專利名稱：一種用于金屬材料的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于金屬材料的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，具體地說，涉及一種金屬材 料自身表面納米化后再進(jìn)行擴(kuò)散焊接的工藝，擴(kuò)散焊接溫度顯著降低。
背景技術(shù)：
擴(kuò)散焊接是指將兩被焊工件緊壓在一起，置于真空或保護(hù)氣氛中，在一定的壓力 和溫度作用下，讓原子相互擴(kuò)散以實(shí)現(xiàn)牢固連接的一種固態(tài)焊接方法。
本發(fā)明所指的低溫?cái)U(kuò)散焊接是指擴(kuò)散焊接溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高溫?cái)U(kuò)散焊接的工藝 方法(例如，對(duì)于Cu，可望在300 40(TC實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接，遠(yuǎn)低于80(TC的傳統(tǒng)擴(kuò)散焊接溫 度)。表面納米化為研發(fā)低溫?cái)U(kuò)散焊接方法提供了獨(dú)特的思路。本發(fā)明的基本構(gòu)想是將表面 納米化技術(shù)應(yīng)用于擴(kuò)散焊接，利用納米結(jié)構(gòu)的高擴(kuò)散性和低晶粒長(zhǎng)大溫度來大幅度降低傳 統(tǒng)擴(kuò)散焊接方法的溫度和壓力，縮短保溫時(shí)間，并提高焊接接頭綜合服役性能。低溫?cái)U(kuò)散焊 接具有焊接溫度低、保溫時(shí)間短、壓力小、生產(chǎn)效率高和接頭強(qiáng)韌性能高等優(yōu)點(diǎn)。低溫?cái)U(kuò)散 焊接可望在實(shí)現(xiàn)焊接的同時(shí)部分保留納米結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)異性能，并在擴(kuò)散焊接接頭形成強(qiáng) 韌且性能優(yōu)異的雙?；蚨嗄ｏ@微組織，這必將有效提高擴(kuò)散焊接接頭的性能。同時(shí)，由于低 溫?cái)U(kuò)散焊接溫度低于金屬材料退火溫度，低溫?cái)U(kuò)散焊接過程對(duì)焊接工件母材性能無影響。
擴(kuò)散焊接過程可以分為三個(gè)階段第一階段，變形一接觸階段；第二階段，擴(kuò)散一 界面推移階段；第三階段，界面和孔洞消失階段。在上述三個(gè)階段中，第二階段是主要階段， 對(duì)擴(kuò)散焊接接頭的形成過程起決定性作用。被焊接表面緊密接觸后，由于溫度和壓力的作 用，界面區(qū)的原子處于激活狀態(tài)，發(fā)生界面區(qū)原子的相互擴(kuò)散，逐漸形成以金屬鍵為主要結(jié) 合形式的擴(kuò)散焊接接頭。但此時(shí)接頭強(qiáng)度不高，必須繼續(xù)擴(kuò)散保溫一定時(shí)間，使擴(kuò)散層達(dá)到 一定深度。再通過回復(fù)、再結(jié)晶及晶界推移，形成牢固的冶金連接?？梢?，該階段是擴(kuò)散焊 接過程的控制階段，如果能夠提高被焊材料界面區(qū)域的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)降低界面區(qū)域的再 結(jié)晶(晶粒長(zhǎng)大)溫度，必將能夠使擴(kuò)散焊接在較低溫度下進(jìn)行，并且可以縮短保溫時(shí)間，降 低壓力，即實(shí)現(xiàn)低溫?cái)U(kuò)散焊接。納米結(jié)構(gòu)材料所具有的高擴(kuò)散性和低晶粒長(zhǎng)大溫度特性正 滿足這些要求，使降低擴(kuò)散焊接溫度在現(xiàn)實(shí)中成為可能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種將自身表面納米化運(yùn)用到金屬材料的擴(kuò)散焊接工藝， 以降低金屬材料低溫?cái)U(kuò)散焊接的溫度，并提高擴(kuò)散焊接接頭的綜合機(jī)械性能。本發(fā)明所指 的低溫?cái)U(kuò)散焊接工藝僅適用于能夠進(jìn)行基于表面嚴(yán)重塑性變形原理實(shí)現(xiàn)自身表面納米化 處理的金屬或合金材料。
具體地講，本發(fā)明以能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化金屬材料為適用對(duì)象，采用自身表 面納米化方法制備表面納米晶結(jié)構(gòu)，并將納米結(jié)構(gòu)表面作為焊接面進(jìn)行擴(kuò)散焊接，通過優(yōu) 化擴(kuò)散焊接溫度、保溫時(shí)間和壓力等焊接規(guī)范得到具有工程應(yīng)用價(jià)值的低溫?cái)U(kuò)散焊接接 頭。
—種用于金屬材料的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，包括如下步驟1)金屬材料的準(zhǔn)備選用能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化的金屬板材為擴(kuò)散焊接的原材料， 用機(jī)械的方法將所述金屬板材的待焊接表面拋光，粗糙度達(dá)到3. 2μπι以上；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴(yán)重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在拋光處理后的所述金屬板材的待焊接表面制備納米結(jié)構(gòu)表面層，得到表面 納米化金屬板材；3)擴(kuò)散焊接將步驟2)所述的表面納米化金屬板材切割成合適的尺寸大小，并對(duì)納米 化表面進(jìn)行機(jī)械拋光，粗糙度達(dá)到3. 2μπι以上，然后將納米化表面相接觸，放置在真空或 還原氣氛中，依次加壓、升溫進(jìn)行擴(kuò)散焊接。
所述自身表面納米化方法包括表面機(jī)械研磨、高能噴丸和動(dòng)態(tài)軋制方法。
所述擴(kuò)散焊接的壓力為2 20MPa。
所述擴(kuò)散焊接的溫度為300 800°C。
所述擴(kuò)散焊接的保溫時(shí)間是20 120min。
所述金屬板材能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化，如純金屬或合金。更具體地，可以是銅、 鐵、鋁、鎂、鈦、鈷、鎳或低碳鋼。
擴(kuò)散焊接接頭組織為粗晶、細(xì)晶混合的多模顯微組織結(jié)構(gòu)，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于 普通擴(kuò)散焊接工藝制備的接頭。
所述真空的真空度為3 10，所述還原氣氛是氫氣氛。
通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化擴(kuò)散焊接規(guī)范主要參數(shù)焊接溫度、保溫時(shí)間、擴(kuò)散焊接壓力，可以 得到綜合力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)擴(kuò)散焊接工藝的接頭。由于擴(kuò)散焊接的溫度降低，升溫和降溫 的時(shí)間都可以縮短，因此本發(fā)明可以降低擴(kuò)散焊接生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。


圖1為銅低溫?cái)U(kuò)散焊接接頭橫截面光學(xué)金相圖片； 圖2為銅低溫?cái)U(kuò)散焊接接頭拉伸斷口 SEM圖片。
具體實(shí)施方式
下面，通過以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，它將有助于理解本發(fā)明，但并不限 制本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例1自身表面納米化銅的低溫?cái)U(kuò)散焊接。
(1)原材料的準(zhǔn)備選用T2銅板作為自身表面納米化低溫?cái)U(kuò)散焊接的模型原材 料，用金相砂紙將銅板的一面拋光，得到光潔度滿足要求的表面，待用。
(2)自身表面納米化處理采用液氮溫度下動(dòng)態(tài)軋制工藝進(jìn)行自身表面納米化處 理，將銅板安裝在動(dòng)態(tài)軋制表面納米化設(shè)備上，加入液氮冷卻，進(jìn)行動(dòng)態(tài)軋制處理，最后，在 銅板的表面獲得0. 4mm厚的納米結(jié)構(gòu)層。
(3)恒溫恒壓擴(kuò)散焊接將步驟(2)處理后的銅板，以納米化表面為焊接面進(jìn)行擴(kuò) 散焊接，焊接規(guī)范為，真空度ι χ IO-3Pa,焊接壓力lOMPa，焊接溫度400°C，擴(kuò)散時(shí)間60min。
將表面納米化銅低溫?cái)U(kuò)散焊接接頭沿橫截面剖開，把橫截面研磨、拋光并用腐蝕劑腐蝕，采用金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察、分析。圖1為焊接接頭橫截面的光學(xué)金相照 片，可見接頭界面不易分辨，顯微組織細(xì)小，部分晶粒跨界面生長(zhǎng)，形成理想的接頭組織。 表面納米化銅低溫?cái)U(kuò)散焊接接頭拉伸斷口典型形貌如圖2所示，斷口可見大量類似韌窩 結(jié)構(gòu)，與熱壓燒結(jié)納米晶銅拉伸斷口相似，大量存在的類似韌窩結(jié)構(gòu)顯示表面納米化銅在 400 V下已經(jīng)形成綜合性能較好的接頭，且接頭具有一定的塑性。
針對(duì)其他金屬板材，操作條件可以下范圍內(nèi)調(diào)整擴(kuò)散焊接的壓力為2 20MPa， 擴(kuò)散焊接的溫度為300 800°C，擴(kuò)散焊接的保溫時(shí)間是20 120min。
權(quán)利要求
1.一種用于金屬材料的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，包括如下步驟1)金屬材料的準(zhǔn)備選用能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化的金屬板材為擴(kuò)散焊接的原材料， 用機(jī)械的方法將所述金屬板材的待焊接表面拋光，粗糙度達(dá)到3. 2μπι以上；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴(yán)重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在拋光處理后的所述金屬板材的待焊接表面制備納米結(jié)構(gòu)表面層，得到表面 納米化金屬板材；3)擴(kuò)散焊接將步驟2)所述的表面納米化金屬板材切割成合適的尺寸大小，并對(duì)納米 化表面進(jìn)行機(jī)械拋光，粗糙度達(dá)到粗糙度3. 2 μ m以上，然后將納米化表面相接觸，放置在 真空或還原氣氛中，依次加壓、升溫進(jìn)行擴(kuò)散焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述自身表面納米化方法 包括表面機(jī)械研磨、高能噴丸和動(dòng)態(tài)軋制方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述擴(kuò)散焊接的壓力為2 20MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述擴(kuò)散焊接的溫度為 300 800"C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述金屬材料是純金屬或I=I 巫 O
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述擴(kuò)散焊接的接頭組織 為粗晶、細(xì)晶混合的多模顯微組織結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述真空的真空度為3 10，所述還原氣氛是氫氣氛。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法，其特征在于，所述金屬材料是銅、鐵、鋁、 鎂、鈦、鈷、鎳或低碳鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于金屬材料的低溫?cái)U(kuò)散焊接方法。該方法包括如下步驟1)擴(kuò)散焊接材料的準(zhǔn)備選用能夠?qū)崿F(xiàn)自身表面納米化的金屬板材為擴(kuò)散焊接的原材料，用機(jī)械的方法將待焊接表面拋光，達(dá)到一定的粗糙度要求；2)自身表面納米化處理采用基于表面嚴(yán)重塑性變形原理的自身表面納米化方法，在板材的一個(gè)表面制備納米結(jié)構(gòu)表面層；3)擴(kuò)散焊接將步驟2)處理的表面納米化板材切割成合適的尺寸大小，并對(duì)納米化表面進(jìn)行機(jī)械拋光達(dá)到滿足擴(kuò)散焊接要求的粗糙度，準(zhǔn)備進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散焊接。將納米化表面相接觸，放置在真空或還原氣氛中，依次加壓、升溫進(jìn)行擴(kuò)散焊接。本發(fā)明可以降低擴(kuò)散焊接生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)B23K20/02GK102039484SQ201010565128
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者于治水, 李 東 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)