? ? 解慶，李京龍，張賦升，熊江濤

????（西北工業(yè)大學(xué)摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072）

?摘要：采用電鍍工藝，在純銅基體表面制備出約2．74μm的單質(zhì)Au鍍層，在950℃，1MPa壓力下實(shí)現(xiàn)了銅與不銹鋼的真空擴(kuò)散接合，并與銅－鋼直接連接接頭進(jìn)行界面顯微結(jié)構(gòu)對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：在直接連接800℃時結(jié)合界面鋼側(cè)存在明顯的元素沿晶界擴(kuò)散現(xiàn)象，接頭抗剪強(qiáng)度158MPa，約為銅母材強(qiáng)度的86％；添加單質(zhì)Au鍍層中間層時，有效改善了銅與不銹鋼連接，鋼側(cè)存在合金液相沿晶界潤濕、滲透現(xiàn)象，且在銅側(cè)生成寬約60μm白亮色互擴(kuò)散區(qū)，EDS分析表明，其由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu（Au）固溶體兩部分組成，寬度均約30μm，接頭強(qiáng)度與銅母材等強(qiáng)，優(yōu)于直接連接。

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關(guān)鍵詞：真空擴(kuò)散連接；單質(zhì)Au鍍層中間層；晶間滲透；銅－鋼復(fù)合構(gòu)件

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中圖分類號：TG453.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

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文章編號：1002－025X(2011)05-0013-04

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概述

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冷卻系統(tǒng)、動力裝置、熱核反應(yīng)堆第一主墻等工業(yè)裝置中的銅－鋼復(fù)合構(gòu)件充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)勢互補(bǔ)，其中利用鋼的強(qiáng)韌性及耐蝕性作為支承結(jié)構(gòu)件，而銅及銅合金的優(yōu)良導(dǎo)熱性或高阻尼性作為熱沉元件或減振降噪部件。上世紀(jì)90年代至今，獲取銅－鋼接頭的方法主要包括：熱等靜壓法、高能束焊、釬焊/擴(kuò)散焊等，前兩者廣泛應(yīng)用于大型復(fù)合板件的成形，后者適合于復(fù)雜形狀或截面銅－鋼構(gòu)件的精密接合。

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大量研究是解決銅合金與不銹鋼的擴(kuò)散連接問題，直接擴(kuò)散連接接頭強(qiáng)度僅為母材強(qiáng)度的1/3；Nishi，Muto，Araki等人嘗試用Au基釬料對氧化鋁彌散強(qiáng)化銅合金和316不銹鋼進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用BAu－2釬料，釬焊間隙0．2mm，釬焊300s時獲得的接頭強(qiáng)度最優(yōu)，等同于銅合金母材，但由于銅合金側(cè)發(fā)生重熔使得釬縫區(qū)出現(xiàn)大量氣孔，從而接頭強(qiáng)度一致性較差；此后，Nishi等人通過添加不同箔材中間層實(shí)現(xiàn)了銅合金與不銹鋼的真空擴(kuò)散連接，指出850℃，9．8MPa下添加20μm厚的Au箔后接頭綜合力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)度與銅合金母材的相近?；谏鲜鲅芯砍晒疚闹靥接懥酥苯訑U(kuò)散連接和添加單質(zhì)Au鍍層中間層2種條件下獲得的純銅－不銹鋼真空擴(kuò)散連接界面的結(jié)合質(zhì)量，從而為精密的銅－鋼異種接頭的獲得提供了基礎(chǔ)理論指導(dǎo)。

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1·試驗(yàn)材料及方法

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1．1 試驗(yàn)材料

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本試驗(yàn)采用搭接接頭，待焊母材工業(yè)純銅T2和不銹鋼0Cr17Ni12Mo2（AISI 316）的試塊規(guī)格均為40mm×40mm×6mm，搭接長度10mm。試驗(yàn)用材料不銹鋼的化學(xué)成分見表1。

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?1．2 試驗(yàn)方法

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焊前用360＃，800＃，1500＃砂紙逐次打磨待焊面以去除氧化膜，同時保證平整度，丙酮脫脂后，超聲波清洗5~10min，冷風(fēng)吹干。然后，將待焊面迭合置于真空擴(kuò)散爐內(nèi)進(jìn)行焊接，焊后隨爐冷卻。擴(kuò)散連接設(shè)備采用輻射加熱式真空擴(kuò)散焊機(jī)（FJK－2，西北工業(yè)大學(xué)）。

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采用變化連接溫度的直接連接和添加單質(zhì)Au鍍層（銅母材待焊面電鍍厚約2．74μm的Au箔）2種不同的工藝試驗(yàn)，初步探討銅－鋼異種金屬擴(kuò)散連接結(jié)合界面形貌及其與接頭力學(xué)性能之間的關(guān)系。相對于連接壓力和保溫時間，連接溫度對接頭強(qiáng)度的影響更為顯著，它通過影響被焊材料的屈服強(qiáng)度和原子的擴(kuò)散行為，從而影響接頭的焊合率、變形率以及接頭中成分及組織的均勻性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式連接溫度Tb≈（0．6~0．8）Tm（Tm為銅母材熔點(diǎn)，K）及銅－不銹鋼擴(kuò)散焊接接頭抗剪強(qiáng)度與連接溫度的關(guān)系，即溫度高于850℃后，接頭的抗剪強(qiáng)度增幅緩慢，選擇在700，750，800，850℃下分別進(jìn)行直接擴(kuò)散連接，連接壓力10MPa，保溫1h。根據(jù)Fe－Cu二元相圖，F(xiàn)e與Cu并不生成脆性金屬間化合物，但兩者固態(tài)下互溶度很小，直接連接時接頭中反應(yīng)生成物數(shù)量甚少；另外，兩者的熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)有較大差別，見表2，直接連接時熱應(yīng)力較大，從而接頭力學(xué)性能較差。與單質(zhì)Cu箔、Ni箔相比，添加Au箔后，銅－鋼接頭綜合力學(xué)性能優(yōu)異，同時侯金保等人指出，添加鍍膜中間層時，接頭強(qiáng)度提高更為顯著。為此，本文立于工業(yè)化應(yīng)用的角度，采用添加單質(zhì)Au鍍層中間層的方式對工業(yè)純銅與不銹鋼進(jìn)行真空擴(kuò)散連接試驗(yàn)，擴(kuò)散連接示意圖如圖1所示。

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添加Au鍍層中間層的連接溫度選為950℃，此時焊接由固相擴(kuò)散焊轉(zhuǎn)為液相擴(kuò)散焊，由Au－Cu相圖可知，此時界面有可能出現(xiàn)Au－Cu合金液相，為了避免液相溢出和母材晶粒過分長大，連接壓力和保溫時間分別取為1MPa和0．5h。試件出爐后，切取1/4制備金相試樣，采用金相顯微鏡（OlympusPMG3）和SEM（JED－2200）進(jìn)行界面微觀形貌和組織分析；為了準(zhǔn)確測試接頭強(qiáng)度，冷加工搭接長度至4mm制成非標(biāo)準(zhǔn)剪切試樣，采用萬能試驗(yàn)機(jī)對接頭的拉剪性能進(jìn)行測試。

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2·試驗(yàn)結(jié)果與討論

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2．1 直接擴(kuò)散連接

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圖2為較高溫度下銅－不銹鋼直接擴(kuò)散連接接頭形貌。較低連接溫度下，結(jié)合界面整體平直，溫度升至800℃時，界面鋼側(cè)出現(xiàn)微細(xì)且均勻的被挖掘的奧氏體晶粒，平均直徑≤1μm。這是由于晶界處原子偏離平衡位置，具有較高的能量，且晶界處存在較多的金屬學(xué)缺陷，如空穴、雜質(zhì)原子和位錯等，晶格畸變嚴(yán)重，這些都為原子提供了短程擴(kuò)散通道，故低溫時晶界擴(kuò)散占主導(dǎo)，原子沿晶界的擴(kuò)散速率比晶內(nèi)快得多，同時由于先對銅進(jìn)行腐蝕，從而在不銹鋼側(cè)出現(xiàn)Cu沿不銹鋼晶界擴(kuò)散，使得奧氏體晶粒凸現(xiàn)的現(xiàn)象。850℃時，不銹鋼側(cè)有晶粒被挖掘的趨勢（圖2b）。這是由于升高溫度晶格擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散同時發(fā)揮作用，當(dāng)界面遷移速率等于原子的晶界擴(kuò)散速率時，奧氏體晶粒被挖掘的現(xiàn)象逐漸消失。根據(jù)Cu－Fe二元相圖，Cu與Fe有限固溶，直接連接時擴(kuò)散反應(yīng)層非常薄，光鏡下幾乎看不到。值得注意的是，銅母材側(cè)晶粒明顯長大，并伴有相當(dāng)數(shù)量的孿晶，這是由于銅為面心立方晶系，退火后易產(chǎn)生孿晶，而粗大的銅晶?？赡軐?dǎo)致接頭強(qiáng)度、塑性及疲勞強(qiáng)度的降低此時接頭的抗剪強(qiáng)度為158MPa，約為銅強(qiáng)度的86%。

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2．2 添加單質(zhì)Au鍍層擴(kuò)散連接

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圖3為添加單質(zhì)Au鍍層時擴(kuò)散連接接頭形貌。由圖可知，950℃下銅－不銹鋼接頭中的顯性或隱性界面處均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷。結(jié)合界面處銅母材側(cè)形成了寬60μm左右的白亮色互擴(kuò)散區(qū)，結(jié)合線掃描（圖3b）及點(diǎn)掃描分析結(jié)果，該區(qū)域由兩部分組成，即固溶一定Cu的Au3Cu相（寬約30μm）和Cu（Au）固溶體（寬約30μm）。同時，由于Au在Fe中的固溶度極小，Au在Cu中的擴(kuò)散距離明顯大于Au在Fe中的。另外，在顯性界面處，不銹鋼側(cè)存在微細(xì)的液相沿晶界進(jìn)行潤濕滲透的現(xiàn)象，如圖4所示。點(diǎn)掃描分析結(jié)果表明其成分組成為：w（Cu）33.04%，w（Fe）24.32%，w（Au）33.67%，w（Cr）5.83%和w（Ni）3.14%，分析認(rèn)為Au－Cu合金液相形成后，優(yōu)先沿奧氏體晶界進(jìn)行潤濕、滲透，同時高熔點(diǎn)元素Fe，Cr，Ni進(jìn)入液相，從而發(fā)生等溫凝固，最終形成冶金結(jié)合。

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宏觀斷口分析表明，不銹鋼基體上粘有厚約為2mm的呈半球形的銅母材，斷裂明顯發(fā)生于純銅的本體部位，并伴有較為顯著的塑性變形，這表明接頭結(jié)合良好，強(qiáng)度等同于銅母材。Au鍍層可以降低銅母材表面硬度增加接觸面積，加速金屬鍵的形成和強(qiáng)化擴(kuò)散過程，同時Au可以與Fe，Cr，Ni，Cu形成固溶體，通過固溶強(qiáng)化來提高接頭的強(qiáng)度。在不生成脆性相的條件下，接頭強(qiáng)度隨擴(kuò)散反應(yīng)層厚度的增加而增大，與直接連接相比，此時界面元素互擴(kuò)散更為顯著，結(jié)合良好，接頭強(qiáng)度為184MPa，高于直接連接。

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3·結(jié)論

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（1）銅與不銹鋼進(jìn)行低溫直接連接時，界面整體較為平直；隨著溫度的升高，800℃時原子沿晶界擴(kuò)散為主，不銹鋼側(cè)晶粒凸顯。

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（2）添加單質(zhì)Au鍍層進(jìn)行擴(kuò)散連接時，顯性界面處銅側(cè)形成白亮色Au－Cu互擴(kuò)散區(qū)，寬度約為60μm，由固溶一定量Cu的Au3Cu相和Cu（Au）基固溶體組成。

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（3）添加單質(zhì)Au鍍層中間層時，Au－Cu液相優(yōu)先沿不銹鋼晶界潤濕、滲透，同時高熔點(diǎn)Fe，Cr，Ni元素擴(kuò)散進(jìn)入，最終等溫凝固形成冶金結(jié)合。

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（4）添加單質(zhì)Au鍍層后，接頭強(qiáng)度較直接擴(kuò)散連接接頭的強(qiáng)度高約30MPa。