剎車片擴(kuò)散焊接頭組織和性能

鄒克武，雒新宇，孫曉燕

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德067000）

剎車片擴(kuò)散焊接頭組織和性能

鄒克武，雒新宇，孫曉燕

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德067000）

剎車片是制動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的安全零件，一般由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構(gòu)成。采用預(yù)鍍銅合金的20#基體鋼板和預(yù)先壓制好的Cu-C基摩擦塊在不同的工藝條件下，研究擴(kuò)散焊接接頭的組織和性能。結(jié)果表明，加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最高；從微觀組織和能譜分析，擴(kuò)散層厚度較厚，呈粒狀形貌，擴(kuò)散過(guò)程良好。

剎車片；擴(kuò)散焊；接頭組織；接頭性能

0 前言

剎車片是制動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的安全零件，決定剎車效果的好壞。剎車片一般由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構(gòu)成，剎車時(shí)摩擦塊被擠壓在剎車盤或剎車鼓上產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到車輛減速剎車的目的。擴(kuò)散焊是在一定的溫度和壓力下將兩種待焊金屬的焊接面相互接觸，通過(guò)微觀塑性變形或焊接面產(chǎn)生微量液相而擴(kuò)大待焊表面的物理接觸（這樣原子間的引力才起作用），再經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的原子相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的一種固態(tài)焊接方法。本研究采用預(yù)鍍銅合金的20#基體鋼板和預(yù)先壓制好的Cu-C基摩擦塊，在不同的工藝條件下，研究擴(kuò)散焊接接頭的組織性能和性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆囊环N是預(yù)鍍銅合金的20#基體鋼板；另一種是預(yù)先壓制好的Cu-C基摩擦塊，其化學(xué)成分如表1所示。Cu-C基摩擦塊粉末合金由銅基體、摩擦相和潤(rùn)滑相共同組成。

表1 Cu-C合金的化學(xué)成分%

銅基體中加入銅可以獲得較高的強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和抗高溫氧化性。同時(shí)，采用鐵、鋁和錫合金化，錫能溶入銅形成復(fù)雜化合物以強(qiáng)化基體；鋁、鐵與銅作用形成鋁鐵青銅，具有很高的強(qiáng)度。同時(shí)，由于低熔點(diǎn)的錫和鋁在升溫過(guò)程中熔化，使燒結(jié)過(guò)程為液相燒結(jié),能促進(jìn)燒結(jié)的合金化和致密化過(guò)程。

摩擦相采用氧化鋁，這種陶瓷材料具有很高的熔點(diǎn)、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性,在高溫下仍具有很強(qiáng)的摩擦性能，將陶瓷顆粒均勻分布在銅基體上以起到有效的增摩作用。潤(rùn)滑相采用石墨和二硫化鉬兩種潤(rùn)滑劑的顆粒。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的ZT-40-20Y型真空熱壓爐，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)時(shí)，先把爐子加熱到800℃，打開(kāi)真空爐爐蓋，將試樣放進(jìn)爐內(nèi)，基體鋼板在下，釬料放中間，Cu-C合金基摩擦塊在上，以保證摩擦塊全部在基體鋼板上，然后在Cu-C合金塊上施以壓力，最后蓋上爐蓋。此時(shí)，開(kāi)始加溫和開(kāi)始計(jì)時(shí)，達(dá)到預(yù)定溫度后，打開(kāi)爐蓋去除試樣，在空氣中冷卻。

表2 ZT-40-20Y型真空熱壓爐的主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程分析

2.1 剪切性能分析

剪切試驗(yàn)是評(píng)定擴(kuò)散焊焊接強(qiáng)度的一個(gè)重要手段，可以直觀地反映出接頭質(zhì)量的好壞。表3是不同的工藝條件下所獲得的擴(kuò)散焊接頭的剪切強(qiáng)度，用來(lái)判斷焊接接頭的結(jié)合性能。在剪切試驗(yàn)中，試樣1由于加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、溫度太高、釬料揮發(fā)過(guò)多，釬料氧化嚴(yán)重，導(dǎo)致焊后斷裂；試樣6為鐵基未鍍銅基體，釬料不能粘合，出爐后斷裂。由表3可知，試樣5加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最高。

表3 不同溫度條件下接頭的剪切強(qiáng)度

2.2 顯微組織分析

工藝條件為壓力0.0234MPa，溫度分別為790℃和800℃時(shí)，焊核區(qū)掃描電鏡微觀組織如圖1所示?？梢钥闯?，在焊合區(qū)存在一定厚度的擴(kuò)散層，溫度高，擴(kuò)散層的厚度較厚。

圖1b中擴(kuò)散層的晶粒有方向性，呈柱狀延伸，而圖1a中晶粒柱狀形態(tài)消失，呈顆粒形態(tài)。同時(shí)可以看出在粉末合金中銅、碳分布不均勻，擴(kuò)散層中有些區(qū)域與鐵基體顏色相近，說(shuō)明此處含F(xiàn)e元素量較高，有些區(qū)域與銅顏色相近，說(shuō)明此處含Cu元素量較高。

圖1 焊合區(qū)掃描電鏡微觀組織

2.3 能譜分析

圖2是溫度為800℃，壓力為0.0234 MPa試樣接頭區(qū)域的成分分析。由圖2可知，在Cu-C粉末合金和20#鋼之間形成了過(guò)渡層，說(shuō)明在此工藝條件下，實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。其中圖2a表示Cu-C粉末合金，含有元素C、O、Al、Si、P、Mo、Sn、Fe、Cu；圖2b表示靠近Cu-C粉末合金的擴(kuò)散層，其中含有元素Fe、Cu、Mo、Sn；圖2c表示靠近20#鋼的擴(kuò)散層，含有元素Fe、Cu、Sn；圖2d表示20#鋼，其中只含元素Fe?？梢钥闯?，在20#鋼這邊只有Fe元素，而中間的擴(kuò)散層卻有元素Fe、Cu、Sn，說(shuō)明Cu-C粉末合金有元素Cu、Sn擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程良好。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)分析了20#基體鋼板與Cu-C粉末合金基摩擦塊在不同工藝條件下擴(kuò)散焊焊接接頭的剪切性能、接頭的掃描電鏡微觀組織和能譜。加熱溫度是擴(kuò)散焊最重要的工藝參數(shù)，在本試驗(yàn)中加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度最高；從微觀組織和能譜分析，擴(kuò)散層厚度較厚，呈粒狀形貌，擴(kuò)散過(guò)程良好。

圖2 能譜分析

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第二卷）：焊接方法與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]趙熹華.壓力焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[3]李紹忠.現(xiàn)代汽車用非石棉摩擦材料的進(jìn)展[J].材料與工藝，1999（6）：44-47.

Research on the microstructure and properties of welded joint of diffusion welding for brake pad

ZOU Kewu，LUO Xinyu，SUN Xiaoyan
（Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China）

Brake pads consists of steel plate,bonding heat-insulating layer and friction block，and is the most crucial safety part of the braking system.Diffusion welding is a solid state welding method and is achieved by atomic diffusion.In this paper，the microstructure and properties of the diffusion welding joints are studied by using 20#steel substrate with pre-plated copper alloy and pre-pressed Cu-C based friction block under different technological conditions.The results show that when the heating temperature is 800℃，pressure is 0.0234 MPa，the shear strength of joint is the highest.By the analysis of microstructure and energy spectrum，the diffusion layer appears granular morphology，has thicker thickness and good diffusion process.

brake pad；diffusion welding；microstructure of joint；properties of joint

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0164-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.37

2014-09-25

鄒克武（1966—），男，湖北人，副教授，主要從事材料成型工藝的研究工作。