钎焊真空度对铜与铪钎焊接头组织及性能的影响

路希龙, 刘 平, 刘新宽, 陈小红, 何代华, 李 伟

(1.上海理工大学 机械工程学院, 上海 200093;2.上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093)

钎焊真空度对铜与铪钎焊接头组织及性能的影响

路希龙1, 刘 平2, 刘新宽2, 陈小红2, 何代华2, 李 伟2

(1.上海理工大学 机械工程学院, 上海200093;
2.上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海200093)

采用72Ag-28Cu钎料对铜与铪进行真空钎焊试验.钎焊温度为840℃,保温时间为15min,真空度试验范围为5.0×10-2～8.0Pa.研究了钎焊真空度对铜与铪钎焊接头组织及性能的影响,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察钎焊接头的组织形貌,采用ZWICK-Z050电子万能材料试验机测试接头剪切强度.结果表明:随着钎焊真空度的升高,接头剪切强度呈先升高后降低的趋势;在钎焊温度为840℃、保温时间为15min时,较佳的钎焊真空度为2.0×10-1Pa.

铜;铪; 钎焊; 真空度

0 前 言

铜具有高的导电、导热性能,银基和铜基钎料都能对其很好地润湿,与其他材料连接能起到加强散热的作用[1-4].铪是一种高熔点难熔的稀有金属,具有良好的导热、导电性能和较低的电子逸出功,被用作等离子切割用电极中的等离子发射体[5].

电极是等离子切割机割炬的主要元件,铪与铜基体镶嵌在一起,充分利用了铪抗氧化性能好、电子逸出功低和铜的导热、导电性能好的特性,使电极在最大限度地发射等离子弧的同时又能将热量尽快地传导出去,不至于被很快地烧损.铪与铜的连接方法有普通镶嵌、机械压紧镶嵌、钎焊和扩散焊等.在这些方法中,钎焊由于工艺简单、成本低及适用于批量生产等优点成为研究者最关注的方法之一.其中铪与铜的钎焊法是将铪与铜基体焊接成一个整体,提高其导热、导电性能,同时可有效防止热胀冷缩产生间隙或氧化膜层,使电极寿命大大延长[6].

在钎焊工艺参数中,真空度是影响真空钎焊质量的一个重要参数.钎焊真空度从两个方面影响钎焊接头质量:第一种是钎缝元素的扩散效果;第二种是元素的挥发[7].在钎焊过程中,真空度并不是越高越好,真空度过低,钎焊元件在高温时易被氧化;真空度过高,不但浪费时间与资金,还可能导致钎料的挥发而影响钎焊接头的质量.本文采用72Ag-28Cu钎料对铜与铪进行真空钎焊试验,研究真空度对铜与铪钎焊接头组织与性能的影响.

1 试验材料及方法

试验用的铜纯度>99.99%,铪为市购工业用铪,钎料为市购72Ag-28Cu钎料.钎焊前将钎料轧制成厚度为0.1 mm的箔片,用1 200号水砂纸打磨试件和钎料表面,所有待焊试样和钎料连接前均用无水乙醇进行超声波清洗10 min.将铜、钎料与铪依次叠放,在真空炉中进行钎焊试验.钎焊过程中调节氩气流量,控制真空度,试验范围为5.0×10-2～8.0 Pa,具体试验参数为5.0×10-2、8.0×10-2、2.0×10-1、8.0×10-1和8.0 Pa,钎焊温度为840 ℃,钎焊保温时间为15 min,焊后随炉冷却至室温出炉.

为研究钎焊真空度对钎焊接头组织和性能的影响,钎焊接头界面形貌采用Quanta FEG450型场发射环境扫描电子显微镜(FESEM)进行观察;接头剪切强度采用ZWICK-Z050电子万能材料试验机进行测试.

2 结果与分析

2.1 界面形貌

钎焊试验后,选取钎焊温度为840 ℃、保温时间为15 min、真空度为2.0×10-1Pa条件下的Hf/Cu接头作为分析对象,如图1所示.从图1中可以看出,钎缝与母材结合紧密,焊接区界面清晰可辨.钎焊接头分为三个区域:左侧区域为铪,右侧区域为铜,中间区域为钎料层与扩散.铪与钎料层之间界限平直清晰,而铜与钎料层之间则较为曲折.

图1 Hf/72Ag-28Cu/Cu微观界面

2.2 钎焊真空度对接头界面组织的影响

图2是不同真空度下钎焊接头的微观组织SEM照片.从图2中可以看出,在真空度为5.0×10-2Pa时,铪与钎缝之间连接不紧密,甚至出现了明显的沟壑,说明真空度过高,钎料挥发严重.

随着真空度从5.0×10-2Pa逐渐降低,铪与钎缝之间先是连接越来越致密,在真空度为2.0×10-1Pa时,钎缝致密均匀,接头界面连接效果最好.真空度降至8.0×10-1Pa和8.0 Pa时,钎缝变得越来越宽,说明钎焊真空度偏低,影响了钎焊元素的扩散效果,钎焊反应效果越来越差.

图2 不同真空度下的钎焊接头微观组织

2.3 钎焊真空度对接头性能的影响

表1为钎焊温度840 ℃、保温时间15 min的条件下,不同钎焊真空度下的钎焊接头剪切强度及断口位置.图3为钎焊接头剪切强度随钎焊真空度变化的曲线.

从表1与图3中可以看出,钎焊真空度为5.0×10-2～8.0 Pa时,接头剪切强度先随真空度的升高而增大;当真空度升高至2.0×10-1Pa时,剪切强度达到最大值201 MPa;真空度超过2.0×10-1Pa时,随着真空度的升高,接头的剪切强度反而下降.在低真空度为8.0 Pa与较高真空度为5.0×10-2Pa时,剪切强度值与最高值相差较大.这说明在5.0×10-2～8.0 Pa的真空度范围内,钎焊真空度对接头剪切强度的影响显著.

表1 不同钎焊真空度下钎焊接头剪切强度及断口位置

图3 钎焊接头剪切强度随真空度变化曲线

3 分析与讨论

钎焊接头的强度取决于接头的界面组织结构.在钎焊真空度为5.0×10-2～8.0 Pa的试验范围内,接头剪切强度先随真空度的升高而增大.这是因为真空度过低时,元素扩散情况不理想,没有形成良好的冶金结合.当真空度升高至2.0×10-1Pa时,剪切强度达到最大值201 MPa,此时钎缝中的各相分布均匀,元素扩散情况良好,接头界面均匀致密.真空度超过2.0×10-1Pa时,随着真空度的升高,接头的剪切强度明显下降,这是因为真空度过高,元素挥发流失加剧,影响了钎缝的结构.在真空度升至5.0×10-2Pa时,在铪与钎缝结合处出现了明显的沟痕,此时钎料与母材铪结合很差,因此剪切强度低.

4 结 论

(1) 在钎焊真空度为5.0×10-2～8.0 Pa的试验范围内,真空度对接头剪切强度的影响显著.钎焊接头剪切强度随真空度的升高而增大,当真空度升高至2.0×10-1Pa时,剪切强度达到最大值201 MPa.真空度超过2.0×10-1Pa时,随着真空度的升高,接头的剪切强度反而下降.

(2) 钎焊真空度过低时,元素扩散情况不理想,铜与铪钎焊接头没有形成良好的冶金结合.真空度超过2.0×10-1Pa时,真空度过高,元素挥发流失加剧,影响了钎缝的结构.

(3) 在钎焊温度为840 ℃、保温时间为15 min时,最佳的钎焊真空度为2.0×10-1Pa.

[1]刘征,高陇桥.俄罗斯真空电子器件用无氧铜的现状和应用[J].真空电子技术,2005(1):62-65.

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[4]张启运,庄鸿寿.钎焊手册[K].北京:机械工业出版社,1999.

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[7]张莹.YG8硬质合金与45钢真空钎焊的研究[D].武汉:湖北工业大学,2012.

高品质再生铸造铝合金生产技术通过鉴定

由中国有色金属工业协会主持,再生金属分会具体组织的“高品质再生铸造铝合金生产技术”科技成果通过了专家鉴定.该成果核心技术具有自主知识产权,工艺技术和装备达到国际先进水平.该技术由南通曼特威金属材料有限公司和南通大学共同研发.

鉴定委员会由中国有色金属工业协会、再生金属分会、东南大学、北京有色金属研究总院、中国有色金属加工工业协会和河海大学等单位的专家组成.鉴定委员会听取了项目研制、技术、应用等专题汇报,考察了生产现场,审阅了鉴定资料.经质询和讨论,一致认为,该项目在国内率先突破了废铝制备高品质再生铸造铝合金的关键技术,自主研发了废铝浮选预处理技术和装备,实现了清洗、浮选和烘干一体化操作,有效去除了废铝中的夹杂物,降低了含水率;独创低温快速熔炼技术,攻克了低温条件下熔炼时间长的难题,有效降低了铝合金中铁、气体和夹杂的含量;采用自主研发的多功能复合型熔剂,进一步降低了铁含量,提高了再生铝合金变质效果;研发的浸泡式快速冷却技术,缩短了冷却时间,有效减少了β相的析出,提高了再生铝合金的质量.

目前,该技术已建成年产6万t的高品质再生铸造铝合金产业化生产线.鉴定委员会建议加快推广应用该技术,为我国再生铝产业技术进步和产业升级做出新的贡献.

(摘自《中国有色网》)

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

上海市教委科研创新项目(11YZ112)；上海市科委基础重点项目(10JC1411800)

路希龙(1987-)，男，硕士研究生,主要从事等离子切割电极改进的研究.E-mail：luxilong@msn.com

TG454

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