感應熔煉水冷銅坩堝焊接用銅磷釬料性能優化

張亞榮，徐千琰

（國家國防科技工業局西北核安全中心，陜西 西安 710021）

0 引言

水冷銅坩堝是真空感應熔煉關鍵部件之一，為滿足工藝需求，坩堝主體由整塊鍛造無氧銅經線切割儀切割成多瓣后拼接而成，坩堝瓣片內布置有紫銅制冷卻水道，結構較為復雜，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，優質的釬料及焊接工藝是獲得高質量水冷銅坩堝的前提。

銅質件在焊接時主要使用銅磷釬料，Cu-P 釬料熔點低、流動性好，具有良好的潤濕鋪展能力和釬焊性能，已經在冰箱、空調、變壓器等行業得到了廣泛應用，是國內主要應用的硬釬料[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，國內外科研工作者主要從成分設計和改進或使用新的加工工藝方面進行了研究。例如，向Cu-P 釬料合金中單獨或復合添加Si、Zr、Y、B、Ti、RE 等元素，來細化組織；復合添加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[5]指出Y 元素可提高紫銅的潔凈度，并且細化晶粒，通過查閱Cu-Y 二元相圖，發現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釬料和絲狀釬料，其化學成分如表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.%的銅磷鑄態釬料，然后再將部分鑄態釬料擠壓成φ1.5mm 的絲狀釬料。

表1 Cu7P-Y 釬料的化學成分

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組織進行觀察和分析。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。

選用規格為40mm×40mm×2mm 紫銅板做為基材，并在試驗前進行表面清理，使用絲狀釬料，依據標準《釬料潤濕性試驗方法》（GB/T 11364—2008）進行鋪展性試驗。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。參照國家標準《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（MTSCMT4104）上對絲狀釬料的抗拉強度進行測定，加載速率為1mm/min。每種釬料的鋪展性、硬度和抗拉強度測定試驗各做5 次，結果取其平均值。

2 結果與討論

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 樹枝晶得到明顯細化，樹枝晶數量增加，其中一次軸縮短異常顯著二次軸數量減少，當釔含量為0.5wt.%時，一次軸有所長大，樹枝晶數量下降。

圖1 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的光學顯微圖片

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律可知，隨著Y 含量的增加，組織中先出現了YP 相，接著伴隨著YP 相減少出現了YCu2相，雖然兩種相熱力學性質有差異，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Y 含量在超過0.2wt.%時，釬料鋪展面積開始下降，當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，釬料抗拉強度先升高，繼續增加Y 含量至0.5wt.%，其抗拉強度下降。但整體變化幅度不大，這主要與釔元素細化晶粒及提高釬料潔凈度有關。

圖5 不同Y 含量的Cu-7P-xY 的抗拉強度變化趨勢

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，細化釬料顯微組織，進而提高釬料的力學性能，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、質量達標，最終獲得滿足技術指標的感應熔煉用水冷銅坩堝，實物如圖6所示。

圖6 感應熔煉用水冷銅坩堝實物局部

3 結語

（1）未添加Y 的Cu-7P 釬料鑄態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，優化了釬料的性能，后續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、銅磷釬料的優化作用。