釬焊真空度對(duì)銅與鉿釬焊接頭組織及性能的影響

路希龍, 劉 平, 劉新寬, 陳小紅, 何代華, 李 偉

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200093;2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200093)

釬焊真空度對(duì)銅與鉿釬焊接頭組織及性能的影響

路希龍1, 劉 平2, 劉新寬2, 陳小紅2, 何代華2, 李 偉2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海200093;
2.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200093)

采用72Ag-28Cu釬料對(duì)銅與鉿進(jìn)行真空釬焊試驗(yàn).釬焊溫度為840℃,保溫時(shí)間為15min,真空度試驗(yàn)范圍為5.0×10-2～8.0Pa.研究了釬焊真空度對(duì)銅與鉿釬焊接頭組織及性能的影響,采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察釬焊接頭的組織形貌,采用ZWICK-Z050電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接頭剪切強(qiáng)度.結(jié)果表明:隨著釬焊真空度的升高,接頭剪切強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì);在釬焊溫度為840℃、保溫時(shí)間為15min時(shí),較佳的釬焊真空度為2.0×10-1Pa.

銅;鉿; 釬焊; 真空度

0 前 言

銅具有高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,銀基和銅基釬料都能對(duì)其很好地潤(rùn)濕,與其他材料連接能起到加強(qiáng)散熱的作用[1-4].鉿是一種高熔點(diǎn)難熔的稀有金屬,具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能和較低的電子逸出功,被用作等離子切割用電極中的等離子發(fā)射體[5].

電極是等離子切割機(jī)割炬的主要元件,鉿與銅基體鑲嵌在一起,充分利用了鉿抗氧化性能好、電子逸出功低和銅的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好的特性,使電極在最大限度地發(fā)射等離子弧的同時(shí)又能將熱量盡快地傳導(dǎo)出去,不至于被很快地?zé)龘p.鉿與銅的連接方法有普通鑲嵌、機(jī)械壓緊鑲嵌、釬焊和擴(kuò)散焊等.在這些方法中,釬焊由于工藝簡(jiǎn)單、成本低及適用于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為研究者最關(guān)注的方法之一.其中鉿與銅的釬焊法是將鉿與銅基體焊接成一個(gè)整體,提高其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能,同時(shí)可有效防止熱脹冷縮產(chǎn)生間隙或氧化膜層,使電極壽命大大延長(zhǎng)[6].

在釬焊工藝參數(shù)中,真空度是影響真空釬焊質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù).釬焊真空度從兩個(gè)方面影響釬焊接頭質(zhì)量:第一種是釬縫元素的擴(kuò)散效果;第二種是元素的揮發(fā)[7].在釬焊過(guò)程中,真空度并不是越高越好,真空度過(guò)低,釬焊元件在高溫時(shí)易被氧化;真空度過(guò)高,不但浪費(fèi)時(shí)間與資金,還可能導(dǎo)致釬料的揮發(fā)而影響釬焊接頭的質(zhì)量.本文采用72Ag-28Cu釬料對(duì)銅與鉿進(jìn)行真空釬焊試驗(yàn),研究真空度對(duì)銅與鉿釬焊接頭組織與性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用的銅純度>99.99%,鉿為市購(gòu)工業(yè)用鉿,釬料為市購(gòu)72Ag-28Cu釬料.釬焊前將釬料軋制成厚度為0.1 mm的箔片,用1 200號(hào)水砂紙打磨試件和釬料表面,所有待焊試樣和釬料連接前均用無(wú)水乙醇進(jìn)行超聲波清洗10 min.將銅、釬料與鉿依次疊放,在真空爐中進(jìn)行釬焊試驗(yàn).釬焊過(guò)程中調(diào)節(jié)氬氣流量,控制真空度,試驗(yàn)范圍為5.0×10-2～8.0 Pa,具體試驗(yàn)參數(shù)為5.0×10-2、8.0×10-2、2.0×10-1、8.0×10-1和8.0 Pa,釬焊溫度為840 ℃,釬焊保溫時(shí)間為15 min,焊后隨爐冷卻至室溫出爐.

為研究釬焊真空度對(duì)釬焊接頭組織和性能的影響,釬焊接頭界面形貌采用Quanta FEG450型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(FESEM)進(jìn)行觀察;接頭剪切強(qiáng)度采用ZWICK-Z050電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試.

2 結(jié)果與分析

2.1 界面形貌

釬焊試驗(yàn)后,選取釬焊溫度為840 ℃、保溫時(shí)間為15 min、真空度為2.0×10-1Pa條件下的Hf/Cu接頭作為分析對(duì)象,如圖1所示.從圖1中可以看出,釬縫與母材結(jié)合緊密,焊接區(qū)界面清晰可辨.釬焊接頭分為三個(gè)區(qū)域:左側(cè)區(qū)域?yàn)殂x,右側(cè)區(qū)域?yàn)殂~,中間區(qū)域?yàn)殁F料層與擴(kuò)散.鉿與釬料層之間界限平直清晰,而銅與釬料層之間則較為曲折.

圖1 Hf/72Ag-28Cu/Cu微觀界面

2.2 釬焊真空度對(duì)接頭界面組織的影響

圖2是不同真空度下釬焊接頭的微觀組織SEM照片.從圖2中可以看出,在真空度為5.0×10-2Pa時(shí),鉿與釬縫之間連接不緊密,甚至出現(xiàn)了明顯的溝壑,說(shuō)明真空度過(guò)高,釬料揮發(fā)嚴(yán)重.

隨著真空度從5.0×10-2Pa逐漸降低,鉿與釬縫之間先是連接越來(lái)越致密,在真空度為2.0×10-1Pa時(shí),釬縫致密均勻,接頭界面連接效果最好.真空度降至8.0×10-1Pa和8.0 Pa時(shí),釬縫變得越來(lái)越寬,說(shuō)明釬焊真空度偏低,影響了釬焊元素的擴(kuò)散效果,釬焊反應(yīng)效果越來(lái)越差.

圖2 不同真空度下的釬焊接頭微觀組織

2.3 釬焊真空度對(duì)接頭性能的影響

表1為釬焊溫度840 ℃、保溫時(shí)間15 min的條件下,不同釬焊真空度下的釬焊接頭剪切強(qiáng)度及斷口位置.圖3為釬焊接頭剪切強(qiáng)度隨釬焊真空度變化的曲線.

從表1與圖3中可以看出,釬焊真空度為5.0×10-2～8.0 Pa時(shí),接頭剪切強(qiáng)度先隨真空度的升高而增大;當(dāng)真空度升高至2.0×10-1Pa時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值201 MPa;真空度超過(guò)2.0×10-1Pa時(shí),隨著真空度的升高,接頭的剪切強(qiáng)度反而下降.在低真空度為8.0 Pa與較高真空度為5.0×10-2Pa時(shí),剪切強(qiáng)度值與最高值相差較大.這說(shuō)明在5.0×10-2～8.0 Pa的真空度范圍內(nèi),釬焊真空度對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響顯著.

表1 不同釬焊真空度下釬焊接頭剪切強(qiáng)度及斷口位置

圖3 釬焊接頭剪切強(qiáng)度隨真空度變化曲線

3 分析與討論

釬焊接頭的強(qiáng)度取決于接頭的界面組織結(jié)構(gòu).在釬焊真空度為5.0×10-2～8.0 Pa的試驗(yàn)范圍內(nèi),接頭剪切強(qiáng)度先隨真空度的升高而增大.這是因?yàn)檎婵斩冗^(guò)低時(shí),元素?cái)U(kuò)散情況不理想,沒(méi)有形成良好的冶金結(jié)合.當(dāng)真空度升高至2.0×10-1Pa時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值201 MPa,此時(shí)釬縫中的各相分布均勻,元素?cái)U(kuò)散情況良好,接頭界面均勻致密.真空度超過(guò)2.0×10-1Pa時(shí),隨著真空度的升高,接頭的剪切強(qiáng)度明顯下降,這是因?yàn)檎婵斩冗^(guò)高,元素?fù)]發(fā)流失加劇,影響了釬縫的結(jié)構(gòu).在真空度升至5.0×10-2Pa時(shí),在鉿與釬縫結(jié)合處出現(xiàn)了明顯的溝痕,此時(shí)釬料與母材鉿結(jié)合很差,因此剪切強(qiáng)度低.

4 結(jié) 論

(1) 在釬焊真空度為5.0×10-2～8.0 Pa的試驗(yàn)范圍內(nèi),真空度對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響顯著.釬焊接頭剪切強(qiáng)度隨真空度的升高而增大,當(dāng)真空度升高至2.0×10-1Pa時(shí),剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值201 MPa.真空度超過(guò)2.0×10-1Pa時(shí),隨著真空度的升高,接頭的剪切強(qiáng)度反而下降.

(2) 釬焊真空度過(guò)低時(shí),元素?cái)U(kuò)散情況不理想,銅與鉿釬焊接頭沒(méi)有形成良好的冶金結(jié)合.真空度超過(guò)2.0×10-1Pa時(shí),真空度過(guò)高,元素?fù)]發(fā)流失加劇,影響了釬縫的結(jié)構(gòu).

(3) 在釬焊溫度為840 ℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí),最佳的釬焊真空度為2.0×10-1Pa.

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[2]謝鳳春,何鵬,馮吉才.鈦基非晶態(tài)釬料釬焊高強(qiáng)石墨與銅的界面特征[J].焊接學(xué)報(bào),2008,29(3):73-76.

[3]李飛賓,吳愛(ài)萍,鄒貴生,等.高純氧化鋁陶瓷與無(wú)氧銅的釬焊[J].焊接學(xué)報(bào),2008,29(3):53-56.

[4]張啟運(yùn),莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[5]柳旭,王力軍,陳松,等.金屬鉿的制備方法研究進(jìn)展[J].稀有金屬,2013,37(2):312-319.

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[7]張瑩.YG8硬質(zhì)合金與45鋼真空釬焊的研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2012.

高品質(zhì)再生鑄造鋁合金生產(chǎn)技術(shù)通過(guò)鑒定

由中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)主持,再生金屬分會(huì)具體組織的“高品質(zhì)再生鑄造鋁合金生產(chǎn)技術(shù)”科技成果通過(guò)了專(zhuān)家鑒定.該成果核心技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),工藝技術(shù)和裝備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.該技術(shù)由南通曼特威金屬材料有限公司和南通大學(xué)共同研發(fā).

鑒定委員會(huì)由中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)、再生金屬分會(huì)、東南大學(xué)、北京有色金屬研究總院、中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)和河海大學(xué)等單位的專(zhuān)家組成.鑒定委員會(huì)聽(tīng)取了項(xiàng)目研制、技術(shù)、應(yīng)用等專(zhuān)題匯報(bào),考察了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),審閱了鑒定資料.經(jīng)質(zhì)詢和討論,一致認(rèn)為,該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)率先突破了廢鋁制備高品質(zhì)再生鑄造鋁合金的關(guān)鍵技術(shù),自主研發(fā)了廢鋁浮選預(yù)處理技術(shù)和裝備,實(shí)現(xiàn)了清洗、浮選和烘干一體化操作,有效去除了廢鋁中的夾雜物,降低了含水率;獨(dú)創(chuàng)低溫快速熔煉技術(shù),攻克了低溫條件下熔煉時(shí)間長(zhǎng)的難題,有效降低了鋁合金中鐵、氣體和夾雜的含量;采用自主研發(fā)的多功能復(fù)合型熔劑,進(jìn)一步降低了鐵含量,提高了再生鋁合金變質(zhì)效果;研發(fā)的浸泡式快速冷卻技術(shù),縮短了冷卻時(shí)間,有效減少了β相的析出,提高了再生鋁合金的質(zhì)量.

目前,該技術(shù)已建成年產(chǎn)6萬(wàn)t的高品質(zhì)再生鑄造鋁合金產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線.鑒定委員會(huì)建議加快推廣應(yīng)用該技術(shù),為我國(guó)再生鋁產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)做出新的貢獻(xiàn).

(摘自《中國(guó)有色網(wǎng)》)

EffectsofBrazingVacuumDegreeonMicrostructureandMechanicalPropertiesofCopperandHafniumBrazedJoints

LUXi-long1,LIUPing2,LIUXin-kuan2,CHENXiao-hong2,HEDai-hua2,LIWei2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;
2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Copper and hafnium was brazed with 72Ag-28Cu filler metal in vacuum on condition that the brazing temperature is 840℃,the holding time is 15 minutes and the vacuum degree is 5.0×10-2-8.0 Pa.The effects of brazing vacuum degree on microstructure and mechanical properties of the copper and hafnium brazing joints were studied based on the microstructure and morphology of the brazing joints observed by scanning electron microscope (FESEM) and the shear strength of the joints tested with electrical universal material testing machine ZWICK-Z050.The results show that,with the increase of the brazing vacuum degree,the shear strength of joints increased first and then decreased.When the brazing temperature is 840 ℃ and the holding time is 15 minutes,the best vacuum degree is 2.0×10-1Pa.

copper; hafnium; brazing; vacuum degree

1005-2046(2014)03-0110-04

10．13258／j．cnki．snm．2014．03．004

2014-03-09

上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目(11YZ112)；上海市科委基礎(chǔ)重點(diǎn)項(xiàng)目(10JC1411800)

路希龍(1987-)，男，碩士研究生,主要從事等離子切割電極改進(jìn)的研究.E-mail：luxilong@msn.com

TG454

A