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石墨与铜的钎焊机理及新型低温活性钎料的制备

谢凤春  
【摘要】:由于石墨具有优越的抗热震性、高熔点、高热导率和抗热疲劳性,因此石墨材料具有广阔的应用领域,如碳换向器不仅可以应用在所有的直流电机上,还可以在航空、航天、军工等领域中得到推广与应用。本文采用商用钎料和自己研制的新型钎料对石墨与铜进行钎焊,分析了钎料制备原理和界面反应机理。本文研究结果不仅填补了我国碳换向器生产的技术空白,且为碳基材料与异种金属的连接提供了技术储备。 本文选择Ag、Cu、Ti、Sn四种元素作为机械合金化(MA)制备钎料的主要成分。其中,Ag元素的添加方式为Ag单质粉末或者AgCu共晶粉。研究了球磨时间、球料比、元素添加方式等工艺参数对粉末形貌、粒度、合金化程度、钎料熔点的影响。建立了MA的工艺模型,提出了一种点蚀状剥落的局部模型。通过数学模型、动力学模型和热力学模型分析表明,球速越大,Pmax越大,粉末被破碎的程度大;颗粒越小粉末的稳定程度也越大,粉末的温升不足以使粉末融化。本文在机械合金化转速为260r/min,球磨时间为7h时,球磨后的粉末平均直径低于20μm。 采用非晶态TiZrNiCu钎料钎焊时,接头的界面结构为石墨/TiC/Ti-Cu、Cu-Zr、Ni-Ti系金属间化合物/Cu基固溶体/Cu,TiC是实现钎料与石墨冶金连接的主要因素。钎焊工艺参数对接头界面组织和性能产生一定的影响。当钎焊温度为1193K、保温时间为900s时,接头获得最佳抗剪强度26MPa;在1223K/900s和1173K/600s参数下获得接头的平均电阻为3.3 m?和3.2 m?,均满足使用要求。但是从电阻极差、相邻叶片电阻差、方差等因素分析,在1223K/900s试验条件下,接头电阻具有最高的稳定性。 石墨/AgCuTiSn/Cu钎焊接头的界面结构为石墨/TiC/Ti3Sn+Ag(s.s)+Cu-Sn化合物+Cu(s.s)/Cu(s.s)/Cu。随着钎焊工艺参数的增加,白色Ag(s.s)的尺寸和分布面积减少,钎料向Cu母材侧的晶间渗入增强,黑色的金属间化合物相明显长大。石墨侧发现了“须”状组织,其随着钎焊工艺参数的提高先增多、增长、增大,然后减少,直至消失,这种变化将对接头的力学性能带来一定的影响。结果表明:当钎焊温度为1093K,保温时间为900s时,接头获得最大的抗剪强度24MPa。另外,接头的断裂位置与钎焊工艺参数有关。在最佳的工艺参数下,断裂几乎全部发生在石墨母材处,接头的抗剪强度最高。采用AgCuTiSn钎料对石墨/Cu进行连接时,Sn元素熔化形成了液相通道,加速了其它元素的扩散、反应,使得钎料熔化,达到了降熔的作用;同时,为钎焊过程提供了活泼的Ti原子。采用AgCuTi和AgCuTiSn钎料对实际件进行焊接,并试车运行。结果表明,换向器工作状态稳定,该产品的使用寿命达到15000h以上,可以达到传统换向器使用寿命的5倍。 本文建立了石墨/TiZrNiCu/Cu接头界面反应层成长动力学方程,并分析了石墨/AgCuTiSn/Cu钎焊界面的反应机理。通过研究钎料与碳基材料的反应机理可知,Ti基钎料实现连接主要是利用Ti与C反应生成TiC;Cr基钎料实现连接主要是在界面反应层处产生一定厚度的CrmCn相反应层,其种类受到钎焊温度、保温时间和钎料中含有的其它元素来决定。


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