石墨與銅的釬焊機(jī)理及新型低溫活性釬料的制備.pdf

1、由于石墨具有優(yōu)越的抗熱震性、高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率和抗熱疲勞性，因此石墨材料具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，如碳換向器不僅可以應(yīng)用在所有的直流電機(jī)上，還可以在航空、航天、軍工等領(lǐng)域中得到推廣與應(yīng)用。本文采用商用釬料和自己研制的新型釬料對(duì)石墨與銅進(jìn)行釬焊，分析了釬料制備原理和界面反應(yīng)機(jī)理。本文研究結(jié)果不僅填補(bǔ)了我國(guó)碳換向器生產(chǎn)的技術(shù)空白，且為碳基材料與異種金屬的連接提供了技術(shù)儲(chǔ)備。
　　本文選擇Ag、Cu、Ti、Sn四種元素作為機(jī)械合金化（MA）制備

2、釬料的主要成分。其中，Ag元素的添加方式為Ag單質(zhì)粉末或者AgCu共晶粉。研究了球磨時(shí)間、球料比、元素添加方式等工藝參數(shù)對(duì)粉末形貌、粒度、合金化程度、釬料熔點(diǎn)的影響。建立了MA的工藝模型，提出了一種點(diǎn)蝕狀剝落的局部模型。通過(guò)數(shù)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型和熱力學(xué)模型分析表明，球速越大，Pmax越大，粉末被破碎的程度大；顆粒越小粉末的穩(wěn)定程度也越大，粉末的溫升不足以使粉末融化。本文在機(jī)械合金化轉(zhuǎn)速為260r/min，球磨時(shí)間為7h時(shí)，球磨后的粉末平

3、均直徑低于20μm。
　　采用非晶態(tài)TiZrNiCu釬料釬焊時(shí)，接頭的界面結(jié)構(gòu)為石墨/TiC/Ti-Cu、Cu-Zr、Ni-Ti系金屬間化合物/Cu基固溶體/Cu，TiC是實(shí)現(xiàn)釬料與石墨冶金連接的主要因素。釬焊工藝參數(shù)對(duì)接頭界面組織和性能產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)釬焊溫度為1193K、保溫時(shí)間為900s時(shí)，接頭獲得最佳抗剪強(qiáng)度26MPa；在1223K/900s和1173K/600s參數(shù)下獲得接頭的平均電阻為3.3m和3.2m，均滿足使用要

4、求。但是從電阻極差、相鄰葉片電阻差、方差等因素分析，在1223K/900s試驗(yàn)條件下，接頭電阻具有最高的穩(wěn)定性。
　　石墨/AgCuTiSn/Cu釬焊接頭的界面結(jié)構(gòu)為石墨/TiC/Ti3Sn+Ag(s.s)+Cu-Sn化合物+Cu(s.s)/Cu(s.s)/Cu。隨著釬焊工藝參數(shù)的增加，白色Ag(s.s)的尺寸和分布面積減少，釬料向Cu母材側(cè)的晶間滲入增強(qiáng)，黑色的金屬間化合物相明顯長(zhǎng)大。石墨側(cè)發(fā)現(xiàn)了“須”狀組織，其隨著釬焊工藝參數(shù)

5、的提高先增多、增長(zhǎng)、增大，然后減少，直至消失，這種變化將對(duì)接頭的力學(xué)性能帶來(lái)一定的影響。結(jié)果表明：當(dāng)釬焊溫度為1093K，保溫時(shí)間為900s時(shí)，接頭獲得最大的抗剪強(qiáng)度24MPa。另外，接頭的斷裂位置與釬焊工藝參數(shù)有關(guān)。在最佳的工藝參數(shù)下，斷裂幾乎全部發(fā)生在石墨母材處，接頭的抗剪強(qiáng)度最高。采用AgCuTiSn釬料對(duì)石墨/Cu進(jìn)行連接時(shí)，Sn元素熔化形成了液相通道，加速了其它元素的擴(kuò)散、反應(yīng)，使得釬料熔化，達(dá)到了降熔的作用；同時(shí)，為釬焊過(guò)程

6、提供了活潑的Ti原子。采用AgCuTi和AgCuTiSn釬料對(duì)實(shí)際件進(jìn)行焊接，并試車(chē)運(yùn)行。結(jié)果表明，換向器工作狀態(tài)穩(wěn)定，該產(chǎn)品的使用壽命達(dá)到15000h以上，可以達(dá)到傳統(tǒng)換向器使用壽命的5倍。
　　本文建立了石墨/TiZrNiCu/Cu接頭界面反應(yīng)層成長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程，并分析了石墨/AgCuTiSn/Cu釬焊界面的反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)研究釬料與碳基材料的反應(yīng)機(jī)理可知，Ti基釬料實(shí)現(xiàn)連接主要是利用Ti與C反應(yīng)生成TiC；Cr基釬料實(shí)現(xiàn)連接主要