Furnace Brazing of AlSi-coated and Uncoated 22MnB5 Steel at Austenite Temperatures

• Main Author: Häggqvist, Adam
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Lättkonstruktioner 2015
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-185270

By continued advances in mechanical strength of press hardened boron alloyed steel (22MnB5) weight savings can be achieved by the use of less material. However, with reduced material thickness stiffness problems such as buckling arises and the high strength of the material can’t fully be taken advantage of. A solution to the stiffness problem could be to create a sandwich structure using 22MnB5 steel. To create a sandwich structure the faces have to be joined to the core. Work has been done concerning various methods of joining both coated and uncoated 22Mnb5 after being press hardened. A more direct approach would be to implement a joining process in the hot stamping line prior to forming and quenching. A joining method suitable for this task is Controlled Atmosphere Brazing (CAB), which today is used for both aluminum and steel brazing and could be implemented in a hot stamping furnace. Using a tube furnace with continuous gas flow of N2 overlap braze joints were produced on both AlSi-coated 22MnB5 (USIBOR® 1500P AS150) and plain 22MnB5. Material combination evaluated included two different brazing foil and two different flux paste in combination with various heat cycles. Both one-step braze cycles with brazing directly at austenite temperature and two-step braze cycles with brazing at a lower temperature followed by heat treatment at austenite temperature were developed. Evaluation of braze joint strength was done using tensile testing and the same was done to evaluate the coating strength of USIBOR® 1500P AS150 after heat treatment using adhesive to create an overlap joint. An adhesion pull-off test was used to determine USIBOR® 1500P  AS150 coating strength after various heat cycles. Scanning Electron Microscope (SEM) with Energy Dispersive Spectrometry (EDS) was used to investigate amount of Fe-diffusion from substrate into both coating and joint due to heat cycles and to determine phases connected to fracture location of joints. With NiCr-based brazing foil joints between plain 22MnB5 were produced with a braze time of 10 minutes at 950° C that had an avg. shear strength of 20 MPa. Brazing above the liquidus temperature of the filler material for 5 minutes with a higher furnace temperature showed no decrease in shear strength of joints, but reduced time in furnace by 16 minutes giving a total furnace time of 9 minutes. Best results for joints between USIBOR® 1500P AS150 substrates were achieved using a two-step brazing cycle. Brazing was done at 593° C for 35 minutes with AlSi12 brazing foil and flux paste recommended for aluminum brazing. Afterwards specimens where heated for 4 minutes above austenite temperature and had an avg. a shear strength of 5,4 MPa. EDS-analysis showed that fracture in braze joints and in coating of USIBOR® 1500P AS150 was connected to the intermetallic phase Al5Fe2 as well as Fe-diffusion from substrate was higher than in as received conventionally press hardened USIBOR® 1500P AS150. Adhesion pull-off tests indicated that the heat cycles used in this study significantly reduced coating strength compared to as received conventionally press hardened USIBOR® 1500P AS150. === Genom fortsatta framsteg inom hållfasthet av presshärdat borstål (22MnB5) kan viktminskning erhållas med mindre material användning. Med reducerad materialtjocklek uppstår dock styvhetsproblem som buckling och den höga styrkan hos materialet kan inte utnyttjas fullt ut. En lösning på styvhetshetsproblemet vore att skapa en sandwichstruktur med användning av 22MnB5 stål. För att skapa en sandwichstruktur krävs fogning mellan täckskikt och kärna. Arbete har utförts på olika fogningsmetoder för både belagt- och obelagt-22MnB5 efter att det genomgått press härdning. En mer direkt metod vore att implementera fogningsprocessen i presshärdningslinan i ett skede innan formning och släckning. En fogningsmetod lämpad för detta ändamål är Kontrollerad Atmosfärslödning (CAB) som idag används för såväl aluminium- som stållödning och skulle kunna implementeras i en presshärdningsugn. Med hjälp av en rörugn med kontinuerligt N2 gasflöde producerades överlapps lödfogar på både AlSi-belagt 22MnB5 (USIBOR® 1500P AS150) och vanligt 22MnB5. Kombinationen av material som undersöktes inkluderade två olika lödfolier samt två olika flusspastor tillsammans med olika värmecykler. Både enstegs lödcykler med lödning direkt vid austenittemperatur och tvåstegs lödcykler med lödning först vid en lägre temperatur följt av värmebehandling vid asutenittemperatur togs fram. Lödfogar utvärderades genom dragprov vilket också gjordes för att erhålla styrkan hos beläggningen på USIBOR® 1500P AS150 efter värmebehandling då lim användes för att skapa en överlappsfog. Vidhäftningsprovning utfördes för att bestämma adhesionsstyrkan av beläggningen på USBIOR® 1500P efter olika värmecykler. Svepelektronmikroskop (SEM) med Energi Dispersiv Spektroskopi (EDS) användes för att utvärdera mängden Fe diffusion från substrat till både beläggning och fog som följd av olika värmecyklar och för att bestämma faser berörande sprickpropagering i fogar. Med NiCr-baserad lödfolie producerades fogar mellan 22MnB5 stål med en håll tid för lödning om 10 minuter vid 950° C vilka hade medelvärde för skjuvstyrka på 20 MPa. Det visade sig att lödning ovanför tillsatsmaterialets liquidus temperatur i 5 minuter med en högre ugnstemperatur kunde reducera tiden i ugn med 16 minuter utan att påverka styrkan hos fogen, vilket gav en totaltid i ugn om 9 minuter. För fogar mellan USBIOR® 1500P substrat erhölls bäst resultat med en tvåstegs lödcykel. Lödning utfördes vid 593° C i 35 minuter med AlSi12 lödfolie och flusspasta rekommenderad för aluminium lödning. Proverna genomgick sedan en värmecykel över austenittemperatur i 4 minuter och hade medelvärde för skjuvstyrka på 5,4 MPa. Från EDS-analys framkom det att brott i fogar och i beläggning av USIBOR® 1500P AS150 sammanföll med den intermetalliska fasen Al5Fe2 och att Fe-diffusion från substrat var högre än i som levererat industriellt presshärdat USIBOR® 1500P AS150. Det visade sig från vidhäftningsprov att de värmecykler som använts i denna studie tydligt reducerade styrkan i beläggningen jämfört med prover från som levererat industriellt presshärdat USBIOR® 1500P AS150.