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铜-不锈钢真空扩散连接工艺及界面微观结构

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-18  浏览次数:721

 解庆,李京龙,张赋升,熊江涛

(西北工业大学摩擦焊接陕西省重点实验室,陕西西安710072)

摘要:采用电镀工艺,在纯铜基体表面制备出约2.74μm的单质Au镀层,在950℃,1 MPa压力下实现了铜与不锈钢的真空扩散接合,并与铜-钢直接连接接头进行界面显微结构对比。试验结果表明:在直接连接800℃时结合界面钢侧存在明显的元素沿晶界扩散现象,接头抗剪强度158 MPa,约为铜母材强度的86%;添加单质Au镀层中间层时,有效改善了铜与不锈钢连接,钢侧存在合金液相沿晶界润湿、渗透现象,且在铜侧生成宽约60μm白亮色互扩散区,EDS分析表明,其由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu(Au)固溶体两部分组成,宽度均约30μm,接头强度与铜母材等强,优于直接连接。

关键词:真空扩散连接;单质Au镀层中间层;晶间渗透;铜-钢复合构件

中图分类号:TG453.9文献标志码:B

文章编号:1002-025X(2011)05-0013-04

0·概述

冷却系统、动力装置、热核反应堆第一主墙等工业装置中的铜-钢复合构件充分发挥了结构与性能的优势互补,其中利用钢的强韧性及耐蚀性作为支承结构件,而铜及铜合金的优良导热性或高阻尼性作为热沉元件或减振降噪部件[1]。上世纪90年代至今,获取铜-钢接头的方法主要包括:热等静压法[2-3]、高能束焊[4-5]、钎焊/扩散焊[6-17]等,前两者广泛应用于大型复合板件的成形,后者适合于复杂形状或截面铜-钢构件的精密接合。

大量研究是解决铜合金与不锈钢的扩散连接问题,直接扩散连接接头强度仅为母材强度的1/3[9];Nishi,Muto,Araki等人[10-12]尝试用Au基钎料对氧化铝弥散强化铜合金和316不锈钢进行钎焊试验,结果表明,采用BAu-2钎料,钎焊间隙0.2 mm,钎焊300 s时获得的接头强度最优,等同于铜合金母材,但由于铜合金侧发生重熔使得钎缝区出现大量气孔,从而接头强度一致性较差;此后,Nishi等人[13]通过添加不同箔材中间层实现了铜合金与不锈钢的真空扩散连接,指出850℃,9.8 MPa下添加20μm厚的Au箔后接头综合力学性能优异,强度与铜合金母材的相近。基于上述研究成果,本文着重探讨了直接扩散连接和添加单质Au镀层中间层2种条件下获得的纯铜-不锈钢真空扩散连接界面的结合质量,从而为精密的铜-钢异种接头的获得提供了基础理论指导。

1·试验材料及方法

1.1试验材料

本试验采用搭接接头,待焊母材工业纯铜T2和不锈钢0Cr17Ni12Mo2(AISI 316)的试块规格均为40 mm×40 mm×6 mm,搭接长度10 mm。试验用材料不锈钢的化学成分见表1。

1.2试验方法

焊前用360#,800#,1 500#砂纸逐次打磨待焊面以去除氧化膜,同时保证平整度,丙酮脱脂后,超声波清洗5~10 min,冷风吹干。然后,将待焊面迭合置于真空扩散炉内进行焊接,焊后随炉冷却。扩散连接设备采用辐射加热式真空扩散焊机(FJK-2,西北工业大学)。

采用变化连接温度的直接连接和添加单质Au镀层(铜母材待焊面电镀厚约2.74μm的Au箔)2种不同的工艺试验,初步探讨铜-钢异种金属扩散连接结合界面形貌及其与接头力学性能之间的关系。相对于连接压力和保温时间,连接温度对接头强度的影响更为显着,它通过影响被焊材料的屈服强度和原子的扩散行为,从而影响接头的焊合率、变形率以及接头中成分及组织的均匀性。根据经验公式连接温度Tb≈(0.6~0.8)Tm(Tm为铜母材熔点,K)及铜-不锈钢扩散焊接接头抗剪强度与连接温度的关系,即温度高于850℃后,接头的抗剪强度增幅缓慢[14],选择在700,750,800,850℃下分别进行直接扩散连接,连接压力10 MPa,保温1 h。根据Fe-Cu二元相图,Fe与Cu并不生成脆性金属间化合物,但两者固态下互溶度很小,直接连接时接头中反应生成物数量甚少;另外,两者的热导率和膨胀系数有较大差别,见表2,直接连接时热应力较大,从而接头力学性能较差。与单质Cu箔、Ni箔相比,添加Au箔后,铜-钢接头综合力学性能优异,同时侯金保等人[15]指出,添加镀膜中间层时,接头强度提高更为显着。为此,本文立于工业化应用的角度,采用添加单质Au镀层中间层的方式对工业纯铜与不锈钢进行真空扩散连接试验,扩散连接示意图如图1所示。

添加Au镀层中间层的连接温度选为950℃,此时焊接由固相扩散焊转为液相扩散焊,由Au-Cu相图可知,此时界面有可能出现Au-Cu合金液相,为了避免液相溢出和母材晶粒过分长大,连接压力和保温时间分别取为1 MPa和0.5 h。试件出炉后,切取1/4制备金相试样,采用金相显微镜(OlympusPMG3)和SEM(JED-2200)进行界面微观形貌和组织分析;为了准确测试接头强度,冷加工搭接长度至4 mm制成非标准剪切试样,采用万能试验机对接头的拉剪性能进行测试。

2·试验结果与讨论

2.1直接扩散连接

图2为较高温度下铜-不锈钢直接扩散连接接头形貌。较低连接温度下,结合界面整体平直,温度升至800℃时,界面钢侧出现微细且均匀的被挖掘的奥氏体晶粒,平均直径≤1μm。这是由于晶界处原子偏离平衡位置,具有较高的能量,且晶界处存在较多的金属学缺陷,如空穴、杂质原子和位错等,晶格畸变严重,这些都为原子提供了短程扩散通道,故低温时晶界扩散占主导,原子沿晶界的扩散速率比晶内快得多,同时由于先对铜进行腐蚀,从而在不锈钢侧出现Cu沿不锈钢晶界扩散,使得奥氏体晶粒凸现的现象。850℃时,不锈钢侧有晶粒被挖掘的趋势(图2b)。这是由于升高温度晶格扩散和晶界扩散同时发挥作用,当界面迁移速率等于原子的晶界扩散速率时,奥氏体晶粒被挖掘的现象逐渐消失。根据Cu-Fe二元相图,Cu与Fe有限固溶,直接连接时扩散反应层非常薄,光镜下几乎看不到。值得注意的是,铜母材侧晶粒明显长大,并伴有相当数量的孪晶,这是由于铜为面心立方晶系,退火后易产生孪晶,而粗大的铜晶粒可能导致接头强度、塑性及疲劳强度的降低此时接头的抗剪强度为158 MPa,约为铜强度的86%。

2.2添加单质Au镀层扩散连接

图3为添加单质Au镀层时扩散连接接头形貌。由图可知,950℃下铜-不锈钢接头中的显性或隐性界面处均未发现气孔、夹杂等缺陷。结合界面处铜母材侧形成了宽60μm左右的白亮色互扩散区,结合线扫描(图3b)及点扫描分析结果,该区域由两部分组成,即固溶一定Cu的Au3Cu相(宽约30μm)和Cu(Au)固溶体(宽约30μm)。同时,由于Au在Fe中的固溶度极小,Au在Cu中的扩散距离明显大于Au在Fe中的。另外,在显性界面处,不锈钢侧存在微细的液相沿晶界进行润湿渗透的现象,如图4所示。点扫描分析结果表明其成分组成为:w(Cu)33.04%,w(Fe)24.32%,w(Au)33.67%,w(Cr)5.83%和w(Ni)3.14%,分析认为Au-Cu合金液相形成后,优先沿奥氏体晶界进行润湿、渗透,同时高熔点元素Fe,Cr,Ni进入液相,从而发生等温凝固,最终形成冶金结合。

宏观断口分析表明,不锈钢基体上粘有厚约为2mm的呈半球形的铜母材,断裂明显发生于纯铜的本体部位,并伴有较为显着的塑性变形,这表明接头结合良好,强度等同于铜母材。Au镀层可以降低铜母材表面硬度增加接触面积,加速金属键的形成和强化扩散过程,同时Au可以与Fe,Cr,Ni,Cu形成固溶体,通过固溶强化来提高接头的强度。在不生成脆性相的条件下,接头强度随扩散反应层厚度的增加而增大,与直接连接相比,此时界面元素互扩散更为显着,结合良好,接头强度为184 MPa,高于直接连接。

3·结论

(1)铜与不锈钢进行低温直接连接时,界面整体较为平直;随着温度的升高,800℃时原子沿晶界扩散为主,不锈钢侧晶粒凸显。

(2)添加单质Au镀层进行扩散连接时,显性界面处铜侧形成白亮色Au-Cu互扩散区,宽度约为60μm,由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu(Au)基固溶体组成。

(3)添加单质Au镀层中间层时,Au-Cu液相优先沿不锈钢晶界润湿、渗透,同时高熔点Fe,Cr,Ni元素扩散进入,最终等温凝固形成冶金结合。

(4)添加单质Au镀层后,接头强度较直接扩散连接接头的强度高约30 MPa。

参考文献:略

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