感應(yīng)熔煉水冷銅坩堝焊接用銅磷釬料性能優(yōu)化

張亞榮，徐千琰

（國家國防科技工業(yè)局西北核安全中心，陜西 西安 710021）

0 引言

水冷銅坩堝是真空感應(yīng)熔煉關(guān)鍵部件之一，為滿足工藝需求，坩堝主體由整塊鍛造無氧銅經(jīng)線切割儀切割成多瓣后拼接而成，坩堝瓣片內(nèi)布置有紫銅制冷卻水道，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各管道與底座之間通過焊接方式連接。考慮到水冷銅坩堝要具有易于安裝、更換及承壓的性能，對水冷銅坩堝的焊接提出了較高的要求，為滿足上述要求，優(yōu)質(zhì)的釬料及焊接工藝是獲得高質(zhì)量水冷銅坩堝的前提。

銅質(zhì)件在焊接時主要使用銅磷釬料，Cu-P 釬料熔點(diǎn)低、流動性好，具有良好的潤濕鋪展能力和釬焊性能，已經(jīng)在冰箱、空調(diào)、變壓器等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是國內(nèi)主要應(yīng)用的硬釬料[1-6]。Cu-P 釬料中適量的元素P 可以大幅度降低釬料的熔化溫度，這使得釬料可以更好地潤濕母材。在實際生產(chǎn)中，通常Cu-P 釬料中P 含量不低于5wt.%；但是由于釬料基體中存在大量的脆性化合物Cu3P，從而使其室溫塑性顯著降低，導(dǎo)致冷加工困難，而且Cu-P 釬料不耐硫化物腐蝕，并對黑色金屬的潤濕性差，這些缺點(diǎn)不同程度限制銅磷釬料的適用范圍[1，3]。

為解決Cu-P 釬料存在的問題，國內(nèi)外科研工作者主要從成分設(shè)計和改進(jìn)或使用新的加工工藝方面進(jìn)行了研究。例如，向Cu-P 釬料合金中單獨(dú)或復(fù)合添加Si、Zr、Y、B、Ti、RE 等元素，來細(xì)化組織；復(fù)合添加Sn、Ag、I和Sb，可降低Cu-P 釬料的熔化溫度并降低其脆性；將普通熔爐升級為真空熔爐，采用熱擠壓、非晶成型及霧化制粉工藝可改善Cu-P 釬料的加工性能[6-8]。

文獻(xiàn)[5]指出Y 元素可提高紫銅的潔凈度，并且細(xì)化晶粒，通過查閱Cu-Y 二元相圖，發(fā)現(xiàn)二者可以形成低溫相；本文希望通過在銅磷釬料中添加釔元素，提高釬料的潔凈度，細(xì)化釬料組織，提高焊接接頭的綜合性能，最終獲得最佳釬料配方用于焊接水冷銅坩堝。

1 實驗材料與方法

該試驗所用釬料包括鑄態(tài)釬料和絲狀釬料，其化學(xué)成分如表1 所示。釬料的制備過程為：首先以銅釔中間合金（含Y 量10wt.%）、銅磷中間合金（含P 量14wt.%）、電解銅（其純度99.99wt.%）為原材料，通過熔煉的方法分別得到含Y 量0，0.05wt.%，0.1wt.%，0.2wt.%和0.5wt.%的銅磷鑄態(tài)釬料，然后再將部分鑄態(tài)釬料擠壓成φ1.5mm 的絲狀釬料。

表1 Cu7P-Y 釬料的化學(xué)成分

從鑄錠上同一位置取樣，然后制備成金相試樣。利用蔡司HAL100 型金相顯微鏡和JEOL 的JSM—7500F掃描電鏡對釬料的鑄態(tài)組織進(jìn)行觀察和分析。用德國耐馳STA449F3 綜合熱分析儀測定絲狀釬料的熔化特性，升溫速度為10℃/min。

選用規(guī)格為40mm×40mm×2mm 紫銅板做為基材，并在試驗前進(jìn)行表面清理，使用絲狀釬料，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《釬料潤濕性試驗方法》（GB/T 11364—2008）進(jìn)行鋪展性試驗。參照《金屬材料 布氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》（GB/T 231.1—2009），用HB—3000B 型布氏硬度計上測定絲狀釬料的布氏硬度值。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）， 在 立 式 電 子 萬 能 試 驗 機(jī)（MTSCMT4104）上對絲狀釬料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測定，加載速率為1mm/min。每種釬料的鋪展性、硬度和抗拉強(qiáng)度測定試驗各做5 次，結(jié)果取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 Y 元素對Cu-7P-xY 釬料的顯微組織的影響

不同Y 含量的Cu-7P 釬料光學(xué)金相圖片如圖1 所示，由圖1 可知不添加Y 的Cu-7P 釬料由粗大的α-Cu樹枝晶和（α-Cu+Cu3P）共晶組織組成；添加0.03wt.%～0.2wt.%的Y 后α-Cu 樹枝晶得到明顯細(xì)化，樹枝晶數(shù)量增加，其中一次軸縮短異常顯著二次軸數(shù)量減少，當(dāng)釔含量為0.5wt.%時，一次軸有所長大，樹枝晶數(shù)量下降。

圖1 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的光學(xué)顯微圖片

2.2 Y 元素對Cu-7P-xY 釬料熔化特性的影響

圖2 為不同Y 含量Cu-P 釬料的固相線溫度TS，液相線溫度TL和熔程ΔT（即TS—TL的差值）的變化趨勢。由圖2 可以看出，隨著Cu-P 釬料中Y 含量增加，釬料的TL和TS逐漸升高，熔程ΔT 逐漸降低。但是與Cu-7P 釬料相比，添加釔Y 后的釬料的TL和TS增加不多，熔程ΔT 降低了12℃。

圖2 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的熔化特性

由Y 對釬料的組織影響規(guī)律可知，隨著Y 含量的增加，組織中先出現(xiàn)了YP 相，接著伴隨著YP 相減少出現(xiàn)了YCu2相，雖然兩種相熱力學(xué)性質(zhì)有差異，但是由于Y 元素的填加量不多，所以對其液相線、固相線及熔程影響不大。

2.3 Y 元素對Cu-7P-xY 釬料潤濕性能的影響

圖3 為不同釔含量的Cu-P 釬料在紫銅板上的鋪展面積分析結(jié)果。由圖3 可知，Y 含量在0～0.2wt.%時，釬料鋪展面積隨Y 含量增加明顯增加；當(dāng)Y 含量在為0.2wt.%時，3 號Cu-P 釬料比0 號鋪展面積（154.03mm2）增加約15.7wt.%；當(dāng)Y 含量在超過0.2wt.%時，釬料鋪展面積開始下降，當(dāng)Y 含量為0.5wt.%時，4 號Cu-P 釬料對紫銅板潤濕面積降低到最小值（133.61mm2）。

圖3 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的鋪展面積變化趨勢

從圖3 可知，在釔含量在0～0.2wt.%之間時，稀土釔減小釬料與紫銅板之間的界面張力的作用強(qiáng)于其被氧化降低潤濕作用的程度，固釬料潤濕面積隨著Y 含量的增加而增大；釔含量超過0.2wt.%，潤濕面積降低。

2.4 Y 元素對Cu-7P-xY 釬料力學(xué)性能的影響

圖4 為不同的Y 含量Cu-7P 釬料布氏硬度變化趨勢。由圖4 可看出，與Cu-7P 釬料相比，添加0.2wt.%Y時，釬料的布氏硬度平均值增大到HB122。隨著Y 含量的增加，釬料的布氏硬度平均值先增大后降低，但整體變化范圍不大。

圖4 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的布氏硬度變化趨勢

圖5 為不同Y 含量Cu-7P 釬料抗拉強(qiáng)度變化趨勢。由圖5 可看出，和不添加Y 的釬料相比，隨著Y 含量的增加，釬料抗拉強(qiáng)度先升高，繼續(xù)增加Y 含量至0.5wt.%，其抗拉強(qiáng)度下降。但整體變化幅度不大，這主要與釔元素細(xì)化晶粒及提高釬料潔凈度有關(guān)。

圖5 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的抗拉強(qiáng)度變化趨勢

綜上所述，向Cu-7P 釬料中添加0.1～0.2wt.%的Y元素，可提高釬料潔凈度，細(xì)化釬料顯微組織，進(jìn)而提高釬料的力學(xué)性能，并且提高釬料焊接性能。

在焊接水冷銅坩堝時采用含0.1～0.2wt.%Y 元素的銅磷釬料，所得焊縫外表美觀、質(zhì)量達(dá)標(biāo)，最終獲得滿足技術(shù)指標(biāo)的感應(yīng)熔煉用水冷銅坩堝，實物如圖6所示。

圖6 感應(yīng)熔煉用水冷銅坩堝實物局部

3 結(jié)語

（1）未添加Y 的Cu-7P 釬料鑄態(tài)組織主要由粗大樹枝狀a-Cu 和層片狀（α-Cu+Cu3P）共晶相組成；加入0.1～0.2wt.%Y 可以明顯細(xì)化α-Cu 樹枝晶。

（2）在該試驗條件下，提高Y 含量對釬料的固液相線溫度影響不大，但可降低熔程ΔT。Y 含量為0.1wt.%和0.2wt.%的釬料鋪展面積和斷后伸長率達(dá)到最大值。

（3）用含0.1～0.2wt.%Y 元素的銅磷釬料可焊接出滿足要求的水冷銅坩堝。

通過本試驗研究初步探索了向銅磷釬料中添加Y的最佳范圍，優(yōu)化了釬料的性能，后續(xù)可通過向含有其他合金元素的銅磷釬料中添加Y，探索Y 對銅基、銅磷釬料的優(yōu)化作用。