接,同时因为是在真空环境下焊接，可有效避免空气对工件造成不利影响，焊接后的接头光滑致密、力学性能和抗腐蚀性能的表现优良。高温钎焊最常用的钎焊材料是钢和镍基合金，42CrMo/38MnVS6钢都属于合金钢且两种钢也适用于真空炉中钎焊，故42CrMo/38MnVS6钢可采用真空炉高温钎焊方法焊接。42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊时选择搭接接头的形式也是极为正确的。因为搭接接头是最常用的钎焊接头形式，此种接头通过增加接头的搭接面积可确保改变接头强度或承载能力，从低于母材变化为与母材相等甚至达到高于母材的数值。此外，搭接形式的接头装配过程较简单，既省时又省力。本试验采用42CrMo/38MnVS6钢搭接接头形式在TL1400管式真空钎焊炉中加热到1050、1100、1200三个温度的高温钎焊的焊接方法。真空炉中高温钎焊可精准的控制焊接温度、保证均匀加热、焊接变形小、可最大程度的保证焊件尺寸的精度，钎焊质量好。高温钎焊过程中的被焊件表面的平整度、所选择的钎焊温度和保温时间等工艺参数都会影响钎料的流动效果，也会决定钎料和母材之间相互的冶金反应。故准确的控制这些焊接参数可获得力学性能优秀的高温钎焊焊接接头。高温钎焊不适用钎剂，所以为达到钎剂的防止金属表面氧化、钎料对母材实施润湿作用的目的，在真空下环境保证气氛纯度可与高温钎焊配合使用。 高温钎焊得钎缝是由熔化的液态钎料凝固后连接形成的，这也导致了钎焊接头的性能一定程度上由钎料的性能决定。本课题的高温钎焊是采用镍基（BNi82CrSiB）钎料，此种钎料为硬钎料。镍基钎料具备良好的高温性能。高温钎焊时将焊件和钎料加热到1050、1100、1200三个熔化温度，利用BNi82CrSiB钎料良好的润湿性和毛细作用在钎缝间流动而润湿母材，填充接头的间隙，钎料和母材相互扩散，实现连接焊件的目的。BNi82CrSiB钎料是应用最广泛的镍基钎料，其中Ni元素含量最多，钎料中还加入了碳、硼、硅、铬、铁等元素。碳可以降低镍的熔点，但添加量不能过多，否则会增加钎料对金属的溶蚀倾向。硅、硼的含量应分别控制在6%和4%以下，可避免其与镍作用生成金属间化合物或固溶体，防止接头变脆。硅、硼除了可降低镍的熔点，还可改善钎料的润湿性。铬是BNi82CrSiB钎料的主要添加元素，对镍具有固溶强化的作用。少量铁的存在可增加钎料的强度。BNi82CrSiB钎料钎焊的接头表面光滑平整、具有较高的高温强度、气密性好、形状和尺寸也稳定，焊件的组织和性能的变化不大，可连接相同或不相同的金属及部分非金属。钎焊前应在焊件表面上预置BNi82CrSiB钎料，钎焊时，还可采用对工件进行整体加热，一次可焊完多条焊缝，能提高生产效率，且钎焊对工件表面清洁度要求较高，若待焊件表面被油脂、氧化物、灰尘等杂物覆盖时，液态钎料在母材表面的铺展和填充过程会被影响，钎焊前务必清除完全，故焊前准备工作较复杂。 由于钎焊的以上特点，钎焊不适用于焊接一般的钢结构和重载、动载机件，主要用于制造精密仪表、电气零部结构件、异种金属结构件以及复杂的薄板结构。故钎焊在机械加工、电动机制造、仪表的制造、无线电等领域都已得到了广泛的应用。具体可用于制造硬质合金刀具、钻探钻头、自行车车架、换热器、导管以及各类容器等；在微波传导、电子管和电子真空器件的制造方法中，钎焊甚至是唯一可选择应用的焊接方法。因为钎焊具有精确度高、生产效率高等特点，对于尺寸微小、结构复杂、要求精密的零部件，在生产工艺中可优先考虑选择钎焊方法进行焊接。高温钎焊技术广泛应用于飞机、火箭、喷气机发动机、涡轮叶片、核能技术和核反应堆等军事加工领域。当制造尺寸要求严格，加工难度大的结构件时，高温钎焊具有不可替代的作用。 该课题的研究可帮助我们进一步了解42CrMo/38MnVS6钢的焊接性、高温钎焊的基本原理以及分析两种钢高温钎焊的焊接接头组织与性能所发生的变化、同时可学习了解高温钎焊真空炉设备的结构及使用方法。通过此课题的研究，两种钢材在汽车零部件及其他机械构件的应用前景将更加广阔。也可为后续此类相关课题研究奠定理论基础，提供研究方向与研究方法。1.2 研究现状1.2.1 国外研究现状 国外在上个世纪80年代后期就开始以高温钎焊代替电镀工艺，并取得了良好的效果，且已有成果已被应用。德国的A Trenker等人在高温钎焊的过程中分别采用了活性钎料和Ni基钎料以实现金刚石与基体的结合，同时将其与电镀工具进行了对比，发现高温钎焊金刚石工具比电镀金刚石工具的性能优异许多；瑞士的A K Chattopadhyay等人则用Ni-Cr合金作为钎料，在1080温度、氩气保护等条件下感应钎焊30s来实现金刚石与钢基体的结合；国外的学者在一些新型的钎焊方法如轻合金特殊钎料、陶瓷钎焊、纳米复合钎料等特殊的钎焊工艺方面也颇有成就。乌克兰巴顿电焊研究所研究成功出一种以K2SiF6为基的钎剂，达到了只使用该钎剂而不使用钎料就可完成合金钎焊连接的目的；法国研究者通过在真空或中性的气氛下成功钎焊出世界上最大的以SiC陶瓷为基的望远镜的赫歇尔反射镜面；德国亚琛大学研究了大量氧化物改性钎料的性能，发现钎焊接头抗拉强度与钎焊成分和钎焊的温度有关；美国肯塔基州大学开展了关于纳米复合钎料的研究，将在1350度温度并在炉中钎焊的不加入纳米材料和加入纳米材料的钎料进行了对比，发现纳米复合钎料的熔点相对较低，同时更容易铺展；德国多特蒙德大学采用有限元模型对硬质合金/钢钎焊接头应力-应变进行了模拟，结果显示出钎料层较厚时，接头压应力较小，厚钎层具有较大的塑性变形的能力，钎焊时应优先选择；美国的M.Singh、R.Asthana等人采用先进的钎焊技术焊接集成连接了ZrB2基超高温陶瓷复合材料，研究表明对于接头组件（在研究中0.51厘米总厚度），向ZS加入钛或镍相对于金属基底要降低近3343%热阻，使用这样的接头的先进组件可提高散热能力；美国的K.M.Erskine、A.M.Meier、S.M.Pilgrim等人对钙钛矿陶瓷与银/铜氧化物钎焊合金进行的钎焊研究试验，结果表明 使用Ag/CuO合金，在1050和1100的空气中可成功钎焊铌酸镁（PMN）。对于所有测试的钎焊工件，断裂强度相对恒定，在银/ PMN界面处没有观察到显著的反应产物层，并且钎焊合金中间层的存在仅略微改变了PMN的电性能；德国MAHLE公司生产的Ferrocomp活塞（钢/钢组合活塞）是由锻钢头与锻钢裙组合而成。活塞头部为锻钢制成，材料采用的是42CrMo4钢,经过淬火和回火处理，而活塞裙材料为38MnVS6钢。这种活塞虽然具有可承受较高的峰值气缸压力、冷却效率也较高等优点，但繁杂的螺栓装配工艺导致了沉孔座过渡圆角周围表面应力集中严重，这会降低活塞寿命。与之不同的是，MONOTHERM活塞由整块锻件构成，承受的气缸压力更大、重量更轻、高度更低、导向性能优秀、高强度，最重要的是使用寿命更长。故MONOTHERM活塞已开始批量生产与应用。1.2.2 国内研究现状 虽然目前国内在研究能力与技术水平方面仍与国外存在着一定的差距，但近年正在加大研发力度，努力加速发展。第四军医大学采用真空炉内高温钎焊的方法，以NiCr13P9合金作为钎料，配以少量的Cr粉，在950度高温加压条件下进行了钎焊，从而实现了金刚石与钢基体间的牢固结合。黄晓英等人则采用真空钎焊方法对3003铝合金和4045铝合金复合板进行了有效连接且研究认为元素扩散的快慢是影响接头强度的决定性因素。北京航空航天大学、北京大学提出了一种适用于铝及铝与其他金属的异种接头钎焊的钎料和钎剂；这种钎料及钎剂搭配具有优良的钎料活性、抗腐蚀性和工艺性，已达到或超过了世界的一流水平。北京航空制造工程研究院的张胜等人对K403合金采用了新型的镍基钎料3P1而进行了真空钎焊，焊接后得到了与基体的组织相类似的钎焊接头，之后分析了接头的微观组织以及其连接机制，对接头高温下的力学性能也进行了测试，测试结果显示接头的高温力学性能良好，1000下的高温拉伸强度可以达到基体强度的90%，而高温持久强度则可以达到基体强度的70%以上。山东大学的宋树峰等人模仿参考了国内外活塞设计的流程，对自主知识产权的锻钢活塞的设计开发展开了研究并通过试验验证了所设计的锻钢（42CrMo钢可做为其中一种制造材料）活塞可通过疲劳强度测试、可靠性分析等试验，同时可满足发动机的性能要求。内蒙古科技大学的峰山等人对42CrMO钢的硬度和耐磨性能进行了研究，结果显示随着合金元素Mo、Nb配比的增加，试样的硬度随之增加，磨损率值减小，耐磨性提高。济南第二机床集团有限公司的冯焕公、高海涛等人对42CrMo高强钢的焊接工艺进行了研究，研究发现42CrMo中碳调质高强钢若采用V型坡口和CO2混合气体保护焊等焊接工艺就可获得满足机械性能的焊接接头。上海机械制造研究所的王志明、陈德华等人研究过锻造工艺可对非调质钢38MnVS6的微观组织及力学性能造成的影响，试验结果证明锻造工艺的终锻温度会导致38MnVS6钢晶粒度的大小发生变化，影响力学性能；当加热到1050以上时，38MnVS6钢中的微合金元素就能全部溶于奥氏体中，发挥弥散强化作用；终锻温度不变的情况下，增加冷却速度可提高硬度与强度；细小的铁素体晶粒采用弥散分布的方式有利于提高材料的塑性。安徽工程大学的姚宏山、张建国等人研究造成38MnVS6汽车转向节杆部冲击韧性偏低的原因,发现了晶粒度偏大且晶粒不均匀是引起冲击韧性偏低的一个原因。国内的刘栋林、谭利等人研究的是38MnVS6非调质钢在汽车转向节上的应用，研究表明采用38MnVS6非调质钢制造转向节是十分合适的。东北大学的邢萍等人研究了氮元素含量对非调质钢38MnVS6的组织及性能的影响，结果显示氮含量的增加会造成38MnVS6钢的强度先降低而后升高，室温条件下冲击韧性会先升高再降低；氮含量增加会使铁素体含量上升和细化组织，从而起到显著有效的韧性改善功能。1.3 课题主要研究内容 高温钎焊技术具备焊接温度高、焊接温度加热均匀、变形小、焊接接头性能优良等优点，故本文论述了42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊后的组织及性能研究的成果及影响。具体研究内容如下：（1）选取3组异质的42CrMo/38MnVS6钢为母材，采用三个不同的焊接温度，通过对比分析三个不同温度下的焊接接头的组织及性能差异，寻求最佳的焊接工艺和焊接接头。（2）选用合适的焊接钎料，探寻高温钎焊焊接工艺连接42CrMo/38MnVS6钢的工艺特性及规律。（3）42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊接头的微观组织成分研究及界面行为分析。（4）42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊接头的力学性能的研究。第二章 试验材料及设备2.1 试验材料 试验所用的材料为北京海纳川汽车部件股份有限公司提供的2mm厚的42CrMo/38MnVS6钢，两种材料的各种化学元素含量如表2.1和表2.2所示，42CrMo钢力学性能见表2.3，38MnVS6钢力学性能见表2.4表2.1 42CrMo钢的化学成分（%）Tab.2.1 The chemical composition of 42CrMo Steel C Si Mn P S Cr Mo Fe0.380.45 0.200.40 0.500.80 0.035 0.040 0.901.20 0.150.25 余量表2.2 38MnVS6钢化学成分（%）Tab.2.2 The chemical composition of 38MnVS6 Steel C Si Mn S P V N Fe0.370.41 0.150.80 1.21.6 0.020.06 0.025 0.080.20 0.010.02 余量表2.3 42CrMo钢力学性能Tab.2.3 The mechanical properties of 42CrMo Steel抗拉强度b/MPa 屈服强度s/MPa 伸长率(%) 断面收缩率(%) 硬度1080（110） 930（95） 12 45 217HB表2.4 38MnVS6钢力学性能Tab.2.3 The mechanical properties of 38MnVS6 Steel抗拉强度b/MPa 屈服强度s/MPa 伸长率(%) 断面收缩率(%) 硬度 810 555 23.0 50.0 257HB利用Scope Axio ZEISS金相显微镜拍摄的42CrMo/38MnVS6钢的微观组织照片如图2.1、2.2所示。由图2.1可知，42CrMo钢组织为图中黑色的经调质处理后保持马氏体位向的回火索氏体和白色相的铁素体组成。由图2.2可知，38MnVS6钢组织由图中相互夹杂的白色无规则形状相和和黑色块状相组成，白色相是铁素体，黑色相是珠光体。 42CrMo钢 38MnVS6钢 图2.1 42CrMo钢显微组织 图2.2 38MnVS6钢显微组织Figure 2.1 Microstructure of 42CrMo steel Figure 2.2 Microstructure of 38MnVS6 steel 本文利用高温钎焊搭接接头的方法焊接42CrMo/38MnVS6钢，两板之间放置钎料焊接，钎料型号是国家标准GB 10859-1989规定的BNi82CrSiB钎料,其化学成分如表2.4所示表2.5 BNi82CrSiB钎料化学成分及熔化温度Table 2.5 The Chemical composition and melting temperarure of BNi82CrSiB brazing filler metalCr B Si Fe C S P Ni TS TL6-8 2.75-3.5 4-5 2.5-3.5 0.06 0.02 0.02 余量 970 1000 2.2 试样制备和试验设备2.2.1 高温钎焊试验 试验方法：焊前第一步工序是下料，用线切割机切割下料，切取的试样尺寸为25mm22mm2mm。线切割可以确保搭接焊缝紧密结合，有利于得到良好的焊接效果。由于高温钎焊对焊件表面要求较高，焊前需进行42CrMo/38MnVS6钢表面清洁度的严格处理。用丙酮清洗焊件表面油污，之后用#240、#320、#500、#800、#1200砂纸对工件表面及四周进行精细打磨，以到达去除表面铁锈、毛刺、氧化膜、保证表面及四周平整光滑的目的。处理完成后，用无水乙醇再次清洗表面，之后用塑封袋存放焊件，防止表面变脏及氧化。焊接前，在两板搭接接头间预放置粉末状的BNi82CrSiB钎料，随后在真空炉中完成高温钎焊。在确定10min的保温时间前提下，改变钎焊温度，获得1050、1100、1200三种不同焊接温度下的焊接接头，研究分析不同温度下的接头的微观组织、硬度的变化。 试验设备：试验所用的设备为南京博蕴通仪器科技有限公司生产的TL1400管式真空钎焊炉，此设备由TL1400管式加热炉和高真空分子泵组构成，该设备具有快速升温、降温的功能，电源电压为220V。当电炉温度超过1200或热电偶烧断时，设备会启动过温保护或断偶保护功能，主电路的交流继电器会自动断开，主电路断开，面板的ON灯熄灭，OFF灯变亮，起到保护电炉的作用。此外还具备断电保护，断电后再启动时，程序会从断电炉温开始升温。TL1400管式真空钎焊炉如图2.5所示 图2.3TL1400管式真空钎焊炉Figure 2.5TL1400 tube type vacuum brazing furnace2.2.2 金相试验 试验方法：焊件高温钎焊后在炉中保温10min，利用DK7750型线切割机在垂直于焊缝(接头）方向切取金相试样。由于试样尺寸较小，为方便抛光及打磨，保证观察显微组织时表面平整，易于观察，切割后的试样需进行镶嵌，镶嵌过程在如图2.9所示的实验室的金相镶嵌机上完成。每次镶嵌一个工件，镶嵌时间为20s，镶嵌的温度为140，旋转右侧把手加压至压力灯亮起即可。镶嵌后的试样经#240、#320、#500、#800、#1200金相砂纸打磨平整无划痕后进行抛光。打磨时，必须依次按照不同强度的砂纸由大到小的顺序打磨。最终做到将试样表面划痕磨掉，之后在抛光机上进行抛光。抛光布为尼绒布，抛光过程中可用1.5 、3.5 金刚石研磨膏去除划痕，将焊缝位置处表面抛光至镜面般光亮无划痕即合格。抛光结束后，用清水冲洗干净表面，用吹风机吹干之后用棉签蘸取少量无水乙醇擦拭清理表面 ，再次用吹风机吹干。组织观察：先用4%硝酸酒精溶液对42CrMo/38MnVS6钢进行腐蚀，腐蚀时间为3-6秒。之后钎缝区域用氢氟酸：硝酸：盐酸=3:3:5的容量比配置15mL氢氟酸+15mL硝酸+25mL盐酸共55mL的混合酸腐蚀液进行腐蚀，腐蚀时间是30秒。腐蚀完成后立即用清水进行洗涤，吹风机吹干，之后用无水乙醇清理试样表面，吹风机吹干。在光学显微镜（如图2.9所示）下观察微观组织。 试验设备：DK7750型线切割机如图2.4所示，金相镶嵌机如图2.5所示 ，金相光学显微镜如图2.6所示，体视显微镜如图2.7所示。图2.4 DK7750型线切割机Figure 2.4 DK7750 line cutting machine图2.5 金相镶嵌机Figure 2.5 Metallic mosaic machine 图2.6金相显微镜 图2.7体式显微镜Figure 2.6 metallographic microscope Figure 2.7 Stereomicroscop2.2.3 显微硬度试验 试验方法：硬度是材料重要的力学性能指标，代表材料抵抗外界压力的能力强弱。金相试样观察完微观组织后就可做硬度试验。硬度试验要求试样表面必须平整，否则测量的硬度数值不准确。若表面污染严重，还需重新抛光腐蚀表面。使用MH-5型维氏硬度仪测量钎缝附近区域及两种母材的硬度值并记录下来。测量方向为从42CrMo钢一侧开始，经过母材、扩散区、钎缝界面区、钎缝中心区，再测量38MnVS6钢一侧的四个区域。测量点间隔距离为0.15mm，加载载荷1kg，加载时间5s。 试验设备：MH-5维氏硬度仪，如图2.8所示。图2.8 MH-5维氏硬度仪Figure 2.8 MH-5 Vivtorinox hardness tester2.2.4 扫描电镜试验 试验方法：金相试验所使用的的金相试样就可用于扫描电镜试验。不同于光学显微镜，电子显微镜观察的试样景深更大、放大倍数更大、图像更有立体感，更便于观察接头各区域分布、组织组成与相组成，观察的结果也更清晰具体。用于扫描的试样的抛光与腐蚀要求与金相试验相同，试样高度不可超过 1cm，防止观察时划伤镜头。 试验设备：S3400-N型扫描电子显微镜，如图2.9所示。图2.9 S3400-N型扫描电子显微镜Figure 2.9 S3400-N scanning electron microscope2.2.5 物相分析试验 试验方法：在三组金相试样中选取一组性能及微观组织良好的试样，使用X射线衍射仪做广角XRD扫描试验，采用激光打点的方式确定扫描区域，检测并获得试样晶像特征衍射峰图，通过应用Jade和Origin软件，对比查询PDF卡片，判断并确认试样晶像的成分。 试验设备：XPert3PowerX射线衍射仪，设备如图2.10所示。图2.10 XPert3PowerX射线衍射仪Fig. 2.10 XPert3PowerX-ray diffractometer第三章 42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊异种接头组织及性能3.1 42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊异种接头组织 42CrMo/38MnVS6钢因镍基钎料良好的润湿性和毛细作用在钎缝间流动而润湿母材，填充接头的间隙，钎料和母材相互扩散，焊接完成后在炉中保温10min，冷却后形成焊接接头，从而实现两种钢的连接。两种母材与填充焊缝的镍基钎料的化学成分均不相同，焊接后形成的焊接接头的组织也变得复杂。图3.1为42CrMo/38MnVS6钢在TL1400管式真空钎焊炉中采用BNi82CrSiB钎料，在1200高温钎焊的条件下，得到的工件接头表面形貌。由图可知接头成形美观，接头为高温钎焊搭接接头。焊接接头由钎缝中心区、扩散区、钎缝界面区、母材四部分组成。42CrMo/38MnVS6钢高温钎焊搭接焊接过程中，BNi82CrSiB钎料与高温下局部熔化的42CrMo/38MnVS6钢母材相互混合，然后经润湿后铺展在下端母材表面上，经冷却后形成焊接接头。图3.1 接头表面形貌（T=1200）Figure 3.1 Surface morphology of weld joint；(T = 1200) 图3.2为高温钎焊焊缝区域的微观组织。由图可知高温钎焊焊缝两侧附近区域存在大量的黑色针状马氏体，这是由于42CrMo/38MnVS6钢在高温钎焊过程中会大量向钎缝中心区扩散。在1200高温作用下，因两侧母材熔点比镍基钎料高，故钎料会发生熔化，钎料中的活跃元素硼会迅速向母材扩散，同时母材也会向钎料溶解，造成靠近钎缝的母材含硼较多并向钎缝溶解，钎缝中硼含量会随之提高，冷却凝固后钎缝处也会形成化合物相。钎缝中心区内的组织组成及形态与周围区域组织形成鲜明的对比。焊缝中的相由镍、铁、铬等元素组合而成。图3.2高温钎焊焊缝区域的微观组织。（T=1200）Fig 3.2 microstructure of the high temperature brazed weld area. 图3.3 42CrMo钢一侧的钎缝及附近的微观组织（钎缝及上侧区域）Figure 3.3 42CrMo steel side of the brazing seam and the nearby microstructure (brazing seam and the upper area) 由图（a）可知42CrMo钢由经调质处理后的保持马氏体位向的回火索氏体组成；图（b）为镍基钎料向42CrMo钢扩散。因为镍基钎料熔点小于42CrMo钢熔点，在高焊接温度的影响下，焊接过程中钎料会熔化为液态并向42CrMo钢一侧流动扩散。图中钎缝界面区下侧有明显的白色无规则形状的钎料向42CrMo钢扩散。图（c）为42CrMo钢向钎缝中心区扩散并与钎料结合，在图中可看出明显的分界线，分界线上侧为钎缝界面区，分界线下侧为扩散区。在这个区域会发生母材向钎缝溶解，故在此区域会看到存在大量针状马氏体，白色小块状状组织为残留的铁素体，这是因为部分母材与钎料溶解并冷却后形成的。 图3.3（a）母材 图3.3（b）扩散区Fig 3.3(a) Base material diagram Fig 3.3(b) Diffusion zone图3.3（c）钎缝界面区Fig 3.3(c) Brazing interface area图3.3 38MnVS6钢一侧的钎缝及附近的微观组织（钎缝及下侧区域）Figure 3.3 38MnVS6 steel side of the brazing seam and the nearby microstructure (brazing seam and the upper area) 由图（a）可知38MnVS6钢在1200高温条件下已无明显的珠光体和铁素体组织形态，取而代之的是黑色的回火索氏体的生成并存在部分残留的白色铁素体相。图（b）为镍基钎料向38MnVS6钢扩散。和42CrMo钢相同原理，因为镍基钎料熔点小于38MnVS6钢熔点，在高焊接温度的影响下，焊接过程中钎料会熔化为液态并向38MnVS6钢一侧流动扩散。图中钎缝上侧有明显的白色无规则形状的钎料向38MnVS6钢扩散，图（c）为38MnVS6钢向钎缝中心区扩散并与钎料结合。在图中也可看出明显的因钎料沿着钎缝界面区与扩散区分界处流动而形成的分界线，这个分界线以内是钎缝界面区。分界线下侧为扩散区，扩散区下侧为38MnVS6钢。在这个区域会发生母材向钎缝中心区扩散，故在此区域同42CrMo钢一侧的钎缝界面区一样会看到存在少量黑色的针状马氏体，白色小块状状组织为残留的铁素体。 图3.4（a）母材 图3.4（b）扩散区Fig (a) Base material diagram Fig (b) Diffusion zone图3.4（c）钎缝界面区Fig 3.3(c) Brazing interface area图3.5为42CrMo钢XRD扫描分析根据图3.5可分析出42CrMo钢中的主要相组成为铁、铬、铁铬化合物三种相，这与42CrMo钢的化学成分含量相符。同时铁与铬的不同组成方式及含量的差异可组合成几种不同类型的铁铬化合物相。图3.6为38MnVS6钢XRD扫描分析图3.7为钎焊中心区XRD扫描分析根据图3.7可分析出钎缝中心区的主要相组成为碳、铁镍化合物、铁铬化合物、镍铬铁化合物四种相，钎缝中心区内还存在着少量的镍硅化合物、铬硅化合物相。这说明在焊接过程中母材及钎料中的主要相之间发生了反应生成了新化合物相。钎料因高温熔化后会流动与扩散，同时母材也会向钎缝溶解，故钎料中的镍会和母材中的铁和铬结合，从而在钎缝中心区生成新的铁镍和铁镍铬化合物相。图3.8为钎焊界面区XRD扫描分析根据图3.8可分析出钎缝界面区的主要相组成为铁、铁镍化合物、镍铬铁化合物、铁铬化合物四种相，界面区内同样还存在着少量的镍硅化合物相、锰硅化合物相。形成原理与钎缝中心区相同，母材和钎料会发生相互作用，扩散与溶解后生成了新