球铁与铜扩散接合的研究Word文档格式.docx
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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
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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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
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