第11章 工具钢、钛合金及难熔合金的钎焊

钎焊SolderingandBrazing第11章工具钢、钛合金及难熔合金钎焊制作者：制作：第11章工具钢、钛合金及难熔合金钎焊本章主要内容：11.1工具钢钎焊11.1.1材料分类及钎焊需求

11.1.2钎焊特点 11.1.3钎焊材料 11.1.4钎焊工艺 11.2钛及钛合金钎焊11.2.1钎焊特点 11.2.2钎焊材料11.2.3钎焊工艺 11.2.4钛合金异种材料钎焊 11.3难熔金属钎焊11.3.1难熔金属概述与特点11.3.2钎焊材料及工艺

11.4本章小结

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊1材料分类及钎焊需求核心特性：高碳含量及多种类合金元素带来高硬度、高耐磨性固有局限：脆性大，导致难以承受复杂载荷（压缩弯曲、冲击和交变载荷）因此工具钢在实际生产中常将工具钢制成小型镶嵌件，并通过钎焊方式将其牢固连接至强韧钢制成的工具基体上。碳素工具钢是高碳钢，其硬度取决于含碳量。碳素工具钢01通常含质量分数为百分之几的合金元素，如Cr、Mn、Ni等，某些钢中合金元素质量分数可高达12-14%合金工具钢02主要分为W系高速钢，代表钢号为W18Cr4V；Mo系高速钢，含钼高于8wt.%，不含W或含W不超过2wt.%，代表钢号为M1；W-Mo系高速钢，介于W系和Mo系之间，代表钢号为M2。高速工具钢03工具钢制作刀具及量具11.1工具钢钎焊工具钢的线膨胀系数与普通钢差别大钎焊是将工具钢牢固连接到钢基体上应用最广泛、最成功的方法之一保证组织及性能不受钎焊过程影响高速钢W18Cr4V的淬火温度为1206~1280℃；W9Mo5Cr4V2的淬火温度为1240~1260℃钎焊温度和淬火温度相适应，可得到切削时最大的硬度和耐磨性。钎焊后冷却产生很大应力，易导致裂纹的产生。需采取一定措施减少钎焊应力，如降低钎焊温度、钎焊前预热、焊后缓冷、选用塑性好的钎料等措施。DC53钢真空钎焊接头界面组织高速钢W18Cr4V工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊2钎焊特点

11.1工具钢钎焊黄铜基钎料银基钎料具有良好的强度和塑性，且熔点较低，钎焊接头产生的热应力较小。B-Ag50CuZnCdNi钎料对工具钢有优良的润湿性，另外，其强度及耐热性也高，钎焊接头具有良好的综合性能。黄铜中加入Mn，不仅可提高钎料的强度，还可改善对工具钢的润湿性，使钎焊接头强度得到很大提高。近年来，国内研制的801号、841号铜基钎料以及B-Cu60ZnMn钎料的应用比较广泛。B-Cu60Zn钎料适用于钎焊承受中、小冲击吸收功的工具钢。Ag基钎料主要组成为锰铁及硼砂，硼砂起钎剂作用。熔化温度一般为1250℃左右，与工具钢的热处理温度相近，接头抗剪强度约为100MPa。但这类钎料的收缩大，焊后容易出现裂纹。锰铁型钎料含Ni、Fe、Mn和Si的特殊铜合金熔点与锰铁大致相同，约为1220~1280℃。由于这类合金的收缩量比锰铁减小2/3左右，钎焊后不易产生裂纹，接头的抗剪强度可提高到300MPa以上。工具钢的钎焊常用铜基及银基钎料等，为提高钎焊接头强度及润湿性，常添加Mn、Ni、Fe等元素，钎料及相配的钎剂如下表所示钎焊工具钢时钎料、钎剂的选用工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊3钎焊材料

11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊淬火处理钎焊方法钎焊后冷却火焰钎焊

设备简单，适用于小批量生产感应钎焊、炉中钎焊及电阻钎焊生产率高，质量稳定保护气氛炉中钎焊避免钎焊时发生氧化浸渍钎焊用于钻探工具的生产，也是一种效率高，易于掌握的方法4钎焊工艺

11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4钎焊工艺

钎焊方法淬火处理钎焊后冷却工具钢的淬火处理温度一般要高于常规银基钎料的钎焊温度。因此，通常在钎焊前进行淬火，并在二次回火的处理中或处理后进行钎焊。如果必须在钎焊后进行淬火，就不能选用铜基或银基钎料。钎焊工具钢时用焦炭炉比较合适，钎焊过程中，当钎料熔化后，取出刀具，立即加压，以挤出多余钎料，再进行油淬，然后在550~570℃回火。11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4钎焊工艺

润湿性差石墨的氧化接头应力大工具钢钎焊后必须使焊件在空气中缓慢冷却，可消除接头中的应力，减少工具钢接头开裂的风险。将焊件焊后立即放到200℃左右的炉中；插入如草木灰等保温介质中，让其缓慢冷却至接近室温后取出；也可以锤击钎焊接头的反面，使应力得到一定程度的释放。11.1工具钢钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.1工具钢钎焊4钎焊工艺

润湿性差石墨的氧化接头应力大工具钢钎焊后必须使焊件在空气中缓慢冷却，可消除接头中的应力，减少工具钢接头开裂的风险。将焊件焊后立即放到200℃左右的炉中；插入如草木灰等保温介质中，让其缓慢冷却至接近室温后取出；也可以锤击钎焊接头的反面，使应力得到一定程度的释放。T<882.5℃882.5℃<T<1668℃β-Ti（TB），体心立方晶格组织稳定、耐蚀性好、易钎焊具有良好综合性能热稳定性差，重金属合金元素多，易化学偏析α-Ti(TA)，密排六方晶格α+β钛合金中两相共存10.1016/j.jmst.2022.04.052Ti-10V-2Fe-3Al铸态合金显微组织结构工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.1工具钢钎焊4钎焊工艺

表面氧化物稳定由于高活性，钛及钛合金具有强烈氧化倾向，表面氧化膜坚韧稳定，保持钎焊质量需在整个钎焊过程中充分去除氧化膜。强烈的吸气倾向钛及其合金在加热过程中会吸收氧、氢和氮。吸气后合金的塑性、韧性急剧下降，所以钎焊必须在真空或干燥的惰性气氛保护下进行。组织和性能变化纯钛和α型钛合金不能进行热处理强化，因此钎焊工序对它们的性能影响很小。但当加热温度接近或超过α→β(或α+β→β)转变温度时，β相的晶粒尺寸会急剧长大，随后在较快的冷却速度下形成针状α′相，使钛的塑性下降。退火状态的β型钛合金组织和性能受钎焊温度的影响很小。脆性化合物钛可与大多数钎料发生合金化反应，这有利于钎料在基体上的润湿铺展，但也会产生过合金化现象，导致强烈的溶蚀或在接头中形成脆性金属间化合物弱化接头力学性能。工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊1钎焊特点

Ti6Al4V合金表面多区域生成不同孔隙率的阳极氧化膜TiAl二元相图及多种TiAl金属间化合物原子排列10.1557/JMR.1990.1662工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

软钎料：少用，特殊场合采用锡铅钎料、镉基钎料和锌基钎料。硬钎料：银基钎料纯Ag:14.5wt%固溶度，韧性的TiAg、Ti3Ag等IMC，与Ti的CTE不匹配，易产生裂纹、耐蚀性和抗氧化性差。Ag-Cu:Cu含量升高导致钎料润湿性变差，可再加入0.2~0.5wt.%Li改善。Ag-Li:低熔点，自钎剂，钛表面氧化物氮化物易于去除（得益于Li的强还原作用）。Ag-Cu-Ni:易形成IMC使接头性能降低，但加入Ni和Li可改善接头强度和韧性。Ag28Cu钎焊不同钛合金的接头显微组织a）Ti-CP2b）Ti-CP4c）Ti64d）Ti6242银基钎料具有合适的熔点，钎缝有良好塑性；缺点是对氯离子敏感，接头抗腐蚀性差，高温力学性能差。11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

2.钯基钎料Pd与多种金属高度互溶，润湿性极佳，接头高温强度好典型牌号有Pd-60Mn-10Co,Pd-50Ni-10Co3.铝基钎料主要体系有纯Al、Al-Mn系、Al-Mg系、Al-Si系有时要求需保持钛合金固溶时效热处理性能，因此钎焊温度低于/稍高于时效温度，且要求保温时间短Al-9Si-3Cu-Mg钎料超声辅助钎焊TC4合金钎焊接头Muhrat,A.,&Barbosa,J.(2021).Ultrasonic-AssistedBrazingofTitaniumJointsUsingModifiedAl-Si-CuBasedFillers:BrazingatLiquid—SemiSolidStatesunderLoad.Metals2021,11,1968.工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊可加入降低熔点元素（Cu,Ni,Zr,Be（效果显著））接头强度高、耐蚀性、耐热性好，在盐雾、硝酸、硫酸中表现优良缺点为易导致基体溶蚀和形成脆性扩散层，不适用于薄壁结构。5.非晶态钎料11.2钛及钛合金的钎焊2钎焊材料

熔点840~900℃，低于β转变温度组织均匀，润湿/流动性好，接头质量高，韧性好可预制成型（厚度仅30-50μm，常规钎料无法比拟）4.钛基钎料TC4钎焊接头（Ti-Zr-Cu-Ni非晶钎料）10.1016/j.jallcom.2020.156650工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊核心工艺要求：焊前清理气氛保护加热控制目的：彻底脱脂与去除氧化膜，创造洁净表面。方法：喷砂处理（机械法）HNO3+HCl溶液清洗（化学法）目的：防止氧化、吸氢、吸氮。环境：氩气真空：真空标准理论最低13.3Pa，生产要求133MPa。目的：优化微观组织策略：快速加热（高频、炉中）+短时保温效果：减薄界面化合物层提升接头性能保证钎料流满间隙11.2钛及钛合金的钎焊3钎焊工艺

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊钛合金与铝钎焊：核心价值：实现轻量化与高性能结合，降低成本。在航空航天、船舶制造及汽车工业领域广泛应用。主要挑战：理化性质差异大，残余应力高。易生成大量脆性Ti-Al金属间化合物典型钎料与性能：真空钎焊（600~620℃）Al-Ag-Cu：钛测形成TiAl3相和少量Ag2Al相；Al-Cu-Sn：形成TiAl3相和少量CuAl2相

Al-Si-Mg：形成Ti₇Al₅Si₁₂相，强度可达70MPa。炉内钎焊（530℃）Al-Si-Cu-Ge-RE(La,Pr)：稀土元素降低熔点，促进反应，强度51MPa。11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊Ti6Al4V与17-4不锈钢钎焊接头（钎料为BNi2）10.1016/j.jajp.2024.1002152.钛合金与不锈钢钎焊：主要挑战：高温下钛吸气、不锈钢和焊缝易氧化。钛与Fe、Cr、Ni等易形成TiC、TiCr、TiNi等脆性相。典型钎料与工艺：真空/氩气保护BNi7钎料润湿性最好，高Ni含量抑制β相长大，提升性能。大气条件使用添加LiF的CuCl/AgCl钎剂，可大幅提高润湿性和接头性能。3.钛合金与铜钎焊：典型钎焊例子：AgCu28钎料真空钎焊TC4钛合金与QCr0.8铬青铜接头界面组织由Ag/Cu固溶体和CuTi金属间化合物组成。强度随温度先增后降，存在最佳参数（如890℃/10min，强度449MPa）。Ti-Ni-Zr-Cu钎料钎焊薄壁TC4与TU2无氧铜良好润湿性及较高的焊接强度。母材内Ti易固溶在钎料内，可在钛合金侧镀镍(10-20μm)，有效阻隔Ti固溶。TiNiZrCu钎焊薄壁钛合金与无氧铜的接头宏观形貌及接头显微组织先进工艺-熔钎焊：热源偏向低熔点一侧，低熔点一侧为熔化焊，高熔点测为钎焊，该法可控制钛熔化量，减少Ti-Cu脆性相，提高接头力学性能。11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊11.2钛及钛合金的钎焊4钛合金异种材料钎焊

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊4.钛合金与陶瓷钎焊：核心价值：结合陶瓷的耐高温/耐腐蚀与金属的强韧性主要挑战：冶金不相容：陶瓷难以被钎料润湿物性不匹配：热膨胀系数差异导致巨大热应力解决方案：陶瓷表面预金属化或使用含活性元素(Ti)的钎料添加低膨胀增强相、使用中间层、优化接头设计典型钎料：Ag-Cu-Ti、Ag-Ti系活性钎料Ag-Cu-Ti在850-1000℃内润湿性良好，高于1000℃润湿性减弱TC4/AgCuTi/LAS复合材料钎焊接头10.1016/j.matdes.2015.08.00511.3难熔金属钎焊1难熔金属概述与特点

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊常见难熔金属有钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铌(Nb)，其熔点极高，具有强烈的亲氧性，在自然界中常以氧化物或含氧酸盐的形式存在。1.钨(W)的关键特性：氧化行为：400℃以下按抛物线速率氧化；超过1100℃，按线性速率氧化，且WO₃会升华。耐酸不耐碱：与大多数酸不反应，能溶于HF+HNO₃热混合酸；在熔融碱性溶液(NaOH、Na2O3)中被腐蚀。2.钼(Mo)的关键特性：氧化行为：在含水蒸气的气氛中，250℃即开始氧化。氧化膜(MoO₂,MoO₃)可在800℃氢气中还原或500℃真空中蒸发去除。11.3难熔金属钎焊1难熔金属概述与特点

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊3.钽(Ta)的关键特性：气体敏感性：与氮气在600℃以下反应脆化，1100℃形成间隙相TaN，在2000℃在真空中释放氮；与氢气在700℃以下反应脆化，1300℃在真空下可释放氢。室温下与水蒸气无反应，但在700℃迅速氧化。耐酸不耐碱：耐多种酸，但不耐氢氟酸(HF)及HF+HNO₃混合酸；不耐熔融KOH/NaOH。4.铌(Nb)的关键特性：气体敏感性：与氮气在400℃即形成脆性氮化物，400~1000℃为Nb2N和NbN混合物，更高温度下形成NbN。氢脆现象：是研究超渗透性的主要材料，在较低温度下发生氢脆。Ta-N相图NiNb相中氢脆现象10.1016/j.actamat.2016.02.05311.3难熔金属钎焊2钎焊材料及工艺

工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊应用除可作点焊电极触点外，还可以利用它们的高温性能制作耐高温零件核心挑战再结晶脆化：钎焊温度超过~1100℃会致其晶粒长大、变脆钎料选择难：与普通钎料（如Ag,Cu）不易合金化，结合强度受影响关键工艺原则氢气保护炉中钎焊（炉中、高频、电子束）常用方法镀层：可镀镍/铜后再用普通钎料（Ag基/Cu基）钎料经验：铜基钎料比金基、镍基更好用；加入少量钯(Pd)可改善铺展，但过多会导致母材龟裂1.钨、钼及其合金的钎焊技术：常用方法首选低温：工作温度允许时，钎焊温度应低于1000℃高温快焊：工作温度要求高时，需在1000℃以上快速钎焊（<1min），防止晶粒长大钨、钼及其合金的钎焊技术：应用场景：如微波器件的钡钨阴极，要求钎缝工作温度>1300℃技术挑战：钎焊温度必须>1000℃，但会导致钨/钼再结晶脆化。解决思路：必须采用快速加热工艺，缩短高温停留时间高频钎焊：采用丝料或片料，快速感应加热压力钎焊：中间加钎料片，加压加热实现快速连接激光钎焊：精密控制，确保填充金属熔化而母材不熔化常用钎料：11.3难熔金属钎焊工具钢钎焊钛及钛合金钎焊难熔金属钎焊2钎焊材料及工艺

2.钽、铌及其合金的钎焊技术：核心挑战：极易与O、N、H反应生成脆性化合物，因此必须在高真空或高纯惰性气体保护下进行。钎焊方法：炉中、高频、