一種銅及銅合金與鋼的低真空擴(kuò)散焊方法與流程

本發(fā)明涉及金屬材料的連接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種銅及銅合金與鋼的低真空擴(kuò)散焊方法。

背景技術(shù)：

銅及銅合金具有優(yōu)異的延展性、減摩性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，廣泛應(yīng)用于軸瓦、襯套、滑動軸承、熱交換器、火箭推力室、復(fù)合管道、彈帶、電極等眾多領(lǐng)域。然而銅及銅合金強(qiáng)度低易變形，難以滿足工程要求。同時(shí)，隨著銅資源的大量開發(fā)利用，其價(jià)格逐年升高，這些問題嚴(yán)重制約著其長遠(yuǎn)發(fā)展。鋼材價(jià)格便宜且具有較高的強(qiáng)度，為此，工程上常將銅/鋼異類金屬連接復(fù)合材料使用。

銅及銅合金與鋼的連接可采用熔焊、釬焊及擴(kuò)散焊等方法。由于銅、鋼兩種材料在化學(xué)及熱物理性能等方面有顯著差異，使其焊接冶金過程極其復(fù)雜，銅及銅合金與鋼的熔焊主要存在銅側(cè)難熔合、熱裂紋和母材性能下降等問題，在銅及銅合金與不銹鋼焊接時(shí)還會產(chǎn)生滲透裂紋。鋼與銅及銅合金較精密的焊接，宜采用釬焊，但釬焊時(shí)易降低接頭的耐腐蝕性能，接頭強(qiáng)度較低，使用范圍受到一定限制。銅及銅合金與鋼的擴(kuò)散焊可克服熔焊和釬焊時(shí)存在的不足，獲得高質(zhì)量的接頭，但由于銅及銅合金與O₂的親和力大，其與鋼的擴(kuò)散焊需要較高的真空度和焊接溫度。擴(kuò)散焊常用的工藝參數(shù)為：真空度為10^-2～10^-5Pa，焊接溫度為850～950℃，保溫時(shí)間20～60min，焊接壓力5MPa。對于10^-2～10^-5Pa的真空度，一方面擴(kuò)散焊爐需要配備昂貴的高真空系統(tǒng)，生產(chǎn)成本高，擴(kuò)散爐抽到此真空度下時(shí)間長，生產(chǎn)效率低；另一方面在高溫高真空度條件下，銅及銅合金中的Cu和其他合金元素容易揮發(fā)，黏附在擴(kuò)散爐壁、爐膛或擴(kuò)散爐加熱電阻絲上，不僅污染擴(kuò)散爐，還會影響加熱電阻絲的導(dǎo)電性能，損壞擴(kuò)散爐的使用性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的正是為解決銅及銅合金與鋼擴(kuò)散焊時(shí)成本高、效率低和元素易揮發(fā)等問題，而提供一種用于銅及銅合金與鋼的低真空擴(kuò)散焊方法。本發(fā)明可以在低真空低焊接溫度條件下，實(shí)現(xiàn)銅及銅合金與鋼的擴(kuò)散連接，焊接過程中無元素?fù)]發(fā)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種銅及銅合金與鋼的低真空擴(kuò)散焊方法，包括如下步驟：

（1）、將銅/銅合金、鋼的待焊面依次進(jìn)行堿洗、酸洗、砂紙打磨和酒精中超聲波清洗，之后吹干備用；

（2）、將銅/銅合金與鋼的待焊面對接組裝，在對接面之間鋪設(shè)去膜劑或含有去膜劑的金屬夾層，裝配得到連接件；

所述去膜劑為B、Li、B₂O₃、H₃BO₃、KF、LiF、AlF₃、CaF₂或硼酸鹽中的至少一種；

（3）、將連接件放在擴(kuò)散焊爐的上壓頭和下壓頭之間，對連接件施加1.0～1.5Mpa的預(yù)壓力，關(guān)閉爐門；

（4）、對擴(kuò)散焊爐抽真空至爐中真空度不高于800Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率為5～12℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到600～850℃時(shí)，對連接件施加4～10Mpa的軸向壓力，保溫保壓6～30min；

（5）、連接件擴(kuò)散焊完成后，卸去壓力，隨爐冷卻至100℃，取出連接件。

進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述含有去膜劑的金屬夾層為表面涂覆去膜劑的金屬箔、與去膜劑均勻混合的金屬粉末、表面涂覆去膜劑的金屬鍍膜中的任一種，所述金屬鍍膜為噴涂或電鍍在銅/銅合金或鋼表面的金屬層。

所述去膜劑在金屬箔、金屬鍍膜表面上的涂覆方式為噴撒、刷涂或噴涂。

所述金屬箔、金屬粉末或金屬鍍膜所采用的金屬為Ni。

本發(fā)明中所述去膜劑的功能為：整個(gè)擴(kuò)散焊過程中，去膜劑可與待焊面周圍環(huán)境氣氛中的氧或待焊面上的金屬氧化物反應(yīng)，具有去除金屬氧化物的作用。

本發(fā)明的有益效果如下：

（1）、本發(fā)明提供的一種銅及銅合金與鋼的低真空擴(kuò)散焊方法，所需焊接環(huán)境真空度不高于800Pa，不需要昂貴的真空設(shè)備投入，生產(chǎn)成本低，真空抽取時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。

（2）、本發(fā)明在低真空度和低焊接溫度下完成了銅/銅合金與鋼的擴(kuò)散焊連接，使銅/銅合金中的Cu和其他合金元素不容易揮發(fā)，保持了爐內(nèi)清潔，保證了使用性能，延長了擴(kuò)散爐壽命。

（3）、本發(fā)明的去膜劑在高溫時(shí)可去除銅/銅合金與鋼待焊面上的氧化膜，增加銅/銅合金與鋼之間的擴(kuò)散速率，縮短擴(kuò)散連接時(shí)間，連接效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的銅/銅合金與鋼在低真空擴(kuò)散焊時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的表面涂覆去膜劑的金屬箔結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的與去膜劑均勻混合的金屬粉末的示意圖；

圖4是本發(fā)明的表面涂覆去膜劑的金屬鍍膜的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖標(biāo)記如下：1—上壓頭；2—銅或銅合金；3—去膜劑；4—鋼；5—下壓頭；6—金屬箔；7—金屬粉末；8—金屬鍍膜。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將鉻青銅與45號鋼進(jìn)行低真空擴(kuò)散焊。

步驟一，將鉻青銅和45號鋼的待焊面依次進(jìn)行堿洗、酸洗、砂紙打磨和酒精中超聲波清洗，冷風(fēng)吹干；步驟二、將鉻青銅與45號鋼的待焊面對接組裝，在對接面之間撒涂一層粉狀去膜劑，去膜劑成分為：按質(zhì)量百分比計(jì)，B₂O₃ 45%～47%，H₃BO₃ 38%～40%，KF 14%～16%，裝配得到連接件；步驟三、將連接件放在擴(kuò)散焊爐的上壓頭和下壓頭之間，施加1.0MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門；步驟四、擴(kuò)散焊爐開啟抽真空，待真空度達(dá)到800Pa時(shí)，開啟加熱，加熱速率為5℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到600℃時(shí)，對連接件施加4MPa軸向壓力，保溫保壓30min；步驟五、連接件擴(kuò)散焊完成后，卸去壓力，隨爐冷卻至100℃，取出連接件，即實(shí)現(xiàn)鉻青銅與45號鋼的低真空擴(kuò)散焊。

焊后接頭的測試結(jié)果為：（1）真空擴(kuò)散焊接頭無缺陷，焊合率高；（2）室溫接頭抗拉強(qiáng)度為193.5MPa，延伸率為30%；（3）焊接過程中無元素?fù)]發(fā)，擴(kuò)散爐無污染。

實(shí)施例2

將尺寸為φ12.0×1.0mm的H62黃銅管與尺寸為φ16.0×3.0mm的20號鋼管低溫?cái)U(kuò)散焊。

步驟一、將H62黃銅管和20號鋼管的待焊面依次采用5% NaOH溶液堿洗、5% HCl溶液酸洗、用80#到1500#砂紙打磨，然后酒精中超聲波清洗，冷風(fēng)吹干備用；步驟二、將H62黃銅管與20號鋼管的待焊面對接組裝，在對接面之間鋪設(shè)一層含有去膜劑的Ni粉，去膜劑和Ni粉的質(zhì)量比為1：10，去膜劑的成分為：按質(zhì)量百分比計(jì)，B 28%～30%，Na₂B₄O₇ 50%～52%，AlF₃ 19%～21%，裝配得到連接件；步驟三、將連接件放在擴(kuò)散焊爐的上壓頭與下壓頭之間，施加1.5MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門；步驟四、擴(kuò)散焊爐開啟抽真空，待真空度達(dá)到400Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率為12℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到650℃時(shí)，對連接件施加10MPa軸向壓力，保溫保壓6min；步驟五、連接件擴(kuò)散焊完成后，卸去壓力，隨爐冷卻至100℃，取出連接件，即實(shí)現(xiàn)H62黃銅管和20號鋼管的低真空擴(kuò)散焊。

焊后接頭的測試結(jié)果為：（1）H62黃銅管和20號鋼管擴(kuò)散焊接頭存在元素間的相互擴(kuò)散，界面處無缺陷，具有良好的冶金結(jié)合；（2）室溫接頭抗剪強(qiáng)度為325MPa；（3）擴(kuò)散焊接過程中無元素?fù)]發(fā)，擴(kuò)散爐無污染。

實(shí)施例3

將T2紫銅與1Cr18Ni9Ti鋼低溫?cái)U(kuò)散焊。

步驟一、將T2紫銅與1Cr18Ni9Ti鋼的待焊面依次進(jìn)行堿洗、酸洗、砂紙打磨和酒精中超聲波清洗，吹干備用；步驟二、將T2紫銅與1Cr18Ni9Ti鋼的待焊面對接組裝，在對接面之間鋪設(shè)含有去膜劑的Ni箔，Ni箔厚度為0.1mm，Ni箔兩側(cè)刷涂去膜劑，去膜劑成分為：按質(zhì)量百分比計(jì)，B₂O₃ 65%～67%，Na₂B₄O₇ 18%～20%，CaF₂ 14%～16%，裝配得到連接件；步驟三、將連接件放在擴(kuò)散焊爐的上壓頭與下壓頭之間，施加1.2MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門；步驟四、擴(kuò)散焊爐開啟抽真空，待真空度達(dá)到500Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率為10℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到850℃時(shí)，對連接件施加5MPa軸向壓力，保溫保壓15min；步驟五、連接件擴(kuò)散焊完成后，卸去壓力，隨爐冷卻至100℃，取出連接件，即實(shí)現(xiàn)T2紫銅與1Cr18Ni9Ti鋼的低真空擴(kuò)散焊。

焊后接頭的測試結(jié)果為：（1）擴(kuò)散焊接頭中Fe/Ni界面區(qū)形成共晶體，Cu/Ni界面形成固溶體，接頭結(jié)合良好；（2）室溫接頭抗剪強(qiáng)度為412MPa；（3）擴(kuò)散焊接過程中無元素?fù)]發(fā)，擴(kuò)散爐無污染。

實(shí)施例4

將錫青銅與45號鋼低溫?cái)U(kuò)散焊。

步驟一、將錫青銅與45號鋼的待焊面依次進(jìn)行堿洗、酸洗、砂紙打磨和酒精中超聲波清洗，吹干備用；步驟二、在45號鋼表面電鍍厚度為0.05mm 的Ni膜，Ni膜表面刷涂去膜劑，去膜劑成分為：按質(zhì)量百分比計(jì)，B 18%～20%，B₂O₃ 65%～67%，CaF₂ 14%～16%，將錫青銅與電鍍Ni膜的45號鋼的待焊面對接組裝，裝配得到連接件；步驟三、將連接件放在擴(kuò)散焊爐的上壓頭與下壓頭之間，施加1.0MPa預(yù)壓力，關(guān)閉爐門；步驟四、擴(kuò)散焊爐開啟抽真空，待真空度達(dá)到600Pa時(shí)，開始加熱，加熱速率為8℃/min，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到800℃時(shí)，對連接件施加7MPa軸向壓力，保溫保壓12min；步驟五、連接件擴(kuò)散焊完成后，卸去壓力，隨爐冷卻至100℃，取出連接件，即實(shí)現(xiàn)錫青銅與45號鋼的低溫?cái)U(kuò)散焊。

焊后接頭的測試結(jié)果為：（1）Ni在錫青銅和45號鋼之間都有了一定程度的相互擴(kuò)散，并在Ni/Fe及Ni/Cu界面上形成一定厚度的擴(kuò)散層，同時(shí)可以看到錫青銅中的合金元素Sn在Ni/Cu界面上聚集，形成低熔共晶物；（2）室溫接頭抗剪強(qiáng)度為336MPa；（3）擴(kuò)散焊接過程中無元素?fù)]發(fā)，擴(kuò)散爐無污染。