一種銅鋁異種金屬的固液連接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種銅鋁異種金屬的固液連接方法，所述方法包括如下步驟：對待連接固態(tài)銅預(yù)置材料進(jìn)行表面鋅層保護處理；熔化待澆注鋁合金并精煉，得液態(tài)鋁合金；將表面鋅層保護處理過的待連接固態(tài)銅預(yù)置材料預(yù)置于模具型腔內(nèi)；將液態(tài)鋁合金澆入模具型腔內(nèi)，使銅和鋁之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種金屬固液連接。本發(fā)明方法利用表面鋅層保護后固液連接的工藝手段，解決了傳統(tǒng)焊接方法連接銅和鋁時容易出現(xiàn)的氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析等一系列的問題，克服了銅材在高溫下表面易形成氧化膜阻礙銅和鋁之間冶金結(jié)合形成的難題，復(fù)合技術(shù)工序簡單、受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡單、無需氣體保護。
【專利說明】 一種銅鋁異種金屬的固液連接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及兩種金屬的連接方法，具體涉及一種銅鋁異種金屬的固液連接方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)的快速發(fā)展與科技的不斷進(jìn)步，單一材料已很難滿足各領(lǐng)域?qū)τ诓牧暇C合性能的要求，雙金屬復(fù)合材料可以在設(shè)計上綜合各組元的優(yōu)點，使其擁有良好的綜合性能，而且適用面廣，受到越來越多的關(guān)注。相比于單一金屬材料，其優(yōu)點具體表現(xiàn)在以下三個方面:⑴優(yōu)良的綜合性能；⑵良好的經(jīng)濟效益；⑶廣泛的可設(shè)計性。其中銅鋁雙金屬復(fù)合材料綜合了銅合金的高導(dǎo)電性能、高導(dǎo)熱率、低接觸電阻以及鋁的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)點。因此受到電子、電力、電器、冶金、機械、汽車和生活用品等領(lǐng)域的青睞。
[0003]使用傳統(tǒng)焊接方法連接銅鋁合金時，由于銅合金和鋁合金獨特的物理化學(xué)特性，經(jīng)常出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析等一系列的問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，除焊接方法外銅鋁間常見的連接方法按照材料狀態(tài)的不同可以分為固液連接和固固連接。對于固固連接方法，有研究人員通過軋制和擴散焊等固固連接方法將銅鋁合金連接在一起，不過由于鋁和銅在大氣環(huán)境下都非常容易氧化，尤其是高溫條件下，兩種金屬之間都會形成致密的氧化膜，氧化膜的存在會嚴(yán)重阻礙兩種金屬之間的相互作用，惡化連接質(zhì)量，只能形成局部的冶金結(jié)合。另外，表面上的油污、雜質(zhì)等也會影響結(jié)合過程。同時固固連接經(jīng)常受到設(shè)備的限制，對于材料的外形、尺寸都有非常嚴(yán)格的要求，這也在一定程度上限制了鋁銅雙金屬材料的推廣和應(yīng)用。
[0004]與固固連接方法相比，固液復(fù)合技術(shù)工序簡單、受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡單、生產(chǎn)效率較高，是銅鋁連接的理想方法。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，此種方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在鋼(固態(tài))一鑄鐵(液態(tài))，鑄鐵(固態(tài))一招合金(液態(tài))，鋼(固態(tài))一招合金(液態(tài))，鋁合金(固態(tài))一鎂合金(液態(tài))，銅(固態(tài))一鑄鐵(液態(tài))等體系中，制備的雙金屬復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用在各個工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，比如破碎機錘頭、鋁包鋼芯腳線、汽車歧管、汽車結(jié)構(gòu)材料等等，被證明是制備雙金屬復(fù)合材料非常經(jīng)濟有效的方法。不過，在銅(固態(tài))和鋁(液態(tài))之間通過固液結(jié)合形成雙金屬材料卻很少有報導(dǎo)，因為銅合金表面的氧化膜會影響固態(tài)預(yù)置銅合金和液態(tài)鋁材料直接的作用，導(dǎo)致其在工業(yè)上的應(yīng)用受到阻礙。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種銅鋁異種金屬的固液連接方法，解決現(xiàn)有銅鋁連接技術(shù)經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)合區(qū)域形成氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析，同時氧化膜的存在會嚴(yán)重影響兩種金屬之間的相互作用以及連接件的性能等一系列的問題，使兩種鋁合金之間形成冶金結(jié)合，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種銅鋁異種金屬固液連接方法，所述方法包括如下步驟:
[0008]步驟一、對待連接的固態(tài)銅質(zhì)材料進(jìn)行表面鋅層保護處理；并將其預(yù)置于模具型腔內(nèi)；
[0009]步驟二、熔化待連接的鋁質(zhì)材料并精煉，得液態(tài)澆注鋁材料；
[0010]步驟三、將步驟二所得液態(tài)澆注鋁材料澆入模具型腔內(nèi)，鑄造使銅質(zhì)材料和鋁質(zhì)材料之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種金屬的固液連接。
[0011]優(yōu)選地，步驟一中，所述銅質(zhì)材料包括純銅、銅合金等。
[0012]優(yōu)選地，步驟一中，所述表面鋅層保護處理的方法包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴涂、氣相沉積等。
[0013]優(yōu)選地，所述表面鋅層保護處理的鋅層的厚度0.1?50 μ m。
[0014]優(yōu)選地，步驟二中，所述鋁質(zhì)材料包括鑄造鋁合金、變形鋁合金、純鋁等。
[0015]優(yōu)選地，步驟三中，所述鑄造方法包括砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造、尚心鑄造等。
[0016]優(yōu)選地，所述擠壓鑄造的溫度為600°C?800°C，所述擠壓的壓力為OMPa?120MPa。
[0017]優(yōu)選地，所述金屬型鑄造的溫度為600?800°C。
[0018]與現(xiàn)有其他技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0019](I)與傳統(tǒng)焊接方法相比，避免了氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析等問題的出現(xiàn)；
[0020](2)與固固連接方法相比，受外形條件約束小，理論上可以實現(xiàn)任何形狀的銅和鋁之間的連接；
[0021](3)利用復(fù)合表面處理工藝很好的解決了表面氧化膜的問題，能夠在固態(tài)銅預(yù)置材料表面形成均勻連續(xù)的鋅層，使銅鋁間的連接強度達(dá)到較高水平。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0023]圖1為實施例1中拉伸強度實驗式樣示意圖；
[0024]其中，1、2是液態(tài)澆注金屬材料，3是固態(tài)金屬；
[0025]圖2為實施例1中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面區(qū)域金相圖；
[0026]其中，3是實施例1中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面；
[0027]圖3為實施例2中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面區(qū)域金相圖；
[0028]其中，4是實施例2中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面；
[0029]圖4為實施例3中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面區(qū)域金相圖；
[0030]其中，5是實施例3中T2紫銅和工業(yè)純鋁界面。

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0032]實施例1
[0033]本實施例涉及一種純銅和純鋁的連接方法，包括如下步驟:
[0034]步驟一、對待連接固態(tài)T2紫銅預(yù)置材料進(jìn)行熱噴涂鋅處理，鋅層厚度Iym;
[0035]步驟二、熔化待澆注工業(yè)純鋁并精煉；
[0036]步驟三、將步驟一所得經(jīng)過熱噴涂鋅處理后的固態(tài)紫銅預(yù)置在模具型腔內(nèi)；
[0037]步驟四、利用金屬型鑄造方法，在740°C下將純鋁澆注到模具型腔內(nèi)。使銅和鋁之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種金屬固液連接。
[0038]圖2為該條件下T2紫銅和純鋁界面區(qū)域金相圖，從圖中可以觀察到從圖中可以觀察到在結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷；兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸測試(具體見圖1，將處理后的固態(tài)銅質(zhì)材料3預(yù)置于模具腔內(nèi)，然后澆入液態(tài)鋁質(zhì)材料)，連接強度為20MPa。
[0039]實施例2
[0040]本實施例涉及一種純銅和純鋁的連接方法，包括如下步驟:
[0041]步驟一、對待連接固態(tài)T2紫銅預(yù)置材料進(jìn)行熱浸鍍鋅處理，鋅層厚度50 μ m ;
[0042]步驟二、熔化待澆注純鋁并精煉；
[0043]步驟三、將步驟一所得經(jīng)過熱浸鍍鋅處理后的固態(tài)紫銅預(yù)置在模具型腔內(nèi)；
[0044]步驟四、利用擠壓鑄造方法，在740°C下將純鋁澆注到模具型腔內(nèi)，擠壓壓力60MPa。使銅和鋁之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種固液連接。
[0045]圖3為該條件下T2紫銅和純鋁界面區(qū)域金相圖，從圖中可以觀察到在結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷；兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸測試，連接強度為26MPa。
[0046]實施例3
[0047]本實施例涉及一種純銅和純鋁的連接方法，包括如下步驟:
[0048]步驟一、對待連接固態(tài)T2紫銅預(yù)置材料進(jìn)行熱噴涂鋅處理，鋅層厚度20 μ m ;
[0049]步驟二、熔化待澆注純鋁并精煉；
[0050]步驟三、將步驟一所得經(jīng)過熱浸鍍鋅處理后的固態(tài)紫銅預(yù)置在模具型腔內(nèi)；
[0051]步驟四、利用擠壓鑄造方法，在700°C下將純鋁澆注到模具型腔內(nèi)，擠壓壓力120MPa。使銅和鋁之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種金屬固液連接。
[0052]圖4為該條件下T2紫銅和純鋁界面區(qū)域金相圖，從圖中可以觀察到在結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷。兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸測試，連接強度為28MPa。
[0053]實施例4
[0054]本實施例涉及一種銅鋁異種金屬固液相連方法，技術(shù)方案與實施例1相同，不同之處僅在于:
[0055]步驟一中，待連接固態(tài)銅預(yù)置材料為H96銅合金，鋅層厚度5 μ m ;
[0056]步驟四中，金屬型鑄造的溫度為800°C。
[0057]該條件下H96銅合金和純鋁在結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷；兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸測試，連接強度為25MPa。
[0058]實施例5
[0059]本實施例涉及一種銅鋁異種金屬固液相連方法，技術(shù)方案與實施例1相同，不同之處僅在于:
[0060]步驟二中，熔化待澆注ZL109鋁合金并精煉；
[0061]步驟四中，金屬型鑄造的溫度為600°C。
[0062]該條件下H96銅合金和純鋁在結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷；兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合。經(jīng)拉伸測試，連接強度為48MPa。
[0063]實施例6
[0064]本實施例涉及一種銅鋁異種金屬固液相連方法，技術(shù)方案與實施例3相同，不同之處僅在于:
[0065]步驟二中，熔化待澆注6101鋁合金并精煉；
[0066]步驟四中，利用擠壓鑄造方法，在700°C下進(jìn)行澆注，擠壓壓力為120MPa。
[0067]該條件下T2紫銅和6101鋁合金界面結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷。兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合；經(jīng)拉伸測試，連接強度為30MPa。
[0068]實施例7
[0069]本實施例涉及一種銅招異種金屬固液相連方法，技術(shù)方案與實施例3相同，不同之處僅在于:
[0070]步驟一中，鋅層厚度為30μπι ;
[0071]步驟四中，利用擠壓鑄造方法，在800°C下進(jìn)行澆注，擠壓壓力為30MPa。
[0072]該條件下T2紫銅和純鋁界面結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷。兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合；經(jīng)拉伸測試，連接強度為20MPa。
[0073]實施例8
[0074]本實施例涉及一種銅鋁異種金屬固液相連方法，技術(shù)方案與實施例3相同，不同之處僅在于:
[0075]步驟二中，熔化待澆注ZL109鋁合金并精煉；
[0076]步驟四中，利用擠壓鑄造方法，在600°C下進(jìn)行澆注，擠壓壓力為OMPa。
[0077]該條件下T2紫銅和ZL109鋁合金界面結(jié)合區(qū)域沒有出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂等缺陷。兩種材料之間形成冶金結(jié)合，界面區(qū)域有連續(xù)分布的金屬間氧化物，說明兩金屬間形成了冶金結(jié)合；經(jīng)拉伸測試，連接強度為45MPa。
[0078]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟一、對待連接的固態(tài)銅質(zhì)材料進(jìn)行表面鋅層保護處理，并將其預(yù)置于模具型腔內(nèi)； 步驟二、熔化待連接的鋁質(zhì)材料并精煉，得液態(tài)澆注鋁材料； 步驟三、將步驟二所得液態(tài)澆注鋁材料澆入模具型腔內(nèi)，采用不同的鑄造方法使銅質(zhì)材料和鋁質(zhì)材料之間形成冶金結(jié)合，即完成銅鋁異種金屬的固液連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，步驟一中，所述銅質(zhì)材料包括純銅或銅合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，步驟一中，所述表面鋅層保護處理的方法包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴涂或氣相沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異種鋁合金固液連接方法，其特征在于，所述表面鋅層保護處理的鋅層的厚度0.1?50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，步驟二中，所述鋁質(zhì)材料包括純鋁、鑄造鋁合金或變形鋁合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，步驟三中，所述鑄造包括砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、聞壓鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造或尚心鑄造。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，所述擠壓鑄造中澆注溫度為600?800°C，擠壓的壓力為O?120MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的銅鋁異種金屬的固液連接方法，其特征在于，所述金屬型鑄造中澆注溫度為600?800°C。
【文檔編號】B22D19/04GK104384480SQ201410472525
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】劉平, 王渠東, 劉騰 申請人:上海交通大學(xué)