钎焊工艺：技术与操作介绍

铸铁钎焊前，应仔细清理掉待焊表面上的石墨和氧化物。可以用喷砂、喷丸、氧炔焰处理、化学处理及电化学处理等方法。喷砂或喷丸法可成功地用于球墨铸铁和可锻铸铁的表面处理，但不适用于灰铸铁^[6]。

参考文献^[19]曾以对灰口铸铁的表面处理进行了比较全面的试验。共采用了三种处理方法：氧炔焰处理、化学处理和电化学处理。

氧炔焰处理是用氧化性氧炔焰加热铸铁，烧掉铸铁表面的石墨；然后用还原性氧炔焰加热，还原先前加热时形成的氧化铁。

化学处理是将铸铁浸在50∶50的硝酸钠和硝酸钾熔体中，熔体温度保持在350～400℃。铸铁表面的石墨发生氧化，剩下的金属表面覆盖一薄层氧化铁；将试样冷却后进行洗涤，然后在10%（体积比）HF水溶液中浸1min，去除表面氧化铁层。

电化学处理是将铸铁悬挂在灌满下列成分（质量分数）熔盐的钢坩埚中：76%NaOH，15%NaCl，5%NaF及4%Na₂CO₃。盐液的加热温度为460～490℃。在坩埚与铸铁试样间通以直流电，并改变其极性，使试样处于氧化或还原的交变状态。当铸铁试样为阳极时，表面发生氧化：

C+4OH-=CO₂+2H₂O

2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O

2Fe+6OH-=Fe₂O₃+3H₂O石墨也氧化为CO₂，并被盐槽中的NaOH吸收。当铸铁试样处于阴极时，表面的氧化铁被还原，其他氧化物也被排除。

SiO₂+₂Na⁺+₂OH^-=Na₂SiO₃+H₂O

Fe₂O₃+₂Na⁺+₂OH-=Na₂Fe₂O₄+H₂O反应产物硅酸钠和铁酸钠被排入污水收集系统，采用了不同的电流密度，以确定最佳的处理规范。电化学处理时间为19min，即还原4min，氧化10min，再还原5min。然后从盐液中取出试样，浸在热水中洗去盐分，最后进行干燥。

采用的钎料为Cu-39.8Zn-0.2Si。未经石墨处理的铸铁试样，经钎焊后的抗剪强度为172MPa，在接头组织中可看到钎料未润湿石墨。经化学处理的铸铁，钎焊后的接头抗剪强度为200MPa。分析接头组织后可看到，只有部分石墨被清除掉，故接头强度提高得不多。

经氧炔焰处理的铸铁钎焊接头的抗剪强度达254MPa，比未经处理的铸铁钎焊接头的抗剪强度提高了约50%。接头组织也表明，石墨清除得比较干净，钎料已渗入石墨被清除掉的沟槽中，因此接头强度有较大程度的提高。

电化学处理所采用的电流密度为4～500mA/cm²。电流密度与处理效果的关系不是很明显。接头组织表明，用不同电流密度处理的铸铁表面的石墨基本已清除干净，熔化钎料已渗入被清除掉的石墨沟槽中，接头的抗剪强度均高于250MPa。当电流密度为70mA/cm²时，接头强度最高约285MPa（见图5-20）；进一步提高电流密度，接头强度有所下降。因此，不必采用大电流密度进行电化学处理。

图5-20 抗剪强度与电流密度的关系 Fig.5-20 Variation of shear strength with current density

根据以上所述，用氧炔焰清除铸铁表面的石墨是经济而行之有效的方法，当然要求操作者有一定的经验。电化学处理也是很好的方法，它不受操作者的影响，但比较复杂一些。

铸铁钎焊可用银钎料和铜基钎料。银钎料中最好是选用含镍的钎料，如BAg50ZnCdCuNi和BAg40CuZnSnNi钎料（见表3-31），因钎料中的镍能增加钎料和母材的扩散作用，提高它们之间的结合强度。用银钎料钎焊的另一优点是钎焊温度较低，不超过母材的重结晶温度，不会产生淬火组织或析出渗碳体等现象，钎焊接头性能较好。但银钎料由于价格高昂而限制了它的使用。实际上，钎焊铸铁主要是用黄铜钎料，如B Cu60ZnSn（Si）和BCu58ZnFeSn（Si）（Mn）钎料（见表5-6）。(www.xing528.com)

钎焊铸铁时必须使用钎剂，如FB302或50%硼酸和50%硼砂等；最好使用专用的钎剂，如72.5%NaCl、27.5%NaF；50%H₃BO₃、25%LiCO₃、25%Na₂CO₃。在钎焊较大工件时，一般要进行预热。钎焊前先在被钎焊处涂上钎剂，然后把工件放在炉中加热或用焊枪预热，当工件加热到接近钎焊温度时再加入补充的钎剂。待到达钎焊温度后，将钎料在接头间隙边缘刮擦，使钎料熔化并填充间隙。钎焊后使工件缓冷，以免母材产生淬火组织或析出渗碳体。

用上述黄铜钎料钎焊的接头抗拉强度一般为120～150MPa，勉强可满足补焊要求。但这些钎料也有以下不足：

1）钎缝颜色呈金黄色，与灰铸铁颜色差别大，在要求钎缝颜色与母材接近或一致时，不能满足要求。

2）接头强度与通用灰铸铁HT200的强度仍有差距。焊接接头抗拉强度未达到196MPa。

3）钎缝硬度≤100HBW，而HT200灰铸铁的硬度为170～241HBW，在要求接头硬度比较均匀的场合，难以满足要求。

4）钎料熔化温度较高，钎焊温度高于900℃，超过灰铸铁的重结晶温度（820℃），钎焊后热影响区还可能会产生部分马氏体、贝氏体或渗碳体，接头处的最高硬度可达300HBW，加工性不太理想。

为改进其性能，提出了改进的Cu-Zn-Mn-Ni钎料^[20]，其成分见表5-8。各合金元素所起作用如下：

1）锰和镍有利于钎料和母材交界面的扩散过程，提高钎料和母材的结合强度。

2）钎料加入锰、镍后使钎缝颜色由金黄色向灰白色转变，接近灰铸铁的颜色。

3）在铜锌合金中加锰可进一步降低其熔化温度，从而降低钎焊温度。但加锰将使β相增加，添加镍可抵消锰的作用，增加α相，有助于恢复钎料的韧性。

4）锡可提高钎料的铺展性，铝的作用是防止钎焊过程中锌的氧化和挥发。

采用上述钎料时应配合采用下列成分（质量分数）钎剂：40%H₃BO₃、16%Li₂CO₃、24%Na₂CO₃、7.4%NaF、12.6%NaCl。

钎焊时先用弱氧化焰预热工件，同时清除铸铁表面的石墨。添加钎剂时，工件温度控制在600℃以下；待钎剂全部熔化，铸铁温度达到650～700℃后，改用中性焰熔化钎料，完成钎焊过程，钎焊后缓慢冷却。

利用上述钎料、钎剂和钎焊工艺钎焊的HT200灰铸铁，其试样均断在母材上，其抗拉强度超过196MPa，热影响区最高硬度小于230HBW，钎缝硬度为176～199HBW，接头硬度分布比较均匀。钎缝颜色接近母材。

表5-8 钎焊铸铁用Cu-Zn-Mn-Ni钎料Table 5-8 Cu-Zn-Mn-Ni filler metal for brazing of cast iron