Lutowanie stali nierdzewnej

Lutowanie stali nierdzewnej

1. Lutowalność

Głównym problemem w lutowaniu twardym stali nierdzewnej jest to, że warstwa tlenku na powierzchni poważnie utrudnia zwilżanie i rozprzestrzenianie się lutu. Różne stale nierdzewne zawierają znaczną ilość Cr, a niektóre również Ni, Ti, Mn, Mo, Nb i inne pierwiastki, które mogą tworzyć na powierzchni różnorodne tlenki, a nawet tlenki kompozytowe. Wśród nich tlenki Cr2O3 i TiO2 Cr i Ti są dość stabilne i trudne do usunięcia. Podczas lutowania twardego w powietrzu, do ich usunięcia należy użyć aktywnego topnika. Podczas lutowania twardego w atmosferze ochronnej, warstwa tlenku może zostać zredukowana tylko w atmosferze o wysokiej czystości, niskim punkcie rosy i wystarczająco wysokiej temperaturze. W przypadku lutowania twardego w próżni, konieczne jest zapewnienie odpowiedniej próżni i temperatury, aby uzyskać dobry efekt lutowania.

Innym problemem lutowania twardego stali nierdzewnej jest to, że temperatura nagrzewania ma poważny wpływ na strukturę materiału bazowego. Temperatura nagrzewania austenitycznej stali nierdzewnej nie powinna przekraczać 1150°C, w przeciwnym razie ziarno znacznie się rozrośnie. Jeśli austenityczna stal nierdzewna nie zawiera stabilnych pierwiastków, takich jak Ti lub Nb, i ma wysoką zawartość węgla, należy również unikać lutowania twardego w temperaturze sensybilizacji (500–850°C). Aby zapobiec zmniejszeniu odporności na korozję spowodowanemu wytrącaniem się węglika chromu, dobór temperatury lutowania twardego w przypadku martenzytycznej stali nierdzewnej jest bardziej rygorystyczny. Jednym z nich jest dopasowanie temperatury lutowania twardego do temperatury hartowania, aby połączyć proces lutowania twardego z obróbką cieplną. Drugim warunkiem jest to, że temperatura lutowania twardego powinna być niższa od temperatury odpuszczania, aby zapobiec mięknięciu materiału bazowego podczas lutowania twardego. Zasada doboru temperatury lutowania w przypadku stali nierdzewnej utwardzanej wydzieleniowo jest taka sama jak w przypadku stali nierdzewnej martenzytycznej, tzn. temperatura lutowania musi odpowiadać systemowi obróbki cieplnej, aby uzyskać najlepsze właściwości mechaniczne.

Oprócz dwóch powyższych głównych problemów, podczas lutowania twardego austenitycznej stali nierdzewnej, zwłaszcza z dodatkiem spoiwa miedziowo-cynkowego, występuje tendencja do pękania naprężeniowego. Aby uniknąć pękania naprężeniowego, przed lutowaniem należy poddać element obrabiany wyżarzaniu odprężającemu, a następnie równomiernie go nagrzać podczas lutowania.

2. Materiał lutowniczy

(1) Zgodnie z wymogami dotyczącymi stosowania spoin ze stali nierdzewnej, powszechnie stosowanymi spoiwami do lutowania twardego są spoiwo cynowo-ołowiowe, spoiwo na bazie srebra, spoiwo na bazie miedzi, spoiwo na bazie manganu, spoiwo na bazie niklu i spoiwo z metali szlachetnych.

Lut cynowo-ołowiowy jest stosowany głównie do lutowania stali nierdzewnej i charakteryzuje się wysoką zawartością cyny. Im wyższa zawartość cyny w lutowiu, tym lepsza jego zwilżalność na stali nierdzewnej. Wytrzymałość na ścinanie połączeń ze stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti lutowanych kilkoma popularnymi lutami cynowo-ołowiowymi przedstawiono w tabeli 3. Ze względu na niską wytrzymałość połączeń, są one stosowane wyłącznie do lutowania elementów o małej nośności.

Tabela 3. Wytrzymałość na ścinanie połączenia ze stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti lutowanego lutem cynowo-ołowiowym

Spoiwa na bazie srebra są najczęściej stosowanymi spoiwami do lutowania twardego stali nierdzewnej. Spośród nich najczęściej stosuje się spoiwa srebrowo-miedziano-cynkowe oraz srebrowo-miedziano-cynkowo-kadmowe, ponieważ temperatura lutowania ma niewielki wpływ na właściwości metalu bazowego. Wytrzymałość złączy ze stali nierdzewnej ICr18Ni9Ti lutowanych kilkoma popularnymi lutami na bazie srebra przedstawiono w tabeli 4. Złącza ze stali nierdzewnej lutowane lutami na bazie srebra są rzadko stosowane w silnie korozyjnych mediach, a temperatura pracy złączy zazwyczaj nie przekracza 300°C. Podczas lutowania twardego stali nierdzewnej bez niklu, aby zapobiec korozji złącza lutowanego w wilgotnym środowisku, należy zastosować spoiwo o większej zawartości niklu, takie jak b-ag50cuzncd. Podczas lutowania twardego stali nierdzewnej martenzytycznej, aby zapobiec zmiękczeniu metalu bazowego, należy zastosować spoiwo o temperaturze lutowania nieprzekraczającej 650°C, takie jak b-ag40cuzncd. Podczas lutowania stali nierdzewnej w atmosferze ochronnej, w celu usunięcia warstwy tlenków z powierzchni, można zastosować topniki samolutujące zawierające lit, takie jak b-ag92culi i b-ag72culi. Podczas lutowania stali nierdzewnej w próżni, aby spoiwo zachowało dobrą zwilżalność, nawet jeśli nie zawiera pierwiastków takich jak Zn i CD, które łatwo odparowują, można zastosować spoiwo srebrne zawierające pierwiastki takie jak Mn, Ni i RD.

Tabela 4. Wytrzymałość złącza ze stali nierdzewnej ICr18Ni9Ti lutowanego spoiwem na bazie srebra

Spoiwa lutownicze na bazie miedzi, stosowane do lutowania różnych stali, to głównie czysta miedź, miedź-nikiel oraz miedź-mangan-kobalt. Czysty lut miedziany jest stosowany głównie do lutowania w osłonie gazowej lub w próżni. Temperatura pracy złącza ze stali nierdzewnej nie przekracza 400°C, ale złącze ma słabą odporność na utlenianie. Spoiwo miedziowo-niklowe jest stosowane głównie do lutowania płomieniowego i indukcyjnego. Wytrzymałość lutowanego złącza ze stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti przedstawiono w tabeli 5. Widać, że złącze ma taką samą wytrzymałość jak metal podstawowy, a temperatura pracy jest wysoka. Spoiwo Cu-Mn-co jest stosowane głównie do lutowania martenzytycznej stali nierdzewnej w atmosferze ochronnej. Wytrzymałość złącza i temperatura pracy są porównywalne do lutowania spoiwem na bazie złota. Na przykład złącze ze stali nierdzewnej 1Cr13 lutowane lutem b-cu58mnco ma taką samą wydajność jak takie samo złącze ze stali nierdzewnej lutowane lutem b-au82ni (patrz tabela 6), ale koszt produkcji jest znacznie niższy.

Tabela 5 Wytrzymałość na ścinanie złącza ze stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti lutowanego spoiwem na bazie miedzi wysokotemperaturowej

Tabela 6 Wytrzymałość na ścinanie lutowanego złącza ze stali nierdzewnej 1Cr13

Spoiwa lutownicze na bazie manganu są stosowane głównie do lutowania w osłonie gazów ochronnych, a czystość gazu musi być wysoka. Aby zapobiec rozrostowi ziaren metalu bazowego, należy wybrać odpowiedni spoiwo o temperaturze lutowania poniżej 1150°C. Zadowalający efekt lutowania można uzyskać w przypadku połączeń ze stali nierdzewnej lutowanych lutem manganowym, jak pokazano w tabeli 7. Temperatura robocza połączenia może sięgać 600°C.

Tabela 7 Wytrzymałość na ścinanie złącza ze stali nierdzewnej lcr18ni9fi lutowanego spoiwem na bazie manganu

Lutowanie stali nierdzewnej spoiwem na bazie niklu zapewnia dobre właściwości w wysokich temperaturach. Spoiwo to jest zazwyczaj stosowane do lutowania w osłonie gazów ochronnych lub lutowania próżniowego. Aby uniknąć problemu tworzenia się bardziej kruchych związków w lutowanym złączu podczas jego formowania, co poważnie obniża wytrzymałość i plastyczność złącza, szczelina lutownicza powinna być zminimalizowana, aby zapewnić pełną dyfuzję pierwiastków, które łatwo tworzą kruchą fazę w lutowiu, do metalu bazowego. Aby zapobiec rozrostowi ziaren metalu bazowego z powodu długiego czasu wytrzymywania w temperaturze lutowania, można zastosować pomiary procesu polegające na skróceniu czasu wytrzymywania i dyfuzji w niższej temperaturze (w porównaniu z temperaturą lutowania) po spawaniu.

Spoiwa z metali szlachetnych stosowane do lutowania stali nierdzewnej to głównie spoiwa na bazie złota oraz spoiwa zawierające pallad, z których najpopularniejsze to b-au82ni, b-ag54cupd i b-au82ni, charakteryzujące się dobrą zwilżalnością. Lutowane złącze ze stali nierdzewnej charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na wysokie temperatury i odpornością na utlenianie, a maksymalna temperatura pracy może sięgać 800°C. B-ag54cupd ma podobne właściwości do b-au82ni, a jego cena jest niska, dlatego często zastępuje b-au82ni.

(2) Powierzchnia stali nierdzewnej w atmosferze topnika i pieca zawiera tlenki, takie jak Cr2O3 i TiO2, które można usunąć jedynie za pomocą topnika o wysokiej aktywności. Do lutowania stali nierdzewnej lutem cynowo-ołowiowym odpowiednim topnikiem jest wodny roztwór kwasu fosforowego lub roztwór tlenku cynku w kwasie solnym. Czas aktywności wodnego roztworu kwasu fosforowego jest krótki, dlatego należy zastosować metodę lutowania polegającą na szybkim nagrzewaniu. Do lutowania stali nierdzewnej z lutem na bazie srebra można stosować topniki Fb102, Fb103 lub Fb104. Do lutowania stali nierdzewnej z lutem na bazie miedzi, ze względu na wysoką temperaturę lutowania, stosuje się topnik Fb105.

Podczas lutowania stali nierdzewnej w piecu często stosuje się atmosferę próżniową lub atmosferę ochronną, taką jak wodór, argon i amoniak. Podczas lutowania próżniowego ciśnienie próżniowe powinno być niższe niż 10-2 Pa. Podczas lutowania w atmosferze ochronnej temperatura punktu rosy gazu nie powinna przekraczać -40°C. Jeśli czystość gazu jest niewystarczająca lub temperatura lutowania nie jest wysoka, do atmosfery można dodać niewielką ilość topnika do lutowania gazowego, takiego jak trifluorek boru.

2. Technologia lutowania

Stal nierdzewną należy dokładnie oczyścić przed lutowaniem, aby usunąć wszelkie ślady smaru i oleju. Najlepiej lutować bezpośrednio po czyszczeniu.

Lutowanie stali nierdzewnej może odbywać się za pomocą płomienia, indukcji i pieca. Piec do lutowania w piecu musi mieć dobry system kontroli temperatury (odchylenie temperatury lutowania musi wynosić ± 6 ℃) i może być szybko chłodzony. Gdy wodór jest używany jako gaz osłonowy do lutowania, wymagania dotyczące wodoru zależą od temperatury lutowania i składu metalu bazowego, tzn. im niższa temperatura lutowania, tym więcej metalu bazowego zawiera stabilizatora i tym niższy jest wymagany punkt rosy wodoru. Na przykład w przypadku martenzytycznych stali nierdzewnych, takich jak 1Cr13 i cr17ni2t, podczas lutowania w temperaturze 1000 ℃, punkt rosy wodoru musi być niższy niż -40 ℃; W przypadku stali nierdzewnej chromowo-niklowej 18-8 bez stabilizatora, punkt rosy wodoru musi być niższy niż 25 ℃ podczas lutowania w temperaturze 1150 ℃; Jednakże w przypadku stali nierdzewnej 1Cr18Ni9Ti zawierającej stabilizator tytanowy, punkt rosy wodoru musi być niższy niż -40°C podczas lutowania w temperaturze 1150°C. W przypadku lutowania z osłoną argonową wymagana jest wyższa czystość argonu. Jeśli powierzchnia stali nierdzewnej jest powlekana miedzią lub niklem, wymagania dotyczące czystości gazu osłonowego mogą zostać obniżone. Aby zapewnić usunięcie warstwy tlenków z powierzchni stali nierdzewnej, można również dodać topnik gazowy BF3, a także zastosować lutowie samotopnikowe zawierające lit lub bor. W przypadku lutowania próżniowego stali nierdzewnej wymagania dotyczące stopnia próżni zależą od temperatury lutowania. Wraz ze wzrostem temperatury lutowania wymagana próżnia może zostać zmniejszona.

Głównym procesem obróbki stali nierdzewnej po lutowaniu jest oczyszczenie resztkowego topnika i resztkowego inhibitora przepływu oraz, w razie potrzeby, przeprowadzenie obróbki cieplnej po lutowaniu. W zależności od użytego topnika i metody lutowania, resztkowy topnik może być przemywany wodą, czyszczony mechanicznie lub chemicznie. Jeśli do czyszczenia resztkowego topnika lub warstwy tlenkowej w nagrzanym obszarze w pobliżu złącza stosuje się materiał ścierny, należy użyć piasku lub innych niemetalicznych drobnych cząstek. Części wykonane ze stali nierdzewnej martenzytycznej i stali nierdzewnej utwardzanej wydzieleniowo wymagają obróbki cieplnej zgodnie ze szczególnymi wymaganiami materiału po lutowaniu. Złącza ze stali nierdzewnej lutowane spoiwami Ni Cr B i Ni Cr Si są często poddawane dyfuzyjnej obróbce cieplnej po lutowaniu w celu zmniejszenia wymagań dotyczących szczeliny lutowniczej i poprawy mikrostruktury i właściwości złączy.