釬焊真空度對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 機械工程學院, 上海 200093;2.上海理工大學 材料科學與工程學院, 上海 200093)

釬焊真空度對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 機械工程學院, 上海200093;
2.上海理工大學 材料科學與工程學院, 上海200093)

采用72Ag-28Cu釬料對銅與鉿進行真空釬焊試驗.釬焊溫度為840℃,保溫時間為15min,真空度試驗范圍為5.0×10-2～8.0Pa.研究了釬焊真空度對銅與鉿釬焊接頭組織及性能的影響,采用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察釬焊接頭的組織形貌,采用ZWICK-Z050電子萬能材料試驗機測試接頭剪切強度.結果表明:隨著釬焊真空度的升高,接頭剪切強度呈先升高后降低的趨勢;在釬焊溫度為840℃、保溫時間為15min時,較佳的釬焊真空度為2.0×10-1Pa.

銅;鉿; 釬焊; 真空度

0 前 言

銅具有高的導電、導熱性能,銀基和銅基釬料都能對其很好地潤濕,與其他材料連接能起到加強散熱的作用[1-4].鉿是一種高熔點難熔的稀有金屬,具有良好的導熱、導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射體[5].

電極是等離子切割機割炬的主要元件,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熱、導電性能好的特性,使電極在最大限度地發射等離子弧的同時又能將熱量盡快地傳導出去,不至于被很快地燒損.鉿與銅的連接方法有普通鑲嵌、機械壓緊鑲嵌、釬焊和擴散焊等.在這些方法中,釬焊由于工藝簡單、成本低及適用于批量生產等優點成為研究者最關注的方法之一.其中鉿與銅的釬焊法是將鉿與銅基體焊接成一個整體,提高其導熱、導電性能,同時可有效防止熱脹冷縮產生間隙或氧化膜層,使電極壽命大大延長[6].

在釬焊工藝參數中,真空度是影響真空釬焊質量的一個重要參數.釬焊真空度從兩個方面影響釬焊接頭質量:第一種是釬縫元素的擴散效果;第二種是元素的揮發[7].在釬焊過程中,真空度并不是越高越好,真空度過低,釬焊元件在高溫時易被氧化;真空度過高,不但浪費時間與資金,還可能導致釬料的揮發而影響釬焊接頭的質量.本文采用72Ag-28Cu釬料對銅與鉿進行真空釬焊試驗,研究真空度對銅與鉿釬焊接頭組織與性能的影響.

1 試驗材料及方法

試驗用的銅純度>99.99%,鉿為市購工業用鉿,釬料為市購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水乙醇進行超聲波清洗10 min.將銅、釬料與鉿依次疊放,在真空爐中進行釬焊試驗.釬焊過程中調節氬氣流量,控制真空度,試驗范圍為5.0×10-2～8.0 Pa,具體試驗參數為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 ℃,釬焊保溫時間為15 min,焊后隨爐冷卻至室溫出爐.

為研究釬焊真空度對釬焊接頭組織和性能的影響,釬焊接頭界面形貌采用Quanta FEG450型場發射環境掃描電子顯微鏡(FESEM)進行觀察;接頭剪切強度采用ZWICK-Z050電子萬能材料試驗機進行測試.

2 結果與分析

2.1 界面形貌

釬焊試驗后,選取釬焊溫度為840 ℃、保溫時間為15 min、真空度為2.0×10-1Pa條件下的Hf/Cu接頭作為分析對象,如圖1所示.從圖1中可以看出,釬縫與母材結合緊密,焊接區界面清晰可辨.釬焊接頭分為三個區域:左側區域為鉿,右側區域為銅,中間區域為釬料層與擴散.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,鉿與釬縫之間連接不緊密,甚至出現了明顯的溝壑,說明真空度過高,釬料揮發嚴重.

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越致密,在真空度為2.0×10-1Pa時,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,釬縫變得越來越寬,說明釬焊真空度偏低,影響了釬焊元素的擴散效果,釬焊反應效果越來越差.

圖2 不同真空度下的釬焊接頭微觀組織

2.3 釬焊真空度對接頭性能的影響

表1為釬焊溫度840 ℃、保溫時間15 min的條件下,不同釬焊真空度下的釬焊接頭剪切強度及斷口位置.圖3為釬焊接頭剪切強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,接頭剪切強度先隨真空度的升高而增大;當真空度升高至2.0×10-1Pa時,剪切強度達到最大值201 MPa;真空度超過2.0×10-1Pa時,隨著真空度的升高,接頭的剪切強度反而下降.在低真空度為8.0 Pa與較高真空度為5.0×10-2Pa時,剪切強度值與最高值相差較大.這說明在5.0×10-2～8.0 Pa的真空度范圍內,釬焊真空度對接頭剪切強度的影響顯著.

表1 不同釬焊真空度下釬焊接頭剪切強度及斷口位置

圖3 釬焊接頭剪切強度隨真空度變化曲線

3 分析與討論

釬焊接頭的強度取決于接頭的界面組織結構.在釬焊真空度為5.0×10-2～8.0 Pa的試驗范圍內,接頭剪切強度先隨真空度的升高而增大.這是因為真空度過低時,元素擴散情況不理想,沒有形成良好的冶金結合.當真空度升高至2.0×10-1Pa時,剪切強度達到最大值201 MPa,此時釬縫中的各相分布均勻,元素擴散情況良好,接頭界面均勻致密.真空度超過2.0×10-1Pa時,隨著真空度的升高,接頭的剪切強度明顯下降,這是因為真空度過高,元素揮發流失加劇,影響了釬縫的結構.在真空度升至5.0×10-2Pa時,在鉿與釬縫結合處出現了明顯的溝痕,此時釬料與母材鉿結合很差,因此剪切強度低.

4 結 論

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

(2) 釬焊真空度過低時,元素擴散情況不理想,銅與鉿釬焊接頭沒有形成良好的冶金結合.真空度超過2.0×10-1Pa時,真空度過高,元素揮發流失加劇,影響了釬縫的結構.

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

[1]劉征,高隴橋.俄羅斯真空電子器件用無氧銅的現狀和應用[J].真空電子技術,2005(1):62-65.

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

[3]李飛賓,吳愛萍,鄒貴生,等.高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊[J].焊接學報,2008,29(3):53-56.

[4]張啟運,莊鴻壽.釬焊手冊[K].北京:機械工業出版社,1999.

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

[6]許圣麟,王江波.等離子切割消耗品壽命的影響因素[J].現代焊接,2004,27(3):77-79.

[7]張瑩.YG8硬質合金與45鋼真空釬焊的研究[D].武漢:湖北工業大學,2012.

高品質再生鑄造鋁合金生產技術通過鑒定

由中國有色金屬工業協會主持,再生金屬分會具體組織的“高品質再生鑄造鋁合金生產技術”科技成果通過了專家鑒定.該成果核心技術具有自主知識產權,工藝技術和裝備達到國際先進水平.該技術由南通曼特威金屬材料有限公司和南通大學共同研發.

鑒定委員會由中國有色金屬工業協會、再生金屬分會、東南大學、北京有色金屬研究總院、中國有色金屬加工工業協會和河海大學等單位的專家組成.鑒定委員會聽取了項目研制、技術、應用等專題匯報,考察了生產現場,審閱了鑒定資料.經質詢和討論,一致認為,該項目在國內率先突破了廢鋁制備高品質再生鑄造鋁合金的關鍵技術,自主研發了廢鋁浮選預處理技術和裝備,實現了清洗、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;獨創低溫快速熔煉技術,攻克了低溫條件下熔煉時間長的難題,有效降低了鋁合金中鐵、氣體和夾雜的含量;采用自主研發的多功能復合型熔劑,進一步降低了鐵含量,提高了再生鋁合金變質效果;研發的浸泡式快速冷卻技術,縮短了冷卻時間,有效減少了β相的析出,提高了再生鋁合金的質量.

目前,該技術已建成年產6萬t的高品質再生鑄造鋁合金產業化生產線.鑒定委員會建議加快推廣應用該技術,為我國再生鋁產業技術進步和產業升級做出新的貢獻.

(摘自《中國有色網》)

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

上海市教委科研創新項目(11YZ112)；上海市科委基礎重點項目(10JC1411800)

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

TG454

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