鉬銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝的製作方法

2023-04-28 03:13:26 2

專利名稱：鉬銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於鑰銅合金與不鏽鋼的擴散連接方法，尤其涉及一種瞬間液相擴散連接鑰銅合金與不鏽鋼的方法，屬於異種材料的焊接技術領域。
背景技術：
隨著電子器件功能的強化、體積小型化和功率的增大，對電子封接材料的高溫性能和散熱性能要求愈來愈高。鑰銅合金具有良好的導電、導熱性能和較穩定的熱膨脹係數，以及適當的機械強度，可在較高溫度下使用，作為電子封接材料受到高度重視。鑰銅合金與不鏽鋼焊接時，由於兩者的熱物理性能相差較大，如採用熔焊方法，接頭處容易產生焊接裂紋，因此，需要採取焊前預熱、焊後緩冷等工藝措施防止接頭裂紋的產生。並且，鑰銅合金對氣體雜質較敏感，焊接時易產生氣孔，接頭快速冷卻時，間隙雜質還會在晶界上形成偏析。因此，鑰銅合金與不鏽鋼的焊接較多採用在真空環境或氣體保護條件下進行焊接。國內外有關鑰銅合金和不鏽鋼的焊接主要採用鎢極氬弧焊和真空釺焊技術。採用鎢極氬弧焊技術焊接時，採用Cr25-Nil3合金焊絲作為填充材料，焊接前先對鑰銅合金一側進行預熱，然後通過控制焊接熱輸入可獲得強韌性較好的奧氏體和S-鐵素體雙相組織焊縫。但在鑰銅合金一側的熔合區存在少量Fe-Mo金屬間化合物，這些金屬間化合物的聚集限制了鑰銅合金與不鏽鋼接頭的高溫應用。真空釺焊鑰銅合金與不鏽鋼採用的釺料主要有Ag-Cu-Ti活性釺料和鎳基非晶釺料，這兩種釺料成本較高，因此使其應用範圍受到很大的限制。

發明內容
針對上述現有技 術，本發明的目的是克服現有技術的不足之處，提出一種瞬間液相擴散連接鑰銅合金與不鏽鋼的方法，以實現鑰銅合金與不鏽鋼的擴散連接，提高焊接質量，降低生產成本，擴大鑰銅合金與不鏽鋼焊接件的應用範圍。本發明是通過以下技術方案實現的:鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，包括以下步驟:(I)焊前清理鑰銅合金與不鏽鋼的待焊表面，並拭淨、吹乾，直至露出金屬光澤；(2)在鑰銅合金與不鏽鋼待焊接觸面之間添加複合中間層，然後將待焊工件置於真空室中，並用上、下壓頭壓緊；(3)待真空室的真空度抽至10_4Pa時，對裝配好的鑰銅合金與不鏽鋼工件進行瞬間液相擴散焊，工藝參數為:加熱溫度1010 1080°C，加熱速度為25 40°C /min，保溫時間25 40min,壓力6 IOMPa,真空度為10 4 10 5Pa ；(4)焊後冷卻，取出鑰銅合金與不鏽鋼焊接工件。所述步驟(I)中，焊前清理鑰銅合金與不鏽鋼的待焊表面的方法為機械清理或/和化學清理。機械清理是指用金相砂紙打磨鑰銅合金和不鏽鋼的待焊表面，使其表面粗糙度達到Ral.6 6.4 μ m，打磨後，用酒精將待焊工件表面擦拭乾淨、吹乾。化學清理是指採用體積百分比為10%的硫酸溶液或10% 15%的鹽酸或75% 100%的酒精對待焊工件表面進行清洗，酸洗時間5 IOmin ;酸洗後，清水衝洗，用酒精將待焊工件表面擦拭乾淨、吹乾。所述步驟(2)中，複合中間層是由銅箔和鈦箔組成，或由銅箔和鈦粉組成，它們以順序為鑰銅合金一鈦箔+銅箔+鈦箔一不鏽鋼，或:鑰銅合金一鈦粉+銅箔+鈦粉一不鏽鋼的方式夾放在鑰銅合金與不鏽鋼工件之間。進一步地，所述銅箔純度大於99%。進一步地，所述鈦箔的厚度為10 20 μ m，銅箔的厚度為80 140 μ m。進一步地，所述鈦箔上塗覆有鈮粉，鈮粉的添加量為鈦箔質量的20% 40%。進一步地，所述鈦粉的粒度大於200目。進一步地，所述鈦粉中添加有鈮粉，混合粉末中，鈮粉與鈦粉的質量比為1:3 1:2。進一步地,所述鈦粉的添加量為銅箔質量的10% 25%。所述步驟(4)具體為:焊後真空室通過水循環進行冷卻，待真空室冷卻至100°C以下時，停止水循環冷卻，真空室自然冷卻6 IOh後，取出鑰銅合金與不鏽鋼焊接工件。本發明的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，採用的含鈮的鈦箔和銅箔(或銅箔+鈦、鈮混合粉)複合中間層，熔點較低，焊接過程中在較低溫度下即可熔化成液相金屬，潤溼鑰銅合金與不鏽鋼的接觸表面，提高鑰銅合金與不鏽鋼的界面潤溼能力，促進兩者之間原子的快速擴散並·發生擴散反應；加之經過設定的保溫時間，擴散反應可持續進行，加速了鑰銅合金與不鏽鋼之間的擴散結合。本發明提出的瞬間液相擴散連接鑰銅合金與不鏽鋼的方法，是通過活性含鈮的鈦箔和銅箔(或銅箔+鈦、鈮混合粉)複合中間層，在焊接過程中活化鑰銅合金與不鏽鋼的待焊接觸表面，實現鑰銅合金與不鏽鋼的擴散連接。含鈮的鈦箔和銅箔(或銅箔+鈦、鈮混合粉)的活化溫度範圍低於不鏽鋼的軟化溫度。擴散連接時，複合中間層首先發生活化反應，分解出T1、Nb、Cu等活性原子並迅速擴散到鑰銅合金和不鏽鋼的接觸表面。這一活化過程一方面激活鑰銅合金與不鏽鋼接觸表面的原子，另一方面活性原子T1、Nb、Cu與鑰銅合金/不鏽鋼界面處原子發生擴散反應，生成新的物相結構。活性原子T1、Nb、Cu在鑰銅合金/不鏽鋼界面之間形成的擴散反應新相結構有利於促進鑰銅合金/不鏽鋼界面形成良好的擴散結合，提高鑰銅合金/不鏽鋼擴散焊接頭的結合強度性能。焊前將活性含鈮的鈦箔和銅箔(或銅箔+鈦、鈮混合粉)夾放在鑰銅合金與不鏽鋼件之間，並在擴散連接過程中施加壓力，可以減小鑰銅合金、複合中間層與不鏽鋼之間的微觀間隙，增大鑰銅合金和不鏽鋼與中間層的接觸面積，促進T1、Nb、Cu與鑰銅合金/不鏽鋼界面處的原子擴散，有利於擴散反應，提高連接界面的結合強度。採用本發明的添加複合中間層瞬間液相擴散連接鑰銅合金與不鏽鋼的方法，在含鈮的鈦箔和銅箔(或銅箔+鈦、鈮混合粉)的作用下，完全實現了鑰銅合金與不鏽鋼的擴散連接。並且，結合本發明方法中給出的瞬間液相擴散焊接參數，能夠獲得剪切強度達120MPa的鑰銅合金與不鏽鋼的擴散連接接頭，可以滿足鑰銅合金與不鏽鋼複合結構的使用要求。本發明的鑰銅合金與不鏽鋼的連接方法具有成本低、工藝簡單方便，適用性強、便於推廣應用等優點。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的說明。實施例1:40mmX 40mmX 3mm 的鑰銅合金板與 40mmX 40mmX 3mm 的 lCrl8Ni9Ti 奧氏體不鏽鋼板的瞬間液相擴散連接。具體工藝步驟如下:(I)將鑰銅合金待焊表面用金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達到Ra2.5μπι，然後用酒精將進行擦拭，吹乾。另將ICrlSNiOTi不鏽鋼片表面用15%的鹽酸進行酸洗8min，清水洗淨，吹乾；用金相砂紙打磨不鏽鋼的待焊表面，使其表面粗糙度達到Ra2.5 μ m，再用酒精將表面擦拭乾淨，吹乾。(2)在鑰銅合金與lCrl8Ni9Ti不鏽鋼的待焊接觸面之間，以鑰銅合金一鈦箔(含鈮粉)+銅箔+鈦箔(含鈮粉)-lCrl8Ni9Ti不鏽鋼的順序依次夾放厚度為20 μ m鈦箔(重量為0.15g)、厚度為110 μ m銅箔和厚度為20 μ m鈦箔(重量為0.15g)，形成複合中間層，其中在兩側鈦箔的單面上分別均勻塗敷鈮粉0.06g，並將塗有鈮粉的表面與銅箔接觸，最後用上、下壓頭壓緊待焊件。(3)將夾有複合中間層的鑰銅合金與ICrlSNiOTi不鏽鋼組合件置於真空擴散焊設備的真空室中進行液相擴散連接，工藝參數為:加熱速度為30°C /min，加熱溫度1050°C，保溫時間35min，壓力7MPa，真空度為4.5 X IO^5Pa0(4)待焊接完成後，真空室通過水循環冷卻，冷卻至100°C以下時，停止水循環冷卻，真空室自然冷卻7h後，取出工件，獲得鑰銅合金與lCrl8Ni9Ti不鏽鋼擴散焊接頭。經剪切試驗測試，該鑰銅合金與lCrl8Ni9Ti不鏽鋼接頭界面的剪切強度達120MPa。實施例2:40mmX 40mmX 2.5mm 的鑰銅合金板與 40mmX 40mmX 2.5mm 的 lCrl7Mo 鐵素體不鏽鋼板的瞬間液相擴散連接。具體工藝步驟如下:(I)將鑰銅合金待焊表面用金相砂紙打磨，使其表面粗糙度達到RatOynuS後用酒精將進行擦拭，吹乾。另將lCrl7Mo鐵素體不鏽鋼板待焊表面用10%的硫酸進行酸洗lOmin，清水洗淨，吹乾，然後用金相砂紙打磨鋼的待焊表面，使其表面粗糙度達到Ra5.2 μ m ;再用酒精將表面擦拭乾淨，吹乾。(2)在鑰銅合金與lCrl7Mo不鏽鋼待焊接觸面之間，以鑰銅合金一鈦箔(含鈮粉)+銅箔+鈦箔(含鈮粉)-lCrl7Mo不鏽鋼的順序依次夾放厚度為10 μ m鈦箔(重量為0.075g)、厚度為120 μ m銅箔和厚度為10 μ m鈦箔(重量為0.075g),形成複合中間層，其中在兩側鈦箔的單面上分別均勻塗敷鈮粉0.03g，並將塗有鈮粉的表面與銅箔接觸，最後用上、下壓頭壓緊。(3)將夾有複合中間層的鑰銅合金與lCrl7Mo不鏽鋼組合件置於真空擴散焊設備的真空室中進行瞬間液相擴散連接焊，工藝參數為:加熱速度為35°C /min，加熱溫度1080°C，保溫時間30min，壓力lOMPa，真空度為2.5 X IO^4Pa0(4)待保溫完成後，真空室通過水循環冷卻，冷卻至100°C以下時，停止水循環冷卻，真空室自然冷卻6h後，取出工件，獲得鑰銅合金與lCrl7Mo不鏽鋼擴散焊接頭。經剪切試驗測試，該鑰銅合金與lCrl7Mo不鏽鋼接頭界面的剪切強度達126MPa。
權利要求
1.鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:包括以下步驟: (1)焊前清理鑰銅合金與不鏽鋼的待焊表面，並拭淨、吹乾，直至露出金屬光澤； (2)在鑰銅合金與不鏽鋼待焊接觸面之間添加複合中間層，然後將待焊工件置於真空室中，並用上、下壓頭壓緊； (3)待真空室的真空度抽至10_4Pa時，對裝配好的鑰銅合金與不鏽鋼工件進行瞬間液相擴散焊，工藝參數為:加熱溫度1010 1080°C，加熱速度為25 40°C /min，保溫時間25 40min,壓力6 IOMPa,真空度為10 4 10 5Pa ； (4)焊後冷卻，取出鑰銅合金與不鏽鋼焊接工件。
2.根據權利要求1所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述步驟(I)中，焊前清理鑰銅合金與不鏽鋼的待焊表面的方法為機械清理或/和化學清理；機械清理是:用金相砂紙打磨鑰銅合金和不鏽鋼的待焊表面，使其表面粗糙度達到Ral.6 6.4 μ m，打磨後，用酒精將待焊工件表面擦拭乾淨、吹乾；化學清理是:採用體積百分比為10%的硫酸溶液或10% 15%的鹽酸或75% 100%的酒精對待焊工件表面進行清洗，酸洗時間5 IOmin ;酸洗後，清水衝洗，用酒精將待焊工件表面擦拭乾淨、吹乾。
3.根據權利要求1所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述步驟(2)中，複合中間層是由銅箔和鈦箔組成，或由銅箔和鈦粉組成，它們以順序為鑰銅合金一鈦箔+銅箔+鈦箔一不鏽鋼，或:鑰銅合金一鈦粉+銅箔+鈦粉一不鏽鋼的方式夾放在鑰銅合金與不鏽鋼工件之間。
4.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述銅箔純度大於99%。
5.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述鈦箔的厚度為10 20 μ m，銅箔的厚度為80 140 μ m。
6.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述鈦箔上塗覆有鈮粉，鈮粉的添加量為鈦箔質量的20% 40%。
7.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述鈦粉的粒度大於200目。
8.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述鈦粉中添加有鈮粉，混合粉末中，鈮粉與鈦粉的質量比為1:3 1:2。
9.根據權利要求3所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述鈦粉的添加量為銅箔質量的10% 25%。
10.根據權利要求1所述的鑰銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，其特徵在於:所述步驟(4)具體為:焊後真空室通過水循環進行冷卻，待真空室冷卻至100°C以下時，停止水循環冷卻，真空室自然冷卻6 IOh後，取出鑰銅合金與不鏽鋼焊接工件。
全文摘要
本發明公開了一種鉬銅合金與不鏽鋼的瞬間液相擴散連接工藝，包括以下步驟(1)焊前清理鉬銅合金與不鏽鋼的待焊表面，並拭淨、吹乾，直至露出金屬光澤；(2)在鉬銅合金與不鏽鋼待焊接觸面之間添加複合中間層，然後將待焊工件置於真空室中，並用上、下壓頭壓緊；(3)待真空室的真空度抽至10-4Pa時，對裝配好的鉬銅合金與不鏽鋼工件進行瞬間液相擴散焊；(4)焊後冷卻，取出鉬銅合金與不鏽鋼焊接工件。本發明完全實現了鉬銅合金與不鏽鋼的擴散連接，能夠獲得剪切強度達120MPa的鉬銅合金與不鏽鋼的擴散連接接頭，可以滿足鉬銅合金與不鏽鋼複合結構的使用要求。本發明具有成本低、工藝簡單方便，適用性強、便於推廣應用等優點。
文檔編號B23K20/26GK103252572SQ20131017312
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月10日 優先權日2013年5月10日
發明者王娟, 劉強, 李亞江 申請人:山東大學