Solderen van roestvast staal: Uitleg

1. Soldeerprestaties

Het belangrijkste probleem bij het hardsolderen van roestvast staal is de aanwezigheid van oxidelagen op het oppervlak, die de bevochtigbaarheid en verspreiding van het toevoegmetaal aanzienlijk beïnvloeden.

Verschillende roestvaste staalsoorten bevatten een aanzienlijke hoeveelheid Cr, en sommige bevatten ook elementen zoals Ni, Ti, Mn, Mo, Nb, enz., die verschillende oxiden en zelfs complexe oxiden op het oppervlak kunnen vormen. Onder hen kunnen de oxiden van Cr en Ti, Cr₂O₃ en TiO₂zijn vrij stabiel en moeilijk te verwijderen.

Bij hardsolderen in de lucht is actieve flux nodig om ze te verwijderen. Bij hardsolderen in een beschermende atmosfeer kan de oxidelaag alleen worden verminderd bij een laag dauwpunt, een zeer zuivere atmosfeer en een voldoende hoge temperatuur. Bij vacuümsolderen zijn een hoog vacuüm en een hoge temperatuur nodig om goede soldeereffecten te bereiken.

Een ander probleem bij het hardsolderen van roestvast staal is dat de verhittingstemperatuur een aanzienlijke invloed heeft op de microstructuur van het basismateriaal. De verhittingstemperatuur voor het hardsolderen van austenitisch roestvast staal mag niet hoger zijn dan 1150°C, omdat dan overmatige korrelgroei kan optreden.

Als het austenitisch roestvast staal geen stabiliserende elementen zoals Ti of Nb bevat en een hoog koolstofgehaltehardsolderen binnen het bereik van de sensibilisatietemperatuur (500-850°C) moet worden vermeden om het neerslaan van chroomcarbiden te voorkomen en de corrosiebestendigheid te verminderen.

De temperatuurselectie voor martensitisch roestvrij staal hardsolderen is strenger. Het vereist dat de hardsoldeertemperatuur overeenkomt met de afschriktemperatuur, waarbij de soldeerproces met het warmtebehandelingsproces, of de soldeertemperatuur moet lager zijn dan de hardingstemperatuur om verweking van het basismateriaal tijdens het solderen te voorkomen.

Het temperatuurselectieprincipe voor precipitatiehardend roestvast staal is hetzelfde als dat voor martensitisch roestvast staal, waarbij de hardsoldeertemperatuur moet overeenkomen met het warmtebehandelingsregime om optimale mechanische eigenschappen te verkrijgen.

Naast de bovenstaande twee hoofdproblemen is austenitisch roestvast staal gevoelig voor spanningsscheuren tijdens het hardsolderen, vooral bij het hardsolderen met koper-zink vulmetalen. Om spanningsscheuren te voorkomen, moet het werkstuk spanningsontlasting ondergaan gloeien voor het hardsolderen en de verwarming van het werkstuk tijdens het hardsolderen moet zo gelijkmatig mogelijk zijn.

  2. Soldeermaterialen

   (1) Vulmetalen

 Volgens de vereisten van roestvaststalen lasverbindingen zijn de meest gebruikte toevoegmaterialen voor het solderen van roestvast staal tin-loodsoldeer, toevoegmaterialen op zilverbasis, toevoegmaterialen op koperbasis, toevoegmaterialen op mangaanbasis, toevoegmaterialen op nikkelbasis en toevoegmaterialen op edelmetaalbasis.

Tin-loodsoldeer wordt voornamelijk gebruikt voor zacht hardsolderen van roestvast staal, en een hoger tingehalte heeft de voorkeur. Hoe hoger het tingehalte in het toevoegmetaal, hoe beter het bevochtigingsvermogen op roestvrij staal.

De afschuifsterkte van 1Cr18Ni9Ti roestvaststalen verbindingen gesoldeerd met verschillende veelgebruikte tin-lood soldeerproducten is weergegeven in Tabel 3. Vanwege de lage verbindingssterkte wordt het alleen gebruikt voor het hardsolderen van onderdelen met lage belastbaarheidseisen.

Tabel 3 Afschuifsterkte van 1Cr18N9Ti roestvrij staalverbindingen gesoldeerd met tin-loodsoldeer

Vulmetalen op basis van zilver zijn de meest gebruikte vulmetalen voor het hardsolderen van roestvast staal, waarbij zilver-koper-zink en zilver-koper-zink-cadmium de meest gebruikte vulmetalen zijn vanwege hun minimale invloed op de eigenschappen van het basismateriaal bij soldeertemperaturen.

De sterkte van 1Cr18Ni9Ti roestvaststalen verbindingen gesoldeerd met verschillende veelgebruikte zilverhoudende toevoegmaterialen staat vermeld in Tabel 4. Roestvast stalen verbindingen gesoldeerd met zilverhoudende vulmetalen worden zelden gebruikt in zeer corrosieve omgevingen en de bedrijfstemperatuur van de verbindingen is over het algemeen niet hoger dan 300°C.

Bij het hardsolderen van roestvast staal zonder nikkel moet een toevoegmetaal met een hoger nikkelgehalte, zoals B-Ag50CuZnCdNi, worden gebruikt om corrosie van de gesoldeerde verbinding in vochtige omgevingen te voorkomen.

Bij het hardsolderen van martensitisch roestvast staal moet een toevoegmateriaal met een hardsoldeertemperatuur van maximaal 650°C, zoals B-Ag40CuZnCd, worden gebruikt om verweking van het basismateriaal te voorkomen.

Bij het hardsolderen van roestvast staal in een beschermende atmosfeer kan een zelfvloeiend lithiumhoudend toevoegmetaal, zoals B-Ag92CuLi en B-Ag72CuLi, worden gebruikt om de oxidelaag op het oppervlak te verwijderen.

Bij het hardsolderen van roestvast staal in vacuüm kan een zilverhoudend toevoegmetaal met elementen zoals Mn, Ni en Rd worden gekozen om goede bevochtigingseigenschappen van het toevoegmetaal te garanderen, zelfs zonder gemakkelijk verdampende elementen zoals Zn en Cd.

Tabel 4 Sterkte van 1Cr18N9Ti roestvrij staalverbindingen gesoldeerd met op zilver gebaseerde vulmetalen

De belangrijkste op koper gebaseerde hardsoldeermaterialen die worden gebruikt voor het hardsolderen van verschillende staalverbindingen zijn puur koper, koper-nikkel en koper-mangaan-kobalt hardsoldeermaterialen. Zuiver kopersolderen materiaal wordt voornamelijk gebruikt voor hardsolderen onder gasbeschermings- of vacuümomstandigheden.

Het is geschikt voor roestvaststalen verbindingen met een werktemperatuur van maximaal 400℃, maar de oxidatieweerstand is niet goed. Koper-nikkel hardsoldeermateriaal wordt voornamelijk gebruikt voor vlamhardsolderen en inductiesolderen.

De sterkte van de gesoldeerde verbinding van 1Cr18Ni9Ti roestvast staal wordt getoond in Tabel 5. Het is te zien dat de verbinding dezelfde sterkte heeft als het basismateriaal en kan werken bij hogere temperaturen.

Koper-mangaan-kobalt hardsoldeermateriaal wordt voornamelijk gebruikt voor het hardsolderen van martensitisch roestvast staal in een beschermende atmosfeer. De sterkte en werktemperatuur van de verbinding kunnen vergelijkbaar zijn met die van de verbinding gesoldeerd met hardsoldeermateriaal op basis van goud.

De prestaties van de 1Cr13 roestvaststalen verbinding gesoldeerd met B-Cu58MnCo soldeermateriaal zijn bijvoorbeeld gelijkwaardig aan die van dezelfde roestvaststalen verbinding gesoldeerd met B-Au82Ni soldeermateriaal (zie Tabel 6), maar de productiekosten zijn aanzienlijk lager.

Tabel 5 Afschuifsterkte van 1Cr18Ni9Ti roestvaststalen verbinding gesoldeerd met hardsoldeermateriaal op basis van koper bij hoge temperatuur.

Tabel 5 Afschuifsterkte van 1Cr18Ni9Ti roestvaststalen verbinding gesoldeerd met hardsoldeermateriaal op basis van koper bij hoge temperatuur.

Tabel 6 Afschuifsterkte van 1Cr13 roestvast staal gesoldeerde verbindingen

Hardsoldeermaterialen op mangaanbasis worden voornamelijk gebruikt voor gasafgeschermd hardsolderen en er is zeer zuiver gas nodig. Om korrelgroei in het basismateriaal te voorkomen, is het raadzaam om hardsoldeertemperaturen onder 1150℃ te gebruiken met het bijbehorende hardsoldeermateriaal.

Bevredigende hardsoldeerresultaten kunnen worden bereikt met roestvrijstalen verbindingen die zijn gesoldeerd met hardsoldeermaterialen op mangaanbasis, zoals weergegeven in tabel 7. De verbinding is bestand tegen werktemperaturen tot 600℃.

Tabel 7 Afschuifsterkte van 1Cr18Ni9Ti roestvrijstalen verbindingen gesoldeerd met hardsoldeermateriaal op mangaanbasis.

Wanneer soldeer op basis van nikkel wordt gebruikt voor het hardsolderen van roestvrij staal, heeft de verbinding goede prestaties bij hoge temperaturen. Dit type soldeer wordt over het algemeen gebruikt voor gas- of vacuümsolderen.

Om het probleem van overmatige vorming van brosse verbindingen in de gesoldeerde verbinding op te lossen, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van de sterkte en plasticiteit van de verbinding, moet de ruimte tussen de verbindingen zo klein mogelijk worden gehouden en moeten de elementen die gemakkelijk brosse fasen vormen in het soldeer volledig worden verspreid in het basismateriaal.

Om het fenomeen van korrelgroei in het basismateriaal bij hardsoldeertemperatuur als gevolg van een te lange isolatietijd te voorkomen, kan na het hardsolderen een kortdurende isolatie en een diffusiebehandeling bij lage temperatuur (vergeleken met de hardsoldeertemperatuur) worden toegepast.

Edelmetaalsoldeer dat gebruikt wordt voor het hardsolderen van roestvast staal omvat voornamelijk soldeer op basis van goud en palladium, waarvan de meest typische B-Au82Ni en B-Ag54CuPd zijn. B-Au82Ni heeft een goede bevochtigbaarheid.

De gesoldeerde roestvrijstalen verbinding heeft een hoge sterkte en oxidatieweerstand bij hoge temperaturen en de maximale werktemperatuur kan 800 ℃ bereiken. B-Ag54CuPd heeft vergelijkbare eigenschappen als B-Au82Ni en heeft een lagere prijs, dus er is een tendens om B-Au82Ni te vervangen.

(2) Soldeervloeimiddel en ovenatmosfeer: Het oppervlak van roestvast staal bevat oxiden zoals Cr₂O₃ en TiO₂die moet worden verwijderd met een actief vloeimiddel. Bij het hardsolderen van roestvast staal met tin-loodsoldeer kan fosforzuuroplossing of zinkoxide-zoutzuuroplossing worden gebruikt als vloeimiddel.

De fosforzuuroplossing heeft een korte activeringstijd en vereist een snel opwarmende soldeermethode. Bij het hardsolderen van roestvast staal met soldeer op zilverbasis kan flux FB102, FB103 of FB104 gebruikt worden. Bij het hardsolderen van roestvast staal met soldeer op koperbasis wordt vloeimiddel FB105 gebruikt vanwege de hogere hardsoldeertemperatuur.

Bij het hardsolderen van roestvast staal in een oven wordt meestal een vacuümatmosfeer of een beschermende atmosfeer zoals waterstof, argon en ammoniak gebruikt. Bij vacuümsolderen moet de vacuümdruk lager zijn dan 10-2Pa.

Bij hardsolderen in een beschermende atmosfeer mag het dauwpunt van het gas niet hoger zijn dan -40℃. Als het gas niet zuiver genoeg is of de soldeertemperatuur niet hoog is, kan een kleine hoeveelheid gasflux zoals boortrifluoride aan de atmosfeer worden toegevoegd.

3. Soldeertechnieken

Voordat roestvast staal wordt gesoldeerd, moet het strikter worden gereinigd om vet- en oliefilm te verwijderen en moet het hardsolderen onmiddellijk na het reinigen worden uitgevoerd.

Solderen van roestvast staal kan worden gedaan met vlam-, inductie- of ovenverwarmingsmethoden. De oven die gebruikt wordt voor hardsolderen in een oven moet een goed temperatuurregelsysteem hebben (de afwijking van de hardsoldeertemperatuur moet binnen ±6℃ liggen) en moet snel kunnen afkoelen.

Bij gebruik van waterstof als beschermgas voor hardsolderen hangen de vereisten voor waterstof af van de hardsoldeertemperatuur en de samenstelling van het basismateriaal.

Dat wil zeggen, hoe lager de soldeertemperatuur en hoe hoger het stabilisatorgehalte in het basismateriaal, hoe lager het dauwpunt van waterstofgas vereist is.

Bijvoorbeeld, voor martensitische roestvrij staal zoals 1Cr13 en Cr17Ni2t, moet het dauwpunt van waterstofgas lager zijn dan -40℃ bij 1000℃ soldeertemperatuur; voor ongestabiliseerde 18-8 chroom-nikkel roestvrij staal, moet het dauwpunt van waterstofgas lager zijn dan 25℃ bij 1150℃ soldeertemperatuur, maar voor 1Cr18Ni9Ti roestvrij staal met titanium stabilisator, moet het dauwpunt van waterstofgas bij een soldeertemperatuur van 1150℃ lager zijn dan -40℃.

Bij gebruik van argon als beschermgas voor hardsolderen is een hogere zuiverheid van argongas vereist.

Als er koper- of nikkelplating wordt aangebracht op het oppervlak van roestvrij staal, kan de vereiste zuiverheid van het beschermgas worden verlaagd.

Om ervoor te zorgen dat de oxidelaag op het oppervlak van roestvrij staal wordt verwijderd, kan BF3-gasflux worden toegevoegd of kan zelfvloeiend soldeer met lithium of boor worden gebruikt. Het vacuüm dat nodig is voor het vacuümsolderen van roestvast staal hangt af van de soldeertemperatuur. Met de toename van de soldeertemperatuur kan de vereiste vacuümgraad worden verlaagd.

Het belangrijkste proces na het hardsolderen van roestvast staal is het reinigen van de residuele flux en de residuele fluxinhibitor en indien nodig het uitvoeren van een warmtebehandeling na het hardsolderen. Afhankelijk van de gebruikte flux en soldeermethode kan restflux worden verwijderd door spoelen met water, mechanisch reinigen of chemisch reinigen.

Als er een schuurmiddel wordt gebruikt om achtergebleven flux of oxidelaag in de buurt van de lasnaad te verwijderen, moet er zand of een ander schuurmiddel worden gebruikt. niet-metalen moeten fijne deeltjes worden gebruikt.

Voor martensitische roestvrijstalen en precipitatiegeharde roestvrijstalen onderdelen is een warmtebehandeling na het solderen vereist volgens de speciale vereisten van het materiaal.

Roestvaststalen verbindingen gesoldeerd met nikkel-chroom-borium en nikkel-chroom-silicium soldeer worden na het solderen vaak onderworpen aan een diffusie-warmtebehandeling om de eisen voor voegspleten te verminderen en de structuur en eigenschappen van de verbinding te verbeteren.