لحیم کاری فولاد ضد زنگ

لحیم کاری فولاد ضد زنگ

۱. قابلیت لحیم‌کاری

مشکل اصلی در لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ این است که لایه اکسید روی سطح به طور جدی بر خیس شدن و پخش لحیم تأثیر می‌گذارد. انواع فولادهای ضد زنگ حاوی مقدار قابل توجهی کروم هستند و برخی نیز حاوی نیکل، تیتانیوم، منگنز، مولیبدن، نیوبیم و سایر عناصر هستند که می‌توانند انواع اکسیدها یا حتی اکسیدهای مرکب را روی سطح تشکیل دهند. در میان آنها، اکسیدهای Cr2O3 و TiO2 مربوط به کروم و تیتانیوم کاملاً پایدار و حذف آنها دشوار است. هنگام لحیم‌کاری در هوا، باید از روان‌ساز فعال برای حذف آنها استفاده شود. هنگام لحیم‌کاری در اتمسفر محافظ، لایه اکسید را فقط می‌توان در اتمسفر با خلوص بالا با نقطه شبنم پایین و دمای کافی بالا کاهش داد. در لحیم‌کاری در خلاء، لازم است خلاء و دمای کافی برای دستیابی به اثر لحیم‌کاری خوب وجود داشته باشد.

مشکل دیگر لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ این است که دمای گرمایش تأثیر جدی بر ساختار فلز پایه دارد. دمای گرمایش لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ آستنیتی نباید بالاتر از 1150 درجه سانتیگراد باشد، در غیر این صورت دانه‌ها به طور جدی رشد می‌کنند. اگر فولاد ضد زنگ آستنیتی حاوی عناصر پایدار Ti یا Nb نباشد و کربن بالایی داشته باشد، از لحیم‌کاری در دمای حساس‌سازی (500 تا 850 درجه سانتیگراد) نیز باید اجتناب شود. برای جلوگیری از کاهش مقاومت در برابر خوردگی به دلیل رسوب کاربید کروم. انتخاب دمای لحیم‌کاری برای فولاد ضد زنگ مارتنزیتی سختگیرانه‌تر است. یکی این است که دمای لحیم‌کاری با دمای کوئنچ مطابقت داشته باشد تا فرآیند لحیم‌کاری با فرآیند عملیات حرارتی ترکیب شود. مورد دیگر این است که دمای لحیم‌کاری باید کمتر از دمای تمپر کردن باشد تا از نرم شدن فلز پایه در حین لحیم‌کاری جلوگیری شود. اصل انتخاب دمای لحیم کاری سخت شونده رسوبی فولاد ضد زنگ همانند فولاد ضد زنگ مارتنزیتی است، یعنی دمای لحیم کاری باید با سیستم عملیات حرارتی مطابقت داشته باشد تا بهترین خواص مکانیکی حاصل شود.

علاوه بر دو مشکل اصلی فوق، هنگام لحیم کاری سخت فولاد ضد زنگ آستنیتی، به خصوص هنگام لحیم کاری با فلز پرکننده مس و روی، تمایل به ترک خوردگی ناشی از تنش وجود دارد. برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از تنش، قطعه کار باید قبل از لحیم کاری سخت، آنیل تنش زدایی شده و قطعه کار باید در طول لحیم کاری به طور یکنواخت گرم شود.

2. مواد لحیم کاری

(1) با توجه به الزامات استفاده از قطعات جوشکاری شده از جنس فولاد ضد زنگ، فلزات پرکننده لحیم کاری که معمولاً برای جوشکاری قطعات جوشکاری شده از جنس فولاد ضد زنگ استفاده می‌شوند عبارتند از: فلز پرکننده لحیم کاری قلع سرب، فلز پرکننده لحیم کاری پایه نقره، فلز پرکننده لحیم کاری پایه مس، فلز پرکننده لحیم کاری پایه منگنز، فلز پرکننده لحیم کاری پایه نیکل و فلز پرکننده لحیم کاری فلزات گرانبها.

لحیم قلع-سرب عمدتاً برای لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود و برای لحیم‌کاری با درصد قلع بالا مناسب است. هرچه درصد قلع لحیم بیشتر باشد، قابلیت ترشوندگی آن روی فولاد ضد زنگ بهتر است. مقاومت برشی اتصالات فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti که با چندین لحیم قلع-سرب رایج لحیم‌کاری شده‌اند، در جدول 3 فهرست شده است. به دلیل استحکام پایین اتصالات، آنها فقط برای لحیم‌کاری قطعات با ظرفیت باربری کم استفاده می‌شوند.

جدول 3 استحکام برشی اتصال فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti لحیم کاری شده با لحیم قلع سرب

فلزات پرکننده پایه نقره رایج‌ترین فلزات پرکننده مورد استفاده برای لحیم‌کاری سخت فولاد ضد زنگ هستند. در میان آنها، فلزات پرکننده نقره مس روی و نقره مس روی کادمیوم بیشترین کاربرد را دارند زیرا دمای لحیم‌کاری تأثیر کمی بر خواص فلز پایه دارد. استحکام اتصالات فولاد ضد زنگ ICr18Ni9Ti لحیم‌کاری شده با چندین لحیم پایه نقره رایج در جدول 4 فهرست شده است. اتصالات فولاد ضد زنگ لحیم‌کاری شده با لحیم‌های پایه نقره به ندرت در محیط‌های بسیار خورنده استفاده می‌شوند و دمای کار اتصالات عموماً از 300 درجه سانتیگراد تجاوز نمی‌کند. هنگام لحیم‌کاری سخت فولاد ضد زنگ بدون نیکل، به منظور جلوگیری از خوردگی اتصال لحیم‌کاری شده در محیط مرطوب، باید از فلز پرکننده لحیم‌کاری با نیکل بیشتر، مانند b-ag50cuzncdni، استفاده شود. هنگام لحیم‌کاری سخت فولاد ضد زنگ مارتنزیتی، به منظور جلوگیری از نرم شدن فلز پایه، باید از فلز پرکننده لحیم‌کاری با دمای لحیم‌کاری حداکثر 650 درجه سانتیگراد، مانند b-ag40cuzncd، استفاده شود. هنگام لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ در اتمسفر محافظ، به منظور حذف لایه اکسید روی سطح، می‌توان از فلاکس‌های لحیم‌کاری خودکار حاوی لیتیوم مانند b-ag92culi و b-ag72culi استفاده کرد. هنگام لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ در خلاء، برای اینکه فلز پرکننده همچنان قابلیت ترشوندگی خوبی داشته باشد، در حالی که حاوی عناصری مانند Zn و CD که به راحتی تبخیر می‌شوند، نیست، می‌توان فلز پرکننده نقره حاوی عناصری مانند Mn، Ni و RD را انتخاب کرد.

جدول 4 استحکام اتصال فولاد ضد زنگ ICr18Ni9Ti لحیم کاری شده با فلز پرکننده پایه نقره

فلزات پرکننده لحیم کاری پایه مس که برای لحیم کاری فولادهای مختلف استفاده می‌شوند، عمدتاً مس خالص، مس نیکل و مس منگنز کبالت هستند. فلز پرکننده لحیم کاری مس خالص عمدتاً برای لحیم کاری تحت حفاظت گاز یا خلاء استفاده می‌شود. دمای کار اتصال فولاد ضد زنگ بیش از 400 درجه سانتیگراد نیست، اما اتصال مقاومت اکسیداسیون ضعیفی دارد. فلز پرکننده لحیم کاری مس نیکل عمدتاً برای لحیم کاری شعله‌ای و لحیم کاری القایی استفاده می‌شود. استحکام اتصال فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti لحیم کاری شده در جدول 5 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که اتصال دارای استحکام مشابه فلز پایه است و دمای کار آن بالا است. فلز پرکننده لحیم کاری مس منگنز کبالت عمدتاً برای لحیم کاری فولاد ضد زنگ مارتنزیتی در اتمسفر محافظ استفاده می‌شود. استحکام و دمای کار اتصال با لحیم کاری با فلز پرکننده پایه طلا قابل مقایسه است. برای مثال، اتصال فولاد ضد زنگ 1Cr13 که با لحیم b-cu58mnco لحیم کاری شده است، عملکرد مشابهی با همان اتصال فولاد ضد زنگ که با لحیم b-au82ni لحیم کاری شده است، دارد (به جدول 6 مراجعه کنید)، اما هزینه تولید به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

جدول 5 استحکام برشی اتصال فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti لحیم کاری شده با فلز پرکننده پایه مس با دمای بالا

جدول 6 استحکام برشی اتصال لحیم‌کاری شده از جنس فولاد ضد زنگ 1Cr13

فلزات پرکننده لحیم کاری پایه منگنز عمدتاً برای لحیم کاری با محافظ گاز استفاده می‌شوند و خلوص گاز باید بالا باشد. برای جلوگیری از رشد دانه فلز پایه، باید فلز پرکننده لحیم کاری مربوطه با دمای لحیم کاری کمتر از 1150 درجه سانتیگراد انتخاب شود. همانطور که در جدول 7 نشان داده شده است، می‌توان اثر لحیم کاری رضایت بخشی را برای اتصالات فولاد ضد زنگ لحیم کاری شده با لحیم پایه منگنز به دست آورد. دمای کار اتصال می‌تواند به 600 درجه سانتیگراد برسد.

جدول 7 استحکام برشی اتصال فولاد ضد زنگ lcr18ni9fi لحیم کاری شده با فلز پرکننده پایه منگنز

وقتی فولاد ضد زنگ با فلز پرکننده پایه نیکل لحیم کاری می‌شود، اتصال عملکرد دمای بالای خوبی دارد. این فلز پرکننده معمولاً برای لحیم کاری با گاز محافظ یا لحیم کاری در خلاء استفاده می‌شود. برای غلبه بر این مشکل که ترکیبات شکننده‌تری در اتصال لحیم کاری شده در طول تشکیل اتصال تولید می‌شوند که استحکام و انعطاف‌پذیری اتصال را به طور جدی کاهش می‌دهد، شکاف اتصال باید به حداقل برسد تا اطمینان حاصل شود که عناصری که به راحتی فاز شکننده در لحیم تشکیل می‌دهند، به طور کامل در فلز پایه پخش می‌شوند. به منظور جلوگیری از وقوع رشد دانه فلز پایه به دلیل زمان نگهداری طولانی در دمای لحیم کاری، می‌توان اقدامات فرآیندی نگهداری کوتاه مدت و عملیات نفوذ در دمای پایین‌تر (در مقایسه با دمای لحیم کاری) پس از جوشکاری را انجام داد.

فلزات پرکننده لحیم‌کاری فلزات نجیب که برای لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ استفاده می‌شوند، عمدتاً شامل فلزات پرکننده پایه طلا و فلزات پرکننده حاوی پالادیوم هستند که رایج‌ترین آنها b-au82ni، b-ag54cupd و b-au82ni هستند که قابلیت ترشوندگی خوبی دارند. اتصال فولاد ضد زنگ لحیم‌کاری شده دارای استحکام دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون بالایی است و حداکثر دمای کار می‌تواند به 800 درجه سانتیگراد برسد. B-ag54cupd ویژگی‌های مشابهی با b-au82ni دارد و قیمت آن پایین است، بنابراین تمایل دارد جایگزین b-au82ni شود.

(2) سطح فولاد ضد زنگ در فلاکس و اتمسفر کوره حاوی اکسیدهایی مانند Cr2O3 و TiO2 است که فقط با استفاده از فلاکس با فعالیت قوی قابل حذف هستند. هنگامی که فولاد ضد زنگ با لحیم قلع سرب لحیم کاری می‌شود، فلاکس مناسب محلول آبی اسید فسفریک یا محلول اسید هیدروکلریک اکسید روی است. زمان فعالیت محلول آبی اسید فسفریک کوتاه است، بنابراین باید از روش لحیم کاری سریع استفاده شود. فلاکس‌های Fb102، fb103 یا fb104 را می‌توان برای لحیم کاری فولاد ضد زنگ با فلزات پرکننده پایه نقره استفاده کرد. هنگام لحیم کاری فولاد ضد زنگ با فلز پرکننده پایه مس، به دلیل دمای بالای لحیم کاری، از فلاکس fb105 استفاده می‌شود.

هنگام لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ در کوره، اغلب از اتمسفر خلاء یا اتمسفر محافظ مانند هیدروژن، آرگون و آمونیاک تجزیه‌پذیر استفاده می‌شود. در لحیم‌کاری خلاء، فشار خلاء باید کمتر از 10-2Pa باشد. هنگام لحیم‌کاری در اتمسفر محافظ، نقطه شبنم گاز نباید بالاتر از -40 ℃ باشد. اگر خلوص گاز کافی نباشد یا دمای لحیم‌کاری بالا نباشد، می‌توان مقدار کمی از فلاکس لحیم‌کاری گازی، مانند تری‌فلورید بور، به اتمسفر اضافه کرد.

۲. فناوری لحیم‌کاری سخت

فولاد ضد زنگ باید قبل از لحیم کاری با دقت بیشتری تمیز شود تا هرگونه چربی و لایه روغن از بین برود. بهتر است بلافاصله پس از تمیز کردن، لحیم کاری انجام شود.

لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ می‌تواند از روش‌های شعله، القایی و گرمایش متوسط ​​کوره استفاده کند. کوره لحیم‌کاری در کوره باید دارای سیستم کنترل دمای خوبی باشد (انحراف دمای لحیم‌کاری باید ± 6 درجه سانتیگراد باشد) و بتوان آن را به سرعت خنک کرد. هنگامی که از هیدروژن به عنوان گاز محافظ برای لحیم‌کاری استفاده می‌شود، الزامات هیدروژن به دمای لحیم‌کاری و ترکیب فلز پایه بستگی دارد، یعنی هرچه دمای لحیم‌کاری پایین‌تر باشد، فلز پایه حاوی تثبیت‌کننده بیشتری است و نقطه شبنم هیدروژن پایین‌تری مورد نیاز است. به عنوان مثال، برای فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی مانند 1Cr13 و cr17ni2t، هنگام لحیم‌کاری در دمای 1000 درجه سانتیگراد، نقطه شبنم هیدروژن باید کمتر از -40 درجه سانتیگراد باشد. برای فولاد ضد زنگ کروم نیکل 18-8 بدون تثبیت‌کننده، نقطه شبنم هیدروژن باید در حین لحیم‌کاری در دمای 1150 درجه سانتیگراد کمتر از 25 درجه سانتیگراد باشد. با این حال، برای فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti حاوی تثبیت کننده تیتانیوم، نقطه شبنم هیدروژن هنگام لحیم کاری در دمای 1150 درجه سانتیگراد باید کمتر از -40 درجه سانتیگراد باشد. هنگام لحیم کاری با محافظ آرگون، خلوص آرگون باید بالاتر باشد. اگر مس یا نیکل روی سطح فولاد ضد زنگ آبکاری شود، نیاز به خلوص گاز محافظ می‌تواند کاهش یابد. به منظور اطمینان از حذف لایه اکسید روی سطح فولاد ضد زنگ، می‌توان از گاز BF3 نیز استفاده کرد و از لحیم خود روان کننده حاوی لیتیوم یا بور نیز می‌توان استفاده کرد. هنگام لحیم کاری خلاء فولاد ضد زنگ، الزامات درجه خلاء به دمای لحیم کاری بستگی دارد. با افزایش دمای لحیم کاری، خلاء مورد نیاز می‌تواند کاهش یابد.

فرآیند اصلی لحیم‌کاری فولاد ضد زنگ پس از لحیم‌کاری سخت، تمیز کردن شار باقیمانده و بازدارنده جریان باقیمانده و در صورت لزوم انجام عملیات حرارتی پس از لحیم‌کاری سخت است. بسته به نوع شار و روش لحیم‌کاری سخت مورد استفاده، شار باقیمانده را می‌توان با آب شستشو داد، به صورت مکانیکی تمیز کرد یا به صورت شیمیایی تمیز کرد. اگر از مواد ساینده برای تمیز کردن شار باقیمانده یا لایه اکسید در ناحیه گرم شده نزدیک اتصال استفاده شود، باید از ماسه یا سایر ذرات ریز غیرفلزی استفاده شود. قطعات ساخته شده از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی و فولاد ضد زنگ رسوب سخت شونده، پس از لحیم‌کاری سخت، نیاز به عملیات حرارتی مطابق با الزامات خاص ماده دارند. اتصالات فولاد ضد زنگ لحیم‌کاری شده با فلزات پرکننده Ni Cr B و Ni Cr Si اغلب پس از لحیم‌کاری سخت با عملیات حرارتی نفوذی درمان می‌شوند تا الزامات مربوط به شکاف لحیم‌کاری کاهش یابد و ریزساختار و خواص اتصالات بهبود یابد.