铜与不锈钢的真空钎焊

1、武汉理中学岐L学位论文 fM'rM矶M的f世陶 mr 叩请学位级别，硕I:专业：材料学描导教叶：陈先咏2003. 5. 1在航空航天、机械、化工、冶金等工业制造中，常可见到不锈钢与铜合 金之间所形成的复合零部件结构.这样的复合结构不仅能节省大:ft的有色金 属，而且能显著降低成本。焊接是各种金属结构的主要制造工艺之一。由于焊 接热过程和焊接冶金的特殊性，加上不锈钢与铜的导热系数、热膨胀系数等 存在较大的差异.往往使焊接结构的使用性能有所降低，甚至成为结构损坏 的直接或间接原因。因此对于这两种材料焊接工艺的改进是极为重要的课 题。基于钎焊的特点，尤其是141节中所述真空钎焊的优点，我们尝

2、试用 其空钎焊铜与不锈钢，以期得到有实用意义的、性能优良的钎焊接头。文中详细叙述了异种金属材料lCrl8Ni9Ti不锈钢与紫铜的真空钎焊方 法。根据理论分析和实际经验，进行了钎料的设计、接头设计和工艺参数设 定，并分析了影响这两种材料真空钎焊的送素，着重通过实验分析了钎焊装 配间隙对钎焊结果的影响。通过对接头的组织分析和性能测试，结果表明采 用本文推荐的工艺，真空钎焊这两种材料所能达到的性能指标，能满足散热 器中铜与不锈钢焊接的使用要求。本文共分五章，第一章为绪论，介绍了真空钎焊方法及其优缺点、铜与 不锈钢焊接性及焊接国内外现状。第二章介绍了真空钎焊接头的形成机理. 第三章给出了实验所用的设备

3、和采用的工艺路线，具体分析了各个工艺参数 对钎焊结果的影响及参数设计原则。第四章是实验结果和分析，分析了不同 工艺参数下得到不同结果的原因。第五章为结束语。关键词：铜、不锈钢、真空钎焊ABSTRACTSDuring the industrial manufacturing process of aviation mechanism, chemical engineering and metallurgy, complex construction made of stainless steel and copper alloy were always used Il can save many

4、 nonferrous metals and reduce the costs obviously as well. Welding is one of the main manufacturing techniques of metallic construction. But in some occasions, applied performance of welded construction are low; and even become direct and indirect reasons of construction destroy; because of the part

5、icularity of welding heat process and welding metallurgy, and the remarkable difference of heat conduction and heat expansion coefficients between stainless steel and copper. Therefore, improvement of welding techniques between stainless steel and copper has been an important topic. According to the

6、 characterization of brazing, especially the merits of vacuum brazing mentioned in section 1.4.1, these two welding techniques were both employed in this paper to obtain brazed joint with practical value and favorable performanceVacuum brazing of heterologous metallic materials-lCrl8Ni9Ti stainless

7、steel and pure copper was introduced in details. Design of solder and joints, and setting of technical parameters were developed according to theoretical analysis and practical experience. Factors affecting the vacuum brazing were analyzed. And the emphasis was laid on the analysis of the affect of

8、brazing assembled clearance on brazing results through the experiments. According to the construction analysis and property testing of the joints, results show that the performance of vacuum brazing in this paper car. meet the demand of welding between stainless steel and copper in radiators.5 chapt

9、ers were included in this paper. Vacuum brazing and its properties, weldability between stainless steel and copper, and recent research situation of wekiing technique were introduced in the 1* chapter The 2nd chapter included the formation mechanisms of vacuum joints. In the 3rd chapter; the equipme

10、nts and technical routes involved were described. The effects of each technical parameter on results of brazing and design rule of parameters were also involved in this chapter. Experimental results and analysis were included in the 4th chapter Reasons why different parameters lead to different resu

11、lts were also analyzed. The last chapter was conclusion parts.Key Words: Copper, Stainless Steel, cuum braze武汉理I人学硕士学位论文第1章绪论1.1引言真空钎焊是在真空气氛中不用施加任何钎剂而连接零件的一种先进的 工艺方法，可以钎焊那些用一般方法难以连接的材料和结构，而得到光洁致 密、具有优良力学性能和抗腐蚀性能的钎焊接头。目前这种工艺不仅在航 空、航天、原子能、电气仪表等尖端工业中成为必不可少的生产手段，而且 在石油、化工、汽车、家电等有关机械制造中得到了推广和普及。真空钎焊技术的发展

12、：最初的钎焊都是在普通大气条件下进行的，不采用任何保护措施，工件 材料在加热过程中，必然会遭受周围大气的侵入.发生氧化或污染，钎焊接 头质量得不到保证。为了防止氧化污染，去除工件表面的氧化膜和改善钎缝形成过程，使用 银基钎料或铜基钎料并配合使用硼酸和硼砂等化合物作为钎剂气使接头质 园:得到了极大的提高，钎焊工艺的应用范围也得到较大的扩展。随着现代科技与生产的迅猛发展和航空航天等尖端工业的兴起，新的铝 合金、钛合金和高温合金等待殊材料的不断涌现和便用，对钎焊技术提出了 越來越高的要求，仅只依靠钎剂提高钎焊质量已不可能满足要求。这时一种 不用焊剂而向钎焊区通入受控保护气体的炉中钎焊工艺出现了，气体

13、一般选 用氮气、氢气或惰性气体轨气，取得了很好的效果，解决了不少生产难题. 但是，这类工艺消耗气体多，经济效益差，对环境会造成污染，而且使用氢 气时，还可能会有爆炸危险，使这种工艺的推广受到了一定的限制。为了克 服这些不足，随着真空技术的发展，真空钎焊技术便应运而生.最早的真空钎焊使用热壁真空炉，炉室较小，容纳零件有限，使用温度 也受限制，冷却周期长，适应被钎焊材料的范围也较窄，加之用于高温、高 强部件的钎料为金基钎料或贵金属钎料，钎焊成本奇，致使真空钎焊技术在 这时期的应用仅限于少数尖端产品，得不到普遍的推广。武汉理I:人学硕士学位论文武汉理人学硕士学位论文1948年，美国WALLCOLON

14、OMONY公司首先研制出可用于高温部件 的、具有高强性的银基钎料AMS4775,使钎料的成本降低了 80%左右，对 真空钎焊技术的发展起到了极大的促进作用。1958年，美国IPSEN公司首先研制成功其空密封高速风扇电机惰性气 体循环真空炉，具有强制对流冷却机能.这种新型真空炉的使用，为真空钎 焊技术在各个工业领域内的广泛应用奠定了基础。.在我国，真空钎焊技术应用较晚，但自70年代后期开始，在研究、使 用和发展真空钎焊方面取得了很大的发展，相信在不远的将来，必将会使这 一先逬生产技术应用更为广泛。1.2铜与不锈钢的应用发展及其焊接性121铜与不锈钢的发展槪况铜是在远古时代就已被人类广泛使用的金属

15、【叫 而且至今仍是利用率很高的金属之一.特别是纯铜，由于它是电和热的良导体，被作为优良电气材 料而广泛应用。铜及铜合金对于大气、海水或者各种药品.食品等有良好的 耐腐蚀性能，被广泛应用在化学容器、酿造设备、食品加工装置以及船怕部 件等方面。铜合金比铜的传热导电性能差，但是强度高，因此可以用它作各 种构件材料。铜无磁性，具有很高的导电性、导热性和耐蚀性，塑性变形能力高，易 于热压或冷压成各种板材和型材，广泛用作导电器材、电缆，电器开关等电 气器材和冷凝器、散热器、热交换器等制品。但纯铜（即紫铜）强度不高， 为进一步提髙其强度，保持塑性，加入锌、铝、锡、银等固溶强化元素而分 别组成黄铜、青铜和白铜

16、。黄铜是铜与锌的合金，力学性能和耐蚀性能均高于紫铜，能很好地进行 压力加工，成本也较低，多用于各种结构部件。为了提高黄铜的耐蚀性能、 力学性能或者切削性能，在其中加入少量锡、铝、獄、硅等元素，即得到钮 黄铜、铝黄铜、错黄铜等多元黄铜。铜合金中主要加入元素不是锌而是锡、铝、硅、皴等元素时，通称青铜， 如锡青铜、铝青铜、或敏青铜等。青铜具有较高的耐磨性及良好的力学性能， 铸造性能和耐蚀性能也很好。常用于制造各种耐曆零件及与酸、碱、蒸气等 腐蚀介质接触的零件。以银为主要合金元素的铜基合金称为白铜，若再加入锁、铁、锌、铝等 元素，则分别称为猛白铜、铁白铜等。白铜按用途分为结构白铜和电工白铜。 结构白铜

17、的特点是具有高的力学性能和极高的抗蚀性并具有耐热和耐寒的 性能。常用以制造在髙温和强腐蚀介质中工作的零件。电工白铜具有特殊的 热电性质，即电阻率大，电阻温度系数小和热电动势大，在电工技术及仪器 仪表制造中获得广泛应用。不锈钢通常是指含裕fit在12%30%的铁基耐蚀合金。不锈钢的发明已有约九十年的历史。早在1913年英国的Brearly报道了 一种含锯12%-13%的铁基合金具有良好的耐蚀性，并称这类马氏体FeCr合 金为不锈钢。几乎在同一时期美国的C.Dantsizcn开发了含钻14%16%,含 碳0.07%4）5%的铁素体不锈钢。從国也用不锈钢来称呼Strauss和Maurer 共同开发的

18、奥氏体Fe-Cr-Ni合金，这种合金中含碳量小于1%,含辂 15%40%,含银量小于20%,法国在1917年根据Chevenard的工作研制了 含Cr、Ni的专用钢。1929.年.Strauss取得了低碳188不锈钢的专利权。为 了解决18-8钢的敏化态晶间腐蚀，1931年，德国的E.Houdreuot发明了含 Ti的18-8不锈钢（相当于现在的lCrl8Ni9Ti）o几乎与此同时，在法国的 Unieux实验室发现了当奥氏体不锈钢中含有铁素体时，钢的耐晶间腐蚀性能 会得到明显的改善，从而开发了 "a双相不锈钢"946年美国的R.Smithetel 研制了马氏体沉淀硬化型不锈

19、钢17-4PH；随后既具有高强度又可进行冷加 工成形的半奥氏体沉淀硬化不锈钢17-7PH和PH15-7MO等相继问世。至此, 不锈钢家族中的主要钢种.即马氏体不锈钢（包括沉淀硬化不锈钢）、铁素 体不锈钢、奥氏体不锈钢和奧氏体+挟素体双相不锈钢，便基本齐全了。在 相当长的一段时期内，大量的研究与开发主要集中于奧氏体不锈钢。后来由 于石油、化工、能源及原子能、宇航、海洋开发等尖端技术的迅速发展，对 不锈钢提出了更高的综合性能要求。不仅要求不锈钢具有良好的耐蚀性，还 要求其有高强度、耐髙温离压、防辐照和耐低温等性能，使不锈钢的品种类 型得到进一步的开拓。特别是从70年代以來，不锈钢的工业精炼技术普遍

20、 釆用AOD （氮氧脱碳法和VOD （真空氣脱碳）法,为新型钢种的开发提 供了工艺条件。广泛使用的含钛（觇）稳定化奥氏体不锈钢被超低碳奥氏 体不锈钢所取代高性能的铁素体不锈钢得到很大发展。不锈钢的使用范困 近十几年来向轻工和家庭生活方面迅速扩展【忆我国于1952年开始生产不锈钢，以奥氏体不锈钢!Crl8Ni9Ti为主。此 后三十年不锈钢的研制和生产有很大发展，纳入国家标准的钢号约五十种。 近十几年来不锈钢的发展更为迅速8 1987年不锈钢的产量比1980年提高了 2.6倍。为满足军工和化学等工业的需要，研制了多种特殊用途的奥氏体不 锈钢和双相不锈钢，使用效果良好。崗性能的铁素体不锈钢正在开发应

21、用。 随着AOD、VOD二次精炼装备的陆续建成，低碳和超低碳不锈钢得到了相 当的发展。今后在发展不锈钢生产的同时，应着力改善产品结构，提高产 品质氐并进一步加快实现由!Crl8Ni9Ti不锈钢向超低碳不锈钢的过渡。1.2.2铜与不锈钢的物理特性及焊接性奥氏体不锈钢的膨胀系数大，约是低碳钢的13倍.焊接加热使结构膨 胀，冷却时则会产生较大的收缩变形和拉应力，容易引起热裂纹，所以奥氏 体钢有较大的热裂纹敏感性。铁素体钢、马氏体钢和双相钢的膨胀系数与低 碳钢相近或略小，因此在焊接中，热裂纹不是主要问题。而各种不锈钢的导 热系数都比较小，使焊接区的热量不易向远离焊缝的金属传递，造成焊缝和 热影响区过热

22、，引起铁素体钢、马氏体钢和双相钢热影响区晶粒粗大和奥氏 体钢的热裂纹。本文实验中选用的是奥氏体不锈钢lCr!8Ni9Ti,其主要成分 见表1-1所示，焊接热裂纹是最主要的问题.表1-1不锈钢!Crl8Ni9Ti的主要化学成分（）CSiMnCrNiSPTi<0.12W1.0W2.0I719811W0.03W0.0355(C-0.02>0.8注：其余为陀!Crl8Ni9Ti不锈钢热膨胀系数较大（如表1-2所示）.熔化温度高.且 熔池流动性差【，成形较差，特别在全位置焊接时更突出.这种情况下钎焊的优越性就充分显示出来了。钎焊吋，不存在熔池流动性差的问材金属不熔化，只有钎料熔化，所以不存在

23、熔池。这样无论是在什么位詈施焊，都能得到成形较好的焊缝。表1-2铜与不锈钢的物理特性测材4s密度 (0cn?)熔化温度CC）热膨胀系数（M00C） 10*6导热系数W（m KJ1紫铜8.9410835.4339不锈钢&03139914544.416对铜来讲，直接影响到可焊性的是它的物理性质，如表12所示。同时, 氧、氢等气体成分对可焊性也有较显著的危害，因此在施焊前首先弄清铜及 铜合金的组成成分及特性是十分必要的。以下几方面因素足影响到其焊接性 的主要因素：1）导热性能良好，铜的导热性能是工业用金図中最好的,它的导热系数 为339w/m K。铜的导热性能比低碳钢高8倍，一般的熔化焊焊接

24、方法 为了防止热11从母材迅速失散掉，并可得到充分的熔深，必须用髙温进行预 热。真空钎焊不存在这样的问题，因为熔化焊一般是局部加热，而钎焊是整体加热。2）线膨胀系数大，铜的线膨胀系数约是低碳钢的1.5倍，在冷却凝固时, 山于它的收缩应力，容易产生裂纹。但实验中采用的是铜与奥氏体不锈钢钎 焊。奥氏体不锈钢的热膨胀系数与铜的热膨胀系数相差不太大刃，故焊接时 因应力而产生裂纹的敏感性会降低。3）熔化温度高，铜及铜合金的熔点约是900-1100对熔化焊来讲, 这确实是不利于焊接。但对钎焊來讲，只需要选择比铜的熔点低的钎料就可 以，不必达到母材铜的熔点，这大大降低了焊接温度.4）焊接处容易析出气泡和氧化

25、物，氢和氧在铜溶液中溶解度很高， 而在凝固时放出大量氢气，形成气孔。氧由于在Cu-Cu2O形成的共晶体中析 出，而使机械性能降低，如果存在氢，即成水蒸气（H2O并形成气孔。这 些气孔使品界产生许多裂纹，特别对于含氧最多的铜更要注意。5）晶粒容易粗化，一般铜及铜合金不发生固相间的变态，所以晶粒容 易粗大W这也是机械性能降低和产生裂纹的原因。故各焊缝应进行锤击， 使其再结晶，随着晶粒微细化则能减少残余应力。5武汉理I人学硕七学位论文6）黄铜焊接时梓会蒸发，故焊接处的锌含挺大大减少，而且挥发的锌 变成了氧化锌，容易翟盖在焊接处，给施焊作业造成因难。其空钎焊时，锌 的蒸发会造成真空度降低等不良后果。实

26、验中采用的是钎焊，各类铜及铜合金的钎焊焊接性好坏，主要由其表 面形成的氧化物的稳定性而决定。紫铜可能形成CuO和Cu2O两种氣化物。 室温下铜表面为CgO所覆孟，而高温下的氧化皮为两层，外层为CuO,内 层为C112O。对黄铜来说，当锌含量低于15%时，其氧化物由CU2O组成，其 中还有ZnO的微粒；当含锌重大于20%时，其氧化皮主要由ZnO组成锅 青铜表面生成两种氧化物，内层有SnO2,外层为铜的氧化物。硅青铜表面 有硅的氧化物生成，皱育铜表面生成稳定的BeO,在铝青铜表面上可能会生 成AL2O3,铜镣合金氧化皮内层有NiO。这些氧化物中GuO的稳定性最小, 最容易还原：其他氧化物的稳定性则

27、比较大一些。黄铜由于含锌量较高，而锌的蒸气压则较髙（907C时达105Pa）, 一般不推荐在真空下进行钎焊；如果由于结构特殊必须在真空下钎焊，则应先在 黄铜零件表面喷涂一层铜或电镀一层银：以防止锌的挥发.但应注意，用这 种工艺措施连接的构件强度较低，只能用于静载接头或电气元件。通常，紫铜和绝大多数青铜、白铜都能直接进行真空钎焊，获得优质的 接头。实验中采用的是紫铜。铜的导热率高，线膨胀系数大，为了防止铜部件的变形或软化，钎焊时应尽童选择低熔点的钎料，在尽可能低的温度下进行钎焊.我们知道，铁与铜的原子半径、晶格类型、常数及原子外层电子数目都 比较接近，这对原子之间的扩散非常有利【呵。另外，铜与铁

28、属于在液态时无 限互溶，在固态时是有限互溶的二元合金.这对铜与不锈钢钎焊来讲都是非 常有利于形成良好接头的因素。1.3铜与不锈钢焊接的意义及国内外现状焊接是各种金属结构的主要制造工艺之一。由于焊接热过程和焊接冶金 的特殊性，往往使焊接结构的使用性能有所降低，甚至成为结构损坏的直接 或间接原因。对不锈钢来说，因焊接区的裂纹、脆化、晶间腐蚀、刀状（线） 腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀等引起的结构损坏、报废的事例时有发生.因此对 于不锈钢焊接性的研究和提高、优良的焊接材料的选择和开发及焊接工艺的 改进等都是极为重要的课题。许多结构利用钢与铜或铜合金进行焊接，不仅能 节省大量的有色金属，而且能显著降低成本，因

29、此，合适的焊接工艺显得非常重 要。经试验发现，填充硅青铜焊丝，利用氮弧作为焊接热源，可使铜与不锈钢异 种材料产生良好的结合，即硅靑铜焊丝熔化时,与铜一侧进行熔化焊的同时，也 与不锈钢一侧进行氮弧钎焊W对硅青铜焊丝与不锈钢板的鉉弧钎焊焊缝的 结合机理进行了初步的分析，并认为到目前为止，该焊接方法是解决不锈钢与 铜或铜合金焊接的最有效的方法。但是，该方法不利于全位置焊接，尤其是 一些比较复杂和精细的结构。基于钎焊的特点，尤其是14节中所述真空 钎焊的以下优点，我们尝试用真空钎焊铜与不锈钢，以期得到有实用意义的、 性能优良的钎焊接头。1.4真空钎焊的优缺点1.4.1真空钎焊的优越性1. 在全部钎焊过

30、程中，被钎焊零件处于真空条件下，不会出现氧化、增碳、脱碳及污染变质等现辣。2. 钎焊时，零件整体受热均匀，热应力小，可将变形量控制到最小 程度，特别适宜于精密产品的钎焊。3基体金属和钎料周围存在的低圧，能够排除金属在钎焊温度下释放出来的挥发性气体和杂质，可使基体金属的性能得到改善。4. 因不用钎剂，所以不会出现气孔、夹杂等缺陷，可以省掉钎焊后 清洗残余钎剂的工序，节省时间，改善了劳动条件，对环境无污染。5. 可将零件热处理工序在钎焊工艺过程中同时完成，选择适当的钎 焊工艺参数，还可将钎焊安排为最终工序，而得到性能符合设计要求的 钎焊接头。6. 可一次钎焊多道邻近的軒缝，或可以根据炉子的容量，同

31、炉钎焊 多个组件，提高钎焊效率。可钎焊的基本金属种类多，特别适宜钎焊铝几铝合金、钛及钛合 #贰汉理I 人学硕士学位论文金、不锈钢、髙温合金等。也适宜于钛、钻、觇钳、钩、铉等同种或异 种金属的钎焊。对于复合材料、陶瓷、石墨、玻璃、金刚石等材料也适 用。&开阔了产品设计途径，对带有狭窄沟槽、极小过渡台、盲孔的部 件和封闭容器、形状复杂的零纽件均可采用，无需考虑由钎剂等引起的 腐蚀、淸洗、破坏等问题。142真空钎焊的缺点在真空条件下金属易于挥发，因此对含易挥发元素的基本金属和钎料不 宜使用真空钎焊。如确需使用，则应采用相应的复杂的工艺措施.真空軒焊对钎焊前零件表面粗糙度、装配质最、配合公差等

32、的影响比较 敏感，对工作环境和工人理论水平要求较高，应用受到一定的限制。其空设备复杂.一次性投资大，维修费用高。9武汉理工人学硕士学位论文第2章真空钎焊接头的形成机理真空钎焊时，为了获得优质的钎缝，关键的条件是使液态钎料能够充分 地流入并致密地填满全部钎焊间隙，并与母材基体金属很好地进行相互的物 理化学作用，形成新合金，在冷凝结晶后得到合乎要求的钎焊接头。在钎焊高温作用下，母材基体金属和钎料本身的表面都可能很快地生成 一层薄氧化膜，阻碍二者的直接接触与相互作用。为了实现钎焊过程，必须 彻底淸除并防止继续生成这种氧化薄膜.不同的钎焊方法采用不同的除氧化 膜和防止氧化措施。在一般钎焊方法中，主要是

33、通过钎剂的化学作用或介质 气体的还原作用去除氧化膜的.而真空钎焊时不使用钎剂和介质气体，去 除氧化膜的作用，是通过真空状态本身來实现的.因此，真空钎焊接头的形成，包含三个相互有关的过程。一是真空条件 下氧化膜的去除过程；二是钎料填满钎焊间隙的过程；三是钎料与母材基体 金就相互进行物理化学作用的过程.2.1真空钎焊时氧化膜的去除机理钎焊时金属表面的氧化膜形响液态钎料对基体金属的润湿性。钎焊时如 果不能有效地去除基体金属表面的氧化膜，就难以形成优质的钎焊接头。真 空钎焊虽然没有钎剂的化学作用和还原气氛的还原作用但是，真空可以降 低钎焊区的氧分压，去除焊件表面氧化膜，保护焊件不被氧化。这样在真空 气

34、氛中钎焊就能够获得高强度、光亮致密的接头。在真空钎焊过程中，不同 的母材基体金属具有不同的氧化膜去除机理'即使对同一类母材，在不同钎 焊温度下，去除氧化膜的过程也可能不同。总结前人的经验，应该说真空条 件下氧化膜的去除机理是下述各种作用相互促进与制约的结果，而不退其中 之一单独作用能够充分完成的。1. 氧化膜在高温、高真空中可自行分解真空状态降低了焊接区的氧分压，导致了氣化物的分解.根据物理化学 理论，任何氧化物的分解，将会使它的分解压增高，这只有当它周围气飙中#武汉理I人学硕士学位论文氧的实际分压低于氧化物的分解压时才有可能而真空状态的实现，正是造 成实际氧分压下降的有力措施。表2-

35、1某些金屈氧化物在7389时的分解压以1金属氧化物分解压（Pa）CuO480NiOIO*3MoOi10*7Fe2<)310*7金属氧化物分解压（Pa）SiO210dl10"MnO10"HO21(/22但是，由表21所列各种氧化物分解需要的真空条件可以看出，按照理 论计算，一般金属氧化物分解所需的真空度是极高的，而钎焊时实际采用的 其空度远远低于这些数值.因此，这一过程显然不是主要的去膜途径.不能 仅只依靠氧化物自行分解而去除.2金属元素和金属氧化物的挥发破坏了金属表面的氧化膜。很多元素 在真空中显著挥发的温度低与其在大气中的熔点绚.在钎焊温度作用下，一 些金属氧化物就

36、会挥发而去除。3. 表面氧化膜被母材金属中的合金元素还原而去除或者披母材溶解而 去除。例如，真空钎焊1 Crl8Ni9Nb不锈钢时，不锈钢表面的氧化膜可被碳 还原而去除川。真空钎焊钛及钛合金时，当温度高于200C时.钛的氧化膜 就强烈溶解于钛中而被去除。4. 有些金属氧化膜的热膨胀系数比基体金愿的热膨胀系数小得多，加 热时，基体金属急剧膨胀，使表面氧化膜开裂，液态钎料由开裂处流入氧化 膜层下，把氧化膜掲起并进一步挤碎【调。总之，真空不但能避免因使用钎剂防止氧化及去除氧化膜而带来的夹 渣、焊后清洗残渣.产品腐烛、污染环境等问题，而且能促成釆用中性气体 所没有的去膜过程的进行，得到更好的去膜效果，

37、消除其它气体介质钎焊时 在焊缝中形成气孔的可能性。因此，真空钎焊往往能比其他钎焊方法获得更 好的接头质量。屁汉理人学硕士学位论文2.2液态钎料对基体金属的润湿液态钎料润湿基体金属表面是形成钎焊接头的必要条件。衡量液态钎料 对基体金属润湿性的标准是润湿系数。它是液态钎料、固体金风和钎焊气氛 三者之间相互作用的结果.可通过公式计算，cos<9 = aw<(2-1)式中0-润湿角，如图21所示；COS&润湿系数；(代一固体金属与钎焊气氛之间的界面张力；巧a權一固体金属与液态钎料之间的界面张力；o藏气一液态钎料与钎焊气氛之间的界面张力。图2-1气-液固态界面张力示意图11武汉理I人

38、学硕士学位论文显然，在式（21）中润湿角&和润湿系数cos。的大小与各界面张力的数值 有关。&角大于还是小于90",须视气与瑞的大小而定。若兀心 则cos&>0,即0<&<90°,此时，我们认为液体能润湿固体：若<rHn<aHm, 则cos0vO,即90<&<180°,这种情况称为液体不润湿固体。这两种状态的 极限情况是：0=0°,称为完全润湿：0=180°,称为完全不润湿。因此，润 湿角是液体对固体润湿程度的量度。钎焊时，cos&值越大表示润湿性能越好,

39、 -般耍求cos0值不少于0.94 （即>20"）,提高cos0值的措施有：1. 提高”曲气 在一定的真空度下钎焊某种材料时，国忆是一个定值, 主要由基体金属的性质来决定但是，基体金属的表面情况对代的影响极 大.表面的油污、锈蚀会大大降低”制代值。因此，真空钎焊前清除零件表面 的油、锈等污物，提髙值。对于母材金属与钎料作用较弱的情况，粗糙 的表面能提高润湿效果，这是因为母材表面存在有方向性的微毛细槽，利于 液体钎料的铺展，能有效提高但是，如果母材金属与液态钎料作用较 强烈，表面粗糙度的特殊毛细作用不能衣现出来，因为这些细槽已迅速被液 态钎料溶解而不复存在。2. 减小“a液 在固

40、体金属和液态钎料界面上，如存在氧化膜，由于氧化 物的表面张力比金属本身低，液态钎料往往凝聚成球状，这样就会妨碍液态 钎料与基体金属的接触，削弱它们之间的附着力，使得液态钎料内部原子的 内聚力和界面附着力的比值发生变化，使固液増大，润湿系数减小，液态钎 料润湿性变差。因此，保证钎焊时炉内的真空度要求，有效地去除金属氧化 膜，可以提高钎料的润湿性。3降低0傀 在钎料中加入少蚩表面活性元素（Li. Si、B等）是降低 的有效途径。而且真空钎焊时，气相为压力极低的真空气氛，提高真空 度能有效地降低叫,改善钎料的润湿性。4.提髙钎焊温度 提高钎焊温度，使金属原子活动能力增强，既可降低 b酒气，又可以降低

41、<7図液，能提高钎料的润湿性。但是，温度太高，会发生钎 料流散现象，同时，钎料对母材金属的溶蚀加重，母材金属的晶粒长大。因 此，钎焊温度的选择，首先应考虑对基体金属性能的影响，不能单考虑润湿 性能。武汉理匸人学硕七学位论文2.3钎料的毛细流动作用钎焊时，对液态钎料的要求主要是填满钎缝的全部间隙，而不是沿固态 母材表面的自由铺展。一般情况下，钎焊间隙很小，如同毛细管一样，钎料 是依靠毛细作用在钎缝间隙内流动的。因此，钎料能否填满钎焊间隙，取决 于它在母材间隙中的毛细流动特性。液体在固体间隙中的毛细流动特性表现为如下的现彖：当把间隙很小的 两平行板插入液体中时，液体在平行板的间隙内会自动上升

42、到高于液面的一 定高度；但也可能会下降到低于液面，如图22所示。液面上升或者下降/V(J-1rrkfWW MB qtoIfq图2-2两平行板间钎料的毛细作用 高度可'由下式（22）确定：h _ 潦代cos & _ 2（7凶代°績）apgQPS式中o平行板的间隙（钎焊时即为钎缝间隙）；液态钎料的密度；g重力加速度;13武汉理I人学硕士学位论文(7渦气一网体金属与钎焊真空气筑Z间的界面张力；bw戒一固态金属与液态钎料Z间的界面张力；液态钎料与钎焊真空气氛之间的界面张力。当方为正值时，表示液体上升；力为负值时，表示液体下降。由此式可 以看出：当&v90o、cos(9

43、>o 时，/>>0,液体沿间隙上升；当9>90o、cos&<o时，则<0.液体沿间隙下降。因此，钎料填充间隙的好坏，取决于它对母 材的润湿性。另外，还可以看出：液体沿间隙上升的高度力与间隙大小Q成 反比，随着间隙的减小，液体上升的高度增大。因此，钎焊时为了使钎料能 填满间隙，必须在接头设计和装配时保证较小的间隙。%本论文的实验中，钎料是预先安放在钎焊间隙内的，润湿性和毛细作用仍具有重要意义。当润湿性良好时，钎料能填满间隙，并在軒缝四周形成 滑的钎角；若润湿性不好，钎缝填充不良，外部不能形成良好的钎角；在不 润湿的情况下，液态钎料甚至会流出间隙，聚集成

44、球状钎料珠。液态钎料在毛细作用下的流动速度v可用式(23)表示:式中一液态钎料的粘度；其它参数意义同式(2-2应当指出，上述规律長在液态钎料与固态母体金风之间没有互相反应的 条件下得到的，而在钎焊的过程中，液态钎料与母材金属之间总会发生互相 扩散等作用，致使液态钎料的成分.密度、粘度和熔点等发生变化，从而使 毛细填缝作用复杂化，不能一概认为间隙越小越好。而且间隙过小使装配操 作难以完成。武汉理匸人学硕七学位论文2.4液态钎料与基体金属间的相互作用液态钎料如果能够润湿基体金属，则在毛细作用下填满接头间隙，形成 钎焊接头。此时，能否形成优质的钎焊接头，还要根据液态钎料与基体金属 之间的作用来决定。

45、L钎料元素向母材基体金風的扩散钎焊时，当钎料中某合金元素组分的含量比母材中的含量高时.由于存 在浓度梯度，合金元素会向母材金属中扩散，即合金元素会从离浓度向低浓 度扩散。扩散童和扩散速度不仅与元素的浓度梯度有关，还与扩散面积和扩 散时间成正比。钎料中合金元素组分向母材金属的扩散电可按照扩散定律I 确定：(2-4)式中d.钎料合金元素组分的扩散母;D 散系数；S散面积；(If*字一在扩散方向上扩散组分的浓度梯度; dxdt扩散时间。一般扩散系数与晶体结构有关，而对同中类型的材料，影响最大的是温 度，随着温度的升高扩散系数增大。扩散系数方程：D=Doexp(-Q/RT)(2-5)式中D - 温度为

46、T时的扩散系数：Do 扩散常数，主要取决于晶体点阵类型；R气体常数,为& 31J/mol-K；Q扩敬激活能(J/mol)；'T 进行扩散时的绝对温度。扩散的结果，在靠近基体金屈的钎缝附近形成固溶体【2忙这是钎焊时希 望得到的钎焊接头组织。当钎料元素能与基体金属形成共晶体时，钎料组元会向基体金属的晶界 扩散。其扩散量随着元素在基体金属中溶解度的减小而增大。随着钎料元素 扩散量的增加，在基体晶界处形成低熔共晶体，这种渗入叫做晶间渗入。低 熔共晶体较脆，往往使钎焊接头的强度、塑性及其它性能变差，对接头性能 有不良影响2. 母材基体金属在液态钎料中的溶解如果母材基体金属和钎料在液态下足

47、互溶的，在钎焊过程中，一部分基 体金属有可能溶解于液态钎料中。只要溶解量在适当的范围内，对于接头性 能是有利的。例如，适当的母材表层溶解于钎料中，可以使母材金属以纯净 的表面与钎料直接接触，不仅有利于改善润湿性，而且母材中有些元素溶解 于钎料中，对钎料成分起合金化作用，可提高钎焊接头的强度。但溶解量不 适当时，易使钎料的熔点提高，从而产生焊不透等缺陷。甫时，母材金属溶 于钎料后，使液态钎料粘度増大，流动性变差，造成钎料的填缝性能大大变 差基体金属如过多地溶解到钎料中，则在基体金属上就会出现凹陷，甚至 溶穿的现彖。这种缺陷叫做溶蚀，必须避免。影响基体金属在钎料中溶解的 因素有：（1）钎焊温度温度

48、对原子的扩散有十分篡要的影响，随着钎焊温度的升高，原子的 扩散系数增大，一般基体金属向液态钎料的溶解蜃也增大。（2）钎焊保温时间钎焊保温时间越长，基体金厲的溶解童就越多。延长保温时间会使钎料 充分地扩散至基体内.当溶解度达到饱和后，基体金属即在钎料中溶解。（3）与合金状态图有关钎料与基体金属之间的熔合量，大多数取决于由相图所给定的相互溶解 度。钎料的粘度和钎焊的温度则是次耍因索。如果溶解度是有限的，就可见 到毛细现象在开始时只有轻微的浸蚀，直至使钎料达到饱和.如果相互溶解 度非常大，就会出现猛烈的浸蚀。因此，最好选择一种有限的溶解度。基体 金属在钎料中的溶解量髓着钎料在基体金属中的溶解度的减小

49、而增大。3. 钎缝组织（1）在合金状态图上，如果基体金属能与钎料形成固溶体，或者基体 金属与钎料合金得基体元素相同，则可得到固溶体组织的钎焊缝.这些钎焊 接头塑性好，强度高，是理想的钎焊接头组织.17武汉理人学硕士学位论文 - (2)金爛间化合物组织金属间化合物一般硬而脆，会降低接头的塑性和强度特别是当化合物 形成连续层时，影响更大.因此，应尽员避免钎缝中出现金属间化合物。如 果接头间隙很小，硼、硅等化合物形成元素就容易扩散到基体金属中，但由 于结晶时间较短，就会减少或避免金屈间化合物的形成。当间隙一定时，提 高钎焊温度或延长钎焊保温时间，增加硼、硅等元素的扩散量，也可减少或 避免形成金属间化

50、合物。当使用单元素钎料钎焊单一金属时，也会产生金属间化合物，这是由于 基体金属溶于钎料金属之中而形成化合物。因此，应降低钎焊温度或缩短钎 焊保温时间，以减少基体金属的溶解量，从而避免金属间化合物的形成。4. 真空钎焊中冶金损伤机理 -氧化物、氮化物和氢化物的释气和分解，会引起钎焊缺陷利损伤。忽略 热膨胀系数的差异，同样是引起损伤的一种机理。然而，几乎所有的钎焊合 金都易产生“热脆性” 一这是钎焊损伤最普通的冶金原因。“热脆性”的条件，是由于钎料在液相线和固相线之间缓慢冷却，从外 表看出现了一种极粗劣的混合状态的单相合金机。虽然，单相合金通常是一 种极良好的混合材料，但是在该温度范围内，若缓慢冷

51、却，从钎焊开始到结 束，由于固相析出而导致分离。在各晶粒的中心，髙熔点的组分浓度较高， 使这种分离非常严重。而晶粒边界，则由百分比较高的低熔点组分组成，因 而比较薄弱。除了这种组成和从晶核到末端的强度梯度以外，由于冷却而首 先形成晶核。此后，随着冷却和收缩而成为坚固的材料，而在晶粒周围的晶 界处形成了较脆弱的热材料.这种晶粒收缩的最后结果，就是晶界处应力较 高一为了.使晶界维持不至破裂，应力往往非常高。把热脆性问题降到最低程度的一般方法，就是从该部件的任何变形开始 确定最小的钎焊温度，尽可能采用最快的冷却速度快速冷却在真空钎焊操 作中，虽然是非常困难的，但用强制循环的回充气体，将有助于在真空钎

52、焊 中获得较高的冷却速率。正如任何清洗或部分真空钎焊系统的情况一样，这 种气体应当是高纯和干燥的，甚至也可以是高度还原性的氢气：并且氮或氮 都是合用的(对许多操作，甚至干燥的氮也可以胜任)。武汉理I 人学硕士学位论文第3章试验条件及工艺方案3.1试样制备真空钎焊前对工件的淸理是十分必要的，通常包含除氧化膜和除油两道 工序。铜的氧化膜比较容易去除，其空钎焊前不需要特殊处理，只要认真实 施除油工序即可。对不锈钢，-熾亦不需要进行特殊的清洗，在实验中， 先用粗砂纸后用细砂纸进行打磨，最后认真实施除油工序。真空钎焊工艺对零件表面的除油要求十分严格，即使光洁的表面，如果 存在油污进行真空钎焊时，这些油污

53、经过加热后残留在金属表面，会起阻钎 剂的作用，破坏液态钎料对母材的润湿铺展和良好的钎缝成形。单件或小批生产时，除油方法可釆用汽油或丙酮等有机溶剂擦洗法。批 量生产或需多次除油的场合中.一般釆用在三氯乙烯燕气中除油，即把要除 油的工件置于三氯乙烯蒸气中，借蒸气与冷的工件接触时凝聚成的液体溶解 工件上的油污。本实验中，严格实施了除油工序，除油方法如下：实验中直接使用有机溶剂擦洗除油，先将不锈钢和铜放在丙酮内浸渍， 并用毛刷刷洗。然后用酒精进行彻底除油及清洗。表31列出了实验材料的尺寸，每次焊接时采用的试样尺寸是相同的。表31实验材料尺寸寸材料长度(mm)宽度(mm)厚度(mm)不锈钢70182紫铜

54、521843.2实验设备本实验采用RJZS2416真空炉，其主要参数见表32。表3-2 RJZS2416真空炉技术指标卩"主要技术指标单位指标主要技术指标单位指标额定功率Kw24极限真空度PaSxlff4额定温度r1600工作真空度Pa(2)x1 O'2额度定装炉凰Kg20抽真空时间.min30（不含扩散泵加 热）空炉升温时间Im:Ml压升率Pa/hr6.5x10“炉温均匀性9±5巫量T2额定电压V380工作室尺寸mm 200X300控温精度P±1外型尺寸m2X1.2X2.4冷却水消耗量T1.8占地面积m26RJZS-24-I6型真空烧结炉属内热式高温真空

55、电阻炉，主要由加热炉 体、真空系统、充气系统、水冷系统和电控系统等几部分所组成。1. 加热炉炉体加热炉炉体外型为圆筒双壁水冷型立式单室结构，如图31所示，包括 有；炉身、炉底、炉盖、炉盖提升机构、炉胆、电热元件、电热元件引出棒 和测温装置等。炉身为圆筒双壁结构，内层、外层均由不锈钢连续焊接而成, 并与双层炉底焊接成一体，共用一个进水口，炉盖为双层带密封槽结构，炉 盖提升机构为手动链轮机构，由于该炉工作温度高达16009,因此，炉胆是 炉体的一个很关键的部件，故采用多层钳和不锈钢薄板组成隔热屏式的结 构，电热元件釆用纯钥丝，绕制在高温陶瓷管上，根据钮材料的电阻特性， 为保证炉子的输入功率，将18

56、根电热元件串联、并联成三组元件，采用三 19武汉理人学硕七学位论文相供电方式.电热元件引出样，即：铜电极采用水冷式结构，通过炉底 引出炉外，测温装置通过高温热电偶（双钳链）与智能仪表相连接，通过仪 我进行测控炉温。I. 炉盖启闭机构2炉盖3、炉身 4.炉底5.炉体支撑图31真空炉炉体2. 真空系统真空系统抽测真空之功能，由真空机组和真空仪表组成，包括有：复合 真空计、热偶规管、电离规管、机械泵、油扩散泵、三通阀、电磁阀、髙真 空蝶阀、储气筒等元器件。3. 充气系统充气系统提供保护气氛的功能，由充气阀、储气罐、压力表及管道等组 成。4. 水冷系统水冷系统用于炉身、炉盖、炉底、电极、油扩散泵等部位

57、的冷却，包括 出水、进水两部分，由管子和阀采用并联、串联方式组成。5. 电控系统电控系统由主电路、SWP智能温度控制仪、功率控制电路、输出变压器21武汉理匚人学硕十学位论文等部份组成。详见图32所示。由专用仪表电源给智能仪表420MA的电 流信号，温控仪表将根据设定的控制参数输出。图32测控系统框图该测控系统主电路提供给智能温度控制仪、功率控制电路、真空机组、 复合真空计所需电压，380伏或220伏。智能温度控制仪是由信号输入与适配传感器模块，数字线性化模块，冷 端温度自动补偿模块，比例、积分、微分数字算法模块及输出控制模块等构 成：信号输入与信号相配，可以设定多种模块，在本系统中采用热电偶信号 输入，根据不同的热电偶分度可以设定不同的分度值；本系采用双钳佬材料 的热电偶，分度值为B型，数字线性化和冷端温度补偿是根据其特性设定的;比例、积分、微分算法模块是根