การบัดกรีเหล็กสแตนเลส

การบัดกรีเหล็กสแตนเลส

1. ความสามารถในการบัดกรีแข็ง

ปัญหาหลักในการบัดกรีสแตนเลสคือฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อการเปียกและการแพร่กระจายของตะกั่วบัดกรี สแตนเลสหลายชนิดมีโครเมียมอยู่เป็นจำนวนมาก และบางชนิดยังมีนิกเกิล ไททาเนียม แมงกานีส โมลิบดีนัม และธาตุอื่นๆ ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นออกไซด์หรือแม้กระทั่งออกไซด์ผสมบนพื้นผิวได้หลายชนิด ออกไซด์เหล่านี้ ได้แก่ Cr2O3 และ TiO2 ของโครเมียมและไททาเนียมค่อนข้างเสถียรและกำจัดออกได้ยาก เมื่อบัดกรีในอากาศ จำเป็นต้องใช้ฟลักซ์ที่มีฤทธิ์ในการขจัดออก เมื่อบัดกรีในบรรยากาศป้องกัน ฟิล์มออกไซด์จะลดลงเฉพาะในบรรยากาศที่มีความบริสุทธิ์สูง มีจุดน้ำค้างต่ำ และอุณหภูมิสูงเพียงพอ ในการบัดกรีในสุญญากาศ จำเป็นต้องมีสุญญากาศและอุณหภูมิที่เพียงพอเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการบัดกรีที่ดี

ปัญหาอีกประการหนึ่งของการบัดกรีสเตนเลสคือ อุณหภูมิความร้อนส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อโครงสร้างของโลหะพื้นฐาน อุณหภูมิความร้อนในการบัดกรีของสเตนเลสออสเทนนิติกไม่ควรสูงกว่า 1,150 องศาเซลเซียส มิฉะนั้นเกรนจะโตขึ้นอย่างมาก หากสเตนเลสออสเทนนิติกไม่มีธาตุไททาเนียมหรือไนไตรต์ที่เสถียรและมีปริมาณคาร์บอนสูง ควรหลีกเลี่ยงการบัดกรีที่อุณหภูมิไวต่อการกระตุ้น (500 ~ 850 องศาเซลเซียส) เพื่อป้องกันความต้านทานการกัดกร่อนลดลงเนื่องจากการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ การเลือกอุณหภูมิในการบัดกรีสำหรับสเตนเลสมาร์เทนซิติกนั้นเข้มงวดกว่า วิธีหนึ่งคือการจับคู่อุณหภูมิในการบัดกรีกับอุณหภูมิในการชุบแข็ง เพื่อให้กระบวนการบัดกรีเข้ากับกระบวนการอบชุบความร้อนเป็นไปอย่างราบรื่น อีกวิธีหนึ่งคืออุณหภูมิในการบัดกรีควรต่ำกว่าอุณหภูมิในการอบชุบ เพื่อป้องกันไม่ให้โลหะพื้นฐานอ่อนตัวลงระหว่างการบัดกรี หลักการเลือกอุณหภูมิการบัดกรีของสแตนเลสชุบแข็งแบบตกตะกอนนั้นเหมือนกับหลักการเลือกอุณหภูมิการบัดกรีของสแตนเลสแบบมาร์เทนซิติก นั่นก็คือ อุณหภูมิการบัดกรีจะต้องตรงกับระบบการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลที่ดีที่สุด

นอกจากปัญหาหลักสองประการข้างต้นแล้ว ยังมีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากความเค้นเมื่อบัดกรีสเตนเลสออสเทนนิติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อบัดกรีด้วยโลหะเติมทองแดงและสังกะสี เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวจากความเค้น ชิ้นงานควรได้รับการอบอ่อนด้วยความร้อนที่คลายความเค้นก่อนการบัดกรี และชิ้นงานควรได้รับความร้อนสม่ำเสมอระหว่างการบัดกรี

2. วัสดุบัดกรี

(1) ตามความต้องการใช้งานของการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะเติมสำหรับการบัดกรีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม ได้แก่ โลหะเติมสำหรับการบัดกรีดีบุกและตะกั่ว โลหะเติมสำหรับการบัดกรีที่มีฐานเป็นเงิน โลหะเติมสำหรับการบัดกรีที่มีฐานเป็นทองแดง โลหะเติมสำหรับการบัดกรีที่มีฐานเป็นแมงกานีส โลหะเติมสำหรับการบัดกรีที่มีฐานเป็นนิกเกิล และโลหะเติมสำหรับการบัดกรีโลหะมีค่า

ตะกั่วบัดกรีดีบุกส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีสแตนเลส และเหมาะกับการบัดกรีที่มีปริมาณดีบุกสูง ยิ่งตะกั่วบัดกรีมีปริมาณดีบุกสูงเท่าใด ก็ยิ่งทำให้การชุบแข็งบนสแตนเลสดีขึ้นเท่านั้น ตารางที่ 3 ระบุค่าความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่บัดกรีด้วยตะกั่วบัดกรีทั่วไป เนื่องจากความแข็งแรงของข้อต่อต่ำ จึงใช้เฉพาะกับการบัดกรีชิ้นส่วนที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักต่ำเท่านั้น

ตารางที่ 3 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่เชื่อมด้วยตะกั่วดีบุก

โลหะเติมที่มีส่วนประกอบของเงินเป็นโลหะเติมที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับการบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิม ในบรรดาโลหะเติมเหล่านี้ โลหะเติมที่มีส่วนประกอบของเงิน ทองแดง สังกะสี และเงิน ทองแดง สังกะสี แคดเมียม เป็นโลหะเติมที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากอุณหภูมิในการบัดกรีมีผลเพียงเล็กน้อยต่อคุณสมบัติของโลหะฐาน ความแข็งแรงของข้อต่อเหล็กกล้าไร้สนิม ICr18Ni9Ti ที่บัดกรีด้วยสารบัดกรีที่มีส่วนประกอบของเงินหลายชนิดแสดงไว้ในตารางที่ 4 ข้อต่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่บัดกรีด้วยสารบัดกรีที่มีส่วนประกอบของเงินมักไม่ค่อยได้ใช้กับวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง และอุณหภูมิในการทำงานของข้อต่อโดยทั่วไปจะไม่เกิน 300 องศาเซลเซียส เมื่อบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมโดยไม่ใช้นิกเกิล เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของข้อต่อที่บัดกรีในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น ควรใช้โลหะเติมที่บัดกรีด้วยนิกเกิลมากขึ้น เช่น b-ag50cuzncdni สำหรับการบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก เพื่อป้องกันการอ่อนตัวของโลหะฐาน ควรใช้โลหะเติมที่บัดกรีด้วยอุณหภูมิในการบัดกรีไม่เกิน 650 องศาเซลเซียส เช่น b-ag40cuzncd ในการบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมในบรรยากาศป้องกัน สามารถใช้ฟลักซ์บัดกรีเองที่มีลิเธียมเป็นส่วนประกอบ เช่น b-ag92culi และ b-ag72culi เพื่อขจัดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิว ส่วนในการบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมในสุญญากาศ เพื่อให้สามารถรักษาคุณสมบัติการเปียกได้ดี แม้ว่าจะปราศจากธาตุที่ระเหยง่าย เช่น สังกะสี และ โครเมียม จึงสามารถเลือกใช้โลหะเติมเงินที่มีธาตุ เช่น แมงกานีส นิกเกิล และ ไดออกไซด์

ตารางที่ 4 ความแข็งแรงของข้อต่อสแตนเลส ICr18Ni9Ti ที่เชื่อมด้วยโลหะเติมฐานเงิน

โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานที่ใช้กับเหล็กกล้าชนิดต่างๆ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยทองแดงบริสุทธิ์ ทองแดงนิกเกิล และทองแดงแมงกานีสโคบอลต์ โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานทองแดงบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีภายใต้สภาวะป้องกันแก๊สหรือสุญญากาศ อุณหภูมิการทำงานของข้อต่อสแตนเลสไม่เกิน 400 องศาเซลเซียส แต่ข้อต่อมีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันต่ำ โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานทองแดงนิกเกิลส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีด้วยเปลวไฟและการบัดกรีด้วยการเหนี่ยวนำ ตารางที่ 5 ความแข็งแรงของข้อต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่เชื่อมประสานแล้วแสดงความแข็งแรงไว้ จะเห็นได้ว่าข้อต่อมีความแข็งแรงเทียบเท่ากับโลหะพื้นฐาน และมีอุณหภูมิในการทำงานสูง โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสาน Cu Mn co ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีสเตนเลสแบบมาร์เทนซิติกในบรรยากาศป้องกัน ความแข็งแรงและอุณหภูมิในการทำงานเทียบเท่ากับการบัดกรีด้วยโลหะเติมที่มีทองคำเป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างเช่น ข้อต่อสแตนเลส 1Cr13 ที่บัดกรีด้วยตะกั่ว b-cu58mnco มีประสิทธิภาพเท่ากับข้อต่อสแตนเลสที่บัดกรีด้วยตะกั่ว b-au82ni (ดูตารางที่ 6) แต่ต้นทุนการผลิตลดลงอย่างมาก

ตารางที่ 5 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่เชื่อมด้วยโลหะเติมฐานทองแดงทนอุณหภูมิสูง

ตารางที่ 6 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อเชื่อมสแตนเลส 1Cr13

โลหะเติมสำหรับบัดกรีที่มีส่วนประกอบของแมงกานีสส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีแบบป้องกันแก๊ส และต้องการความบริสุทธิ์ของแก๊สสูง เพื่อป้องกันการเติบโตของเกรนของโลหะพื้นฐาน ควรเลือกใช้โลหะเติมสำหรับบัดกรีที่มีอุณหภูมิการบัดกรีต่ำกว่า 1150 องศาเซลเซียส รอยต่อสแตนเลสที่บัดกรีด้วยตะกั่วบัดกรีที่มีส่วนประกอบของแมงกานีสสามารถให้ประสิทธิภาพการบัดกรีที่น่าพอใจ ดังแสดงในตารางที่ 7 อุณหภูมิการทำงานของรอยต่อสามารถสูงถึง 600 องศาเซลเซียส

ตารางที่ 7 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อสแตนเลส lcr18ni9fi ที่เชื่อมด้วยโลหะเติมที่มีส่วนประกอบของแมงกานีส

เมื่อเชื่อมสแตนเลสด้วยโลหะเติมนิกเกิล รอยต่อจะมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงได้ดี โดยทั่วไปโลหะเติมชนิดนี้จะใช้สำหรับการบัดกรีแบบป้องกันแก๊สหรือการบัดกรีแบบสุญญากาศ เพื่อแก้ปัญหาการเกิดสารประกอบเปราะในรอยต่อระหว่างการขึ้นรูปรอยต่อ ซึ่งลดความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของรอยต่อลงอย่างมาก ควรลดช่องว่างของรอยต่อให้น้อยที่สุด เพื่อให้มั่นใจว่าองค์ประกอบเปราะที่ก่อตัวได้ง่ายในตะกั่วบัดกรีจะแพร่กระจายเข้าไปในโลหะฐานได้อย่างเต็มที่ เพื่อป้องกันการเกิดเกรนของโลหะฐานเนื่องจากระยะเวลาการยึดติดที่ยาวนานที่อุณหภูมิการบัดกรี จึงสามารถใช้วิธีการรักษาการยึดติดในระยะเวลาสั้นและการแพร่ความร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า (เมื่อเทียบกับอุณหภูมิการบัดกรี) หลังการเชื่อมได้

โลหะเติมสำหรับการเชื่อมประสานโลหะโนเบิลที่ใช้สำหรับการเชื่อมประสานเหล็กกล้าไร้สนิมส่วนใหญ่ประกอบด้วยโลหะเติมที่มีทองเป็นส่วนประกอบและโลหะเติมที่มีแพลเลเดียมเป็นส่วนประกอบ ซึ่งโลหะเติมที่พบมากที่สุด ได้แก่ b-au82ni, b-ag54cupd และ b-au82ni ซึ่งมีคุณสมบัติการชุบแข็งที่ดี ข้อต่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่ผ่านการเชื่อมประสานมีความแข็งแรงและทนต่ออุณหภูมิสูง และสามารถทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ที่อุณหภูมิสูงสุด 800 องศาเซลเซียส B-ag54cupd มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับ b-au82ni และมีราคาถูก จึงมีแนวโน้มที่จะนำมาใช้แทน b-au82ni

(2) พื้นผิวของสเตนเลสสตีลในบรรยากาศของฟลักซ์และเตาเผาประกอบด้วยออกไซด์ เช่น Cr2O3 และ TiO2 ซึ่งสามารถขจัดออกได้โดยใช้ฟลักซ์ที่มีกิจกรรมสูงเท่านั้น เมื่อเชื่อมสเตนเลสสตีลด้วยตะกั่วบัดกรีดีบุก ฟลักซ์ที่เหมาะสมคือสารละลายกรดฟอสฟอริกในน้ำหรือสารละลายกรดไฮโดรคลอริกซิงค์ออกไซด์ ช่วงเวลาของกิจกรรมของสารละลายกรดฟอสฟอริกในน้ำสั้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเชื่อมที่ให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว ฟลักซ์ Fb102, fb103 หรือ fb104 สามารถใช้เชื่อมสเตนเลสสตีลกับโลหะเติมที่มีเงินเป็นองค์ประกอบได้ เมื่อเชื่อมสเตนเลสสตีลกับโลหะเติมที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบ จะใช้ฟลักซ์ fb105 เนื่องจากอุณหภูมิในการบัดกรีสูง

การบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมในเตาเผา มักใช้บรรยากาศสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกัน เช่น ไฮโดรเจน อาร์กอน และแอมโมเนียสลายตัว ความดันสุญญากาศขณะบัดกรีควรต่ำกว่า 10-2Pa เมื่อบัดกรีในบรรยากาศป้องกัน จุดน้ำค้างของก๊าซไม่ควรสูงกว่า -40°C หากความบริสุทธิ์ของก๊าซไม่เพียงพอหรืออุณหภูมิในการบัดกรีไม่สูง สามารถเติมฟลักซ์บัดกรีก๊าซ เช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์ ลงในบรรยากาศได้เล็กน้อย

2. เทคโนโลยีการบัดกรี

ต้องทำความสะอาดสแตนเลสให้เข้มงวดยิ่งขึ้นก่อนการบัดกรีเพื่อขจัดคราบไขมันและฟิล์มน้ำมัน ควรบัดกรีทันทีหลังจากทำความสะอาด

การบัดกรีสแตนเลสสามารถทำได้โดยใช้เปลวไฟ การเหนี่ยวนำ และการใช้ความร้อนปานกลางของเตาเผา เตาเผาสำหรับการบัดกรีในเตาเผาต้องมีระบบควบคุมอุณหภูมิที่ดี (อุณหภูมิในการบัดกรีต้องเบี่ยงเบนไม่เกิน ± 6 องศาเซลเซียส) และสามารถทำให้เย็นลงได้อย่างรวดเร็ว เมื่อใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซป้องกันสำหรับการบัดกรี ความต้องการไฮโดรเจนจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการบัดกรีและองค์ประกอบของโลหะพื้นฐาน กล่าวคือ ยิ่งอุณหภูมิในการบัดกรีต่ำ โลหะพื้นฐานก็จะมีสารคงตัวมากขึ้น และจุดน้ำค้างของไฮโดรเจนก็จะลดลง ตัวอย่างเช่น สำหรับสแตนเลสมาร์เทนซิติก เช่น 1Cr13 และ cr17ni2t เมื่อบัดกรีที่อุณหภูมิ 1000 องศาเซลเซียส จุดน้ำค้างของไฮโดรเจนจะต้องต่ำกว่า -40 องศาเซลเซียส สำหรับสแตนเลสโครเมียม-นิกเกิล 18-8 ที่ไม่มีสารคงตัว จุดน้ำค้างของไฮโดรเจนจะต้องต่ำกว่า 25 องศาเซลเซียส ในระหว่างการบัดกรีที่อุณหภูมิ 1150 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 1Cr18Ni9Ti ที่มีสารคงตัวไทเทเนียม จุดน้ำค้างของไฮโดรเจนต้องต่ำกว่า -40 ℃ เมื่อบัดกรีที่อุณหภูมิ 1150 ℃ เมื่อบัดกรีด้วยสารป้องกันอาร์กอน ความบริสุทธิ์ของอาร์กอนจะต้องสูงกว่า หากชุบทองแดงหรือนิกเกิลบนพื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม ความต้องการความบริสุทธิ์ของก๊าซป้องกันสามารถลดลงได้ เพื่อให้แน่ใจว่าฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิมถูกกำจัดออก สามารถเติมฟลักซ์ก๊าซ BF3 และใช้บัดกรีฟลักซ์ที่มีส่วนผสมของลิเธียมหรือโบรอนได้ ในการบัดกรีด้วยสุญญากาศ ความต้องการระดับสุญญากาศจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการบัดกรี เมื่ออุณหภูมิในการบัดกรีเพิ่มขึ้น สูญญากาศที่ต้องการสามารถลดลงได้

กระบวนการหลักของสเตนเลสหลังการบัดกรีคือการทำความสะอาดฟลักซ์ตกค้างและสารยับยั้งการไหลตกค้าง และทำการอบชุบด้วยความร้อนหลังการบัดกรีหากจำเป็น ฟลักซ์ตกค้างสามารถล้างด้วยน้ำ ทำความสะอาดด้วยเครื่องจักร หรือทำความสะอาดด้วยสารเคมี ขึ้นอยู่กับฟลักซ์และวิธีการบัดกรีที่ใช้ หากใช้สารกัดกร่อนเพื่อทำความสะอาดฟลักซ์ตกค้างหรือฟิล์มออกไซด์ในบริเวณที่ได้รับความร้อนใกล้รอยต่อ ควรใช้ทรายหรืออนุภาคละเอียดที่ไม่ใช่โลหะอื่นๆ ชิ้นส่วนที่ทำจากสเตนเลสสตีลแบบมาร์เทนซิติกและสเตนเลสสตีลแบบชุบแข็งแบบตกตะกอนจำเป็นต้องผ่านการอบชุบด้วยความร้อนตามข้อกำหนดเฉพาะของวัสดุหลังการบัดกรี รอยต่อสเตนเลสสตีลที่บัดกรีด้วยโลหะเติม Ni Cr B และ Ni Cr Si มักผ่านการอบชุบด้วยความร้อนแบบกระจายหลังการบัดกรี เพื่อลดช่องว่างระหว่างการบัดกรี และปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของรอยต่อ