球铁与铜扩散接合的研究.docx

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球铁与铜扩散接合的研究

球铁与铜扩散接合的研究

《一

第26卷第6期

1993年12月

武汉水利电力大学

J.ofWuhanUnivofHydr.&ElccEng.

VOI.26NO.6

Dcc.1993

球铁与铜扩散接合的研究

王希琳王贞炳,,曹志军陈惠华王闽

一————i机械工程系）]2盘

A摘要采用自制的小型真空扩散接合装置,进行了球铁与铜扩散凑合试验研究.系统研究了工艺参

鼓对接合质量的影响,分析了中间垫片在接合过程中的作用,对试样的瑗处理,接合区的原子迁移

行为也进行了研究.镍箔是球铁与铜扩敢接合理想的中间垫片}试样表面预处理对接合质量有重要

驻响.,?

关t调球墨诗铁t扩散接舍}_原子扩敢

中围法分类号rG543.9

0前言

扩散接合是一种新型的材料复合技术,是指在一定的温度和压力下,使两个零件的表面达

到最大程度的接近和原子问相互扩散,从而产生以金属键为主的结合,形成整体接头.这种方

法亦称扩散焊接.与_般焊接方法相比,它具有接合温度低,残余应力小,尺寸精确无变职,不

出现氧化央渣缺陷,可以获得高质量的接头,尤其突出的是它可以实现物化性能差别极大的材

料接合.因此,近年来人们竞相对各种材料进行扩散接合的试验研究.球墨铸铁（简称球铁）是

一

种广泛用于汽车拖拉机,冶金矿山,动力,航空等工业的新型金属结构材料.近几十年来球铁

的发展速度很快,预计今君仍将以5～10的速度增长,到本世纪末可望达到l800~2000

万t/y.随着球铁的发展和应用的日趋广泛,球铁与其它材料的复合技术开始引人注目.国外

对球铁扩散接合的研究起步不久,国内则尚未见报导.本文对球铁与铜的扩散接合技术进行了

较系统的试验研究,结果表明,球铁与铜在一定条件下能很快地扩散接合.这项技术对于球铁

的发展和应用具有重要意义.

1试验方法与条件

1.1试验用材料与设备

试验材料如表1所示.

寰】璩铁和■的成分,组织和性健

收稿日期1993?

01-01

*湖北省自然科学基盎项目

武汉水利电力大学

接合试样为【4×30mm的圆柱,接合面的光洁度要求达到V6,为lr保证接合初期的紧

密接触,精车后试样的接合面仍须用金相砂纸磨光到”05”,并抛光,再用丙酮清洗去除油污.

扩散接合试验在自己研制的小型真空扩散焊机上进行.该机由真空扩散接合炉,真空机组

和LTL—I型多功能控制系统三部分组成,其主要技术指标为:

最高加热温度1（,,常用工,200

作温度950C;最大加压压力35.31V[Pa;极限真空度1.33×10一Pa.接合过程的真空度,温

度,时间等全部由控制系统控制并显示,打印.

1.2扩散接台工艺设计

扩散接合的基本要求是使两种材料的原子相互扩散能穿越界面,因此必须把试样加热到

原子具有足够扩散能力的温度,施加保证最大接触面积所需的压力,并保持一定时间,使原子

扩散能充分进行.所以扩散接合工艺设计主要包括接合温度.压力,时阉等工艺参数的选择.

接合温度取决于金属的熔点,异种材料的接合温度（）取熔点较低金属熔点（）的0.60

～

0.85倍,即=（0.60～0.85）T.球铁与铜的扩散接合温度应以铜的熔点（1083c,）为

依据,可取541～880℃.我们选择800.850,900C三个温度进行试验.

扩散接合的压力应是略高于接合温度下材料的屈服极限.本试验选用的压力P一3MPa

在保证接合表面紧密接触和原于扩散充分进行的条件下,无论是从接头性能,还是从经济效益

考虑,接合过程的保温时间应该短一些为好.本试验选择I5,30,45rain三个时间进行试验.

球铁与铜扩散接合选用厚度10tam的镍箔作中间垫片.接合试验均在2.67×【0Pa真空

下进行.表2为球铁与铜扩散接合的主要工艺参数和试验方案.

袁2球铁与铜扩散接台的工艺参数和试验方寨

接合好的试样先经过初检,包括适当地敲打和表面着色探伤.初检合格的试样进行机械加

工和拉伸试验.拉伸时如果试样在母材上断裂,说明接头的强度太于母材,无疑接合是成功的;

如果断裂在接合面上,则接合质量按接合效率评定.

一×loo%（J）

式中,为接头强度,为强度较低的母材强度.

2试验结果与工艺参数对接合质量的影响

表3为球铁与铜接合试样拉伸试验结果.

第6期王希琳等:

殊帙与锕扩靛接合曲研究

寰3球铁一铜接台试样拉伸试验|占采

2.1接合温度的影响

由表3知道,接合温度对球铁一铜接合试样的抗拉强度有很大的影响,试样的强度随温度

升高而增大（850℃以后增大较小）.因为温度强烈地影响扩散过程的进行.温度与扩散系数的

关系如下:

D—D,,exp（一./Irr）.

（2）

式中,D为扩散系数m/;Do为扩散常数m/s;0为激活能J/mol{为摩尔气体常数8.3I

J/mol?

K;为绝对温度K_

温度升高扩散系数急剧增加,扩散加速进

行.此外,温度升高促进接合面变形,减小表面

不平度,也对接合过程有利.本试验中球铁—铜

试样,当接合温度为8∞℃时,拉伸断裂在接合

面上,’r/均小于65,而接合温度为850℃和

900℃时,均超过l00.由此认为球铁与铜

扩散接合保温温度应不低于850℃.

2.2保温时间的影响

图1所示为扩散接合保温时间与抗拉强度

的关系.由图可知,随着时间增加,强度升高,当

达到某一值后又开始缓慢下降.这是因为高温

下保温时间过长引起晶粒长大,而且过扩散容

易在接合面附近形成空洞,导致石墨在接合面

圈1抗拉强度与保温时何柏关系

聚集,以及可能产生脆性相,从而降低接合面的性能,所以接合时间不宜过长,本试验中以30

TI1in为好.相反保温时间过短,扩散不充分也会影响接合性能,如表3中01试棒还须指出,扩

散接合保温后的冷却速度对试样的力学性能也有影响.试验中从850℃降到720℃时冷却速

度为72℃/rain,从720℃降到200℃时冷速为9.5℃/rain}而且扩散接合温度越高,随后的冷

速越大,从而使母材铜的强度提高.这就是O1试样虽然抗拉强度达到180.4MPa,大于铜的原

始强度,但仍然在接合面上断裂的原因.

武祝水科电力大学

2.3接台压力的影响

对试样施加一定的压力是扩散接合必不可少的条件之一.在一定压力下,接合面产生微观

塑性变形.使相互毗连的表面之间形成最大的接触;加压可以激活原子促进扩散与再结晶过

程;此外压力还有破坏和去除接合面上脆性氧化膜和污物的作用.从而提高接头强度.但是压

力过大会使接头强度降低,这一点已被前人许多试验所证实.如果压力过小接合面之问接

触松弛,不能保证接合面的最大接触,导致扩散层厚薄不均,甚至呈断续分布而严重降低接头

强度.本试验选压力P=3MPa.

2.4中间垫片镍箔对接头质量的影响

球铁和铜是两种膨胀系数和塑性相差很大的金属,扩散接合时接合部位会产生很大的残

余应力,有可能形成微裂纹.同时,球铁中存在着大量石墨,含有较高的硅,锰等元素,铜对这些

元素的溶解度~lOJ,,接合面上有可能出现石墨或者这些元素及其化合物的聚集C?

J,影响接合质

量.因此,球铁与铜扩散接合需要加人中阃垫片.

.

镍的热膨胀系数介于球铁和铜之间.而且塑性很好.用镍箔作中间垫片可以使接合区的残

余应力得到橙驰,同时增加接触面积,强化扩散过程,加速金属键形成.另外镍与铜和铁都能形

成固溶体,有利于体内互扩散,镍又能固溶碳和硅,可以减少它们在接合面聚集,从而提高了接

头性能.

在工艺参数为T=900℃,P一3l~v[Pa,30min条件下,进行加中间垫片镍箔和不加镍箔

对比试验表明,后者拉伸时均断在接合面上,仅1O0MPa左右,加镍箔的试样为l90～】99

MPa,说明垫片镍箔在球铁一铜扩散接合中的良好作用.

3接合区的原子迁移行为与界面反应

3.1接台区的盒相组织和显傲硬度

为了显示球铁一锕接头的

金相组织,分别用硝酸酒精和

三氯化铁盐酸水溶液浸蚀球铁

与铜两侧,发现球铁组织仍为

铁紊体+少量球光体+石墨,

铜侧的组织为铜等轴晶,近接

合面处则由于碳向镍及铜中扩散,以及镍向球铁侧扩散使区稳定.在界面上残存有

奥氏体而使硬度下降..

3.2接合区的能谱分析..

在附有能谱分析仪的

JSM一35c扫描电镜上,

对球铁与铜扩散接合区进

行能谱分析,结果如图3

所示.在接合区铁,硅,镍,

铜（包括碳）等原子都参与

了扩散,在18m的扩散

层内同溶了大量的铁,镍

及铜,硅等元素,产生了显

着地强化作用,使接头的

强度远超过铜母材强度,

所以拉伸试验断裂发生在

远离接合面的铜母材上.

同时由于镶可以阻止硅的

扩散,对提高接头质量也

很有利.

4结论

a球铁与铜扩散接合的

最佳工艺参数为:

=850

～

900℃,P=3MPa,￡一

15～30rnin.温度取上限

时,时间取下限.

一谍～（t）广一一一

I

●d●r1,●d●r1,

%

Cu000】5?

1294

Ni0006.6589.440.23

Fg3996g68B892.5t13

●

岛241.25I25D.9

图302试样接合区能谱分析结果

b扩散接合前试样表面的预处理十分重要,精车后接合面端须精磨.到金相砂纸05.再抛光,

安装耐用丙酮清洗干净.

镍是球铁与铜扩散接合理想的中间垫片-因为罐在铜和铁中都有一定的同溶度,同时镍可

以溶解碳,减少石墨在界面上聚集;此外镍可以阻止硅向铜中扩散.防止SiO2等脆性相形成,

从而大呋躺了接头质量..

参考文献

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WangX山nWangZhenbin${0aoZhijan

ChengZhihuaWangMing

（Depa~ofMechanicalEngineerin$tWuhanUniversityofHydmulicandEloemcEngineeringtWulxan）

ActThcexperimentalresearchon”diffusionbondingofs#acroidalgraphitecastironandcoppcr

isconductedbyadoptingthcself-madeequipmentofsmallv~icuumdiffusionbonding?

Theinfluence

oft.chnoloBicalparamet~’sonthctin,ridingqualityissystcmatica[rcsearcheci.Thcactionofintermedi-

atesheetintlleproc~ofbondingisanalyzedandtllcprcproces~ngofsamplcs,thcatomictransition

beha,,do~inthebondingfealsoreseaschod.nicAlcforistheidea1.[ntertru~cliatesheeto￡

the~ffugionIxa’~ngofslYa0roidalgraphitecastironandonpi~r-Thcprcprocessingofsamplesurface

givcsgreatinfluencetothebondingquality?

Key”rdsn0dulariron:

diffusionbonding;atomdiffusion