CN104308360A - 一种石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，主要是在石墨与低碳钢、不锈钢待焊接触界面之间放置准晶钛铜金属箔，将其进行真空扩散，工艺参数为：加热过程的升温速率为3℃～10℃/min，在480℃和680℃各保温时间8min～10min；连接温度800~880℃、保温时间20~45min、连接压力10~30MPa、真空度为1.33×10-5~1.33×10-4Pa；降温过程：从连接温度至600℃降温速率5℃～8℃/min；600℃以下降温速率8℃～10℃/min。该发明可提高扩散焊接头的强度性能，具有工艺简洁、操作方便，便于推广应用等优点。

Description

一种石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法
技术领域
本发明涉及无机非金属材料与金属的连接，特别是石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接，属于焊接技术领域。
背景技术
石墨具有优异的耐腐蚀性、耐高温和较高的耐压强度等特点，广泛用于石油化工、电力、冶金等工业领域，如法兰、阀门、反应釜、发电机、电极、电刷等。在一些机械设备中，用石墨作耐磨和润滑材料，可以在-200～2000℃温度范围以100m/s的速度滑动，不用或少用润滑油。石墨还可用作核反应堆中子减速剂以及火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇航设备零部件、隔热材料、防辐射材料等。
石墨的化学成分是纯碳元素，原子序数为6，熔点为3727℃，晶体结构为六方晶体。石墨的主要特性是在高温中具有稳定而较高的强度，从室温到2500℃强度较稳定，还有增加的趋势。石墨还具有良好的导热性和导电性。
将石墨与低碳钢、不锈钢进行异种材料的连接，制成的复合结构件，可以充分发挥无机非金属材料与金属材料各自的性能优势、大大提高复合结构和设备的使用寿命。但是由于石墨的塑性较差、线膨胀系数小、抗热震性差，特别是与钢的热物理性能差异较大，所以石墨的焊接极为困难。石墨焊接中的突出问题是裂纹和氧化。石墨在加热及冷却过程中会产生很大的热应力，焊接时在接头区容易产生焊接裂纹，甚至导致焊接接头断裂，阻碍了石墨与低碳钢、不锈钢复合结构的推广应用。
目前，国内外有关石墨与碳钢的焊接主要采用钨极氩弧焊和钎焊。氩弧焊时采用与石墨的线膨胀系数接近的Fe-Ni-Ti合金作填充材料，焊接中需预热、保温、缓冷，工艺很复杂，接头质量也难以保证。钎焊时需严格限定钎料成分和钎焊工艺，接头强度性能低，应用范围受限。
准晶不同于传统晶态材料，也不同于非晶，它不具有平移对称性，却具有旋转对称性的新型结构材料，准晶属亚稳态，具有较低的密度和熔点、高比热容和低导热率等。目前，准晶主要用于表面改性材料和结构材料增强相，而将准晶箔片用于石墨与钢的扩散连接，还未见先例。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种添加准晶中间层的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接工艺，采用这项技术可获得界面结合良好的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散焊接头，满足石墨与低碳钢、不锈钢扩散焊接头在耐热、耐腐蚀场合中的使用要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在石墨和低碳钢、不锈钢的待连接面之间添加准晶钛铜金属箔中间层，通过严格控制工艺参数实现石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接。工艺步骤如下：
(1)焊前将石墨与低碳钢、不锈钢进行预处理：将石墨与低碳钢、不锈钢的待连接表面经过机械加工和(或)化学处理；
(2)将石墨和低碳钢、不锈钢待连接件中间放置准晶钛铜金属箔，并将工件叠放装配好，置于扩散焊设备的真空室中；
具体处理方法为：用耐热材料制备的上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求整个组合焊件与压头的接触表面平行；
(3)扩散连接工艺参数为：加热过程的升温速率为3℃～10℃/min，在480℃和680℃各设置一个保温平台，保温时间8min～10min；连接温度800～880℃、保温时间20～45min、连接压力10～30MPa、真空度为1.33×10-5～1.33×10-4Pa；缓慢降温，从连接温度至600℃降温速率5℃～8℃/min；600℃以下降温速率8℃～10℃/min；待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出被连接件。
上述整个扩散连接过程的工艺参数编程后输入计算机，由计算机程序自动控制。
本发明采用准晶钛铜金属箔作为活性中间层，金属箔厚度为10～110μm。钛铜金属箔的化学成分(以质量百分比计)为：Cu7.5％～9.5％，C0.06％～0.10％，Fe0.18％～0.25％，Si0.06～1.0％，余为Ti。所述准晶钛铜金属箔是通过离子注入和气相沉积途径制成的准晶中间合金，具有熔点低和瞬间界面铺展的特点，有利于促进石墨与低碳钢、不锈钢界面的扩散结合。
本发明的有益效果是：
本发明提出的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散焊工艺，采用添加以准晶钛铜金属箔为活性中间层的扩散焊工艺。这种方法比常规石墨与碳钢扩散焊技术降低连接温度120℃～200℃，具有工艺方便、节能效果显著，扩散连接接头性能稳定可靠等特点，便于推广应用。准晶相对于非晶是热力学较稳定的亚稳态，具有较低的密度和熔点。准晶钛铜金属箔中间层在扩散连接过程中会促使活性钛与石墨及钢中的碳元素在接触界面相互扩散，使之发生Ti与C的扩散反应并促进界面的扩散结合。
添加准晶钛铜金属箔中间层可以减小石墨、中间层与钢接触面之间的微观间隙，增大石墨与钢的接触面积。准晶中间层的活化温度范围低于石墨和碳钢的软化温度，促使在界面生成TiC等新的物相结构。由准晶钛铜金属箔在扩散连接温度析出的活性钛在石墨和低碳钢、不锈钢之间形成的扩散反应层，有利于保证石墨与钢形成良好的扩散结合，提高扩散焊接头的强度性能。
石墨与低碳钢、不锈钢常规扩散连接的加热温度为1000℃以上，只有低温共晶体渗透到石墨孔隙中，才能形成牢固的接头。采用本发明给出的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接工艺，比常规扩散焊技术降低连接温度120℃～200℃，节能节电和综合效果显著；获得的扩散连接接头的剪切强度达到240MPa，高于石墨与低碳钢、不锈钢钎焊所得接头的剪切强度(受钎料强度限制)。能够满足石墨与低碳钢、不锈钢扩散焊接头耐热、耐腐蚀性场合的使用要求。本发明具有工艺简洁、操作方便，便于推广应用等优点，尤其适用于石墨与低碳钢、不锈钢的连接。
附图说明
图1为实施例1中石墨与Q235低碳钢扩散焊接头的形貌图。
图2为实施例2中石墨与Cr18-Ni8不锈钢扩散焊接头的形貌图。
其中，1为实施例1工件中的石墨，2为Q235低碳钢，3为扩散界面，4为实施例2工件中的石墨，5为Cr18-Ni8不锈钢。
具体实施方式
实施例1：
长度为60mm、宽度为40mm、厚度为20mm的石墨与同等尺寸的Q235低碳钢的扩散连接，连接面为60mm×40mm接触面。采用厚度为30μm的准晶钛铜金属箔为中间层。工艺步骤为：
(1)将石墨待连接表面用酒精擦拭，以去除表面的油污和杂物；用浓度15％的盐酸溶液将Q235低碳钢待连接面的铁锈去除。
(2)用纯度大于99％的准晶钛铜金属箔作为活性中间层，准晶钛铜金属箔的化学成分(以质量百分比计)为：Cu8.5％，C0.06％，Fe0.20％，Si0.8％，余为Ti。
(3)将准晶钛铜金属箔夹放于高强石墨和低碳钢待连接面之间，工件叠放装配好，置于扩散焊设备的真空室中，并用上、下压头压紧；要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。
(4)加热过程设置两个保温平台，480℃前升温速率10℃/min，480℃～680℃升温速率8℃/min，680℃至连接温度升温速率5℃/min，平台保温时间8min。
(5)扩散连接工艺参数为：连接温度820℃、保温时间35min、连接压力15MPa、真空度为1.33×10-5Pa。
(6)缓慢降温，从连接温度至600℃降温速率6℃/min；600℃以下降温速率10℃/min。
(7)将整个扩散连接过程的工艺参数编程后输入计算机，由计算机程序自动控制。
(8)待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出工件。
经检测，石墨与Q235低碳钢扩散连接界面结合良好(见图1)，扩散连接接头剪切强度210MPa。高于石墨与低碳钢钎焊所得接头的剪切强度。能够满足石墨与低碳钢扩散焊接头耐热、耐腐蚀性场合的使用要求。
实施例2：
直径为50mm、厚度为30mm的圆片状石墨与同等尺寸的Cr18-Ni8不锈钢的扩散连接，连接面为直径50mm的圆形接触面。采用厚度为50μm的准晶钛铜金属箔为中间层。工艺步骤为：
(1)用机械加工方法将石墨和Cr18-Ni8不锈钢待连接面加工平整，Cr18-Ni8不锈钢用砂纸打磨至露出金属光泽。
(2)用纯度大于99％的准晶钛铜金属箔作为活性中间层，准晶钛铜金属箔的化学成分(以质量百分比计)为：C0.08％，Fe0.22％，Si0.8％，余为Ti。
(3)将圆片状准晶钛铜金属箔夹放于石墨和Cr18-Ni8不锈钢待连接面之间，圆片状工件叠放装配好，置于扩散焊设备的真空室中，并用上、下压头压紧；要求整个圆片状组合焊件与压头的接触表面平行。
(4)加热过程设置两个保温平台，500℃前升温速率10℃/min，480℃～700℃升温速率8℃/min，700℃至连接温度升温速率5℃/min，平台保温时间10min。
(5)扩散连接工艺参数为：连接温度860℃、保温时间25min、连接压力25MPa、真空度为1.33×10-5Pa。
(6)缓慢降温，从连接温度至600℃降温速率6℃/min；600℃以下降温速率8℃/min。
(7)将整个扩散连接过程的工艺参数编程后输入计算机，由计算机程序自动控制。
(8)待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出工件。
经检测，石墨与Cr18-Ni8不锈钢扩散连接界面结合良好(见图2)，扩散连接接头剪切强度230MPa。高于石墨与不锈钢钎焊所得接头的剪切强度。能够满足石墨与不锈钢扩散焊接头耐热、耐腐蚀性能的使用要求。

Claims (6)

1.一种石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）焊前将石墨与低碳钢、不锈钢进行预处理；
（2）将石墨和低碳钢、不锈钢待连接件中间放置准晶钛铜金属箔，并将工件叠放装配好，置于扩散焊设备的真空室中，进行真空扩散；
（3）扩散连接工艺参数为：
加热过程：升温速率为3℃～10℃/min，在480℃和680℃时各保温8min～10min；
连接温度800~880℃、保温时间20~45min、连接压力10~30MPa、真空度为1.33×10-5~1.33×10-4Pa；
降温过程：从连接温度至600℃降温速率5℃～8℃/min；600℃以下降温速率8℃～10℃/min；
待真空室温度缓慢冷却至100℃以下，可打开炉门取出被连接件。
2.根据权利要求1所述的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于，所述步骤（2）中，具体处理方法为：用上、下压头压紧待扩散连接的工件，要求整个组合焊件与压头的接触表面平行。
3.根据权利要求1所述的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于：所述步骤（2）中的准晶钛铜金属箔，其成分以质量百分比计为：Cu 7.5%~9.5%，C 0.06%~0.10%，Fe 0.18%~0.25%，Si 0.06~1.0%，余为Ti。
4.根据权利要求1所述的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于：所述准晶钛铜金属箔的厚度为10~110μm。
5.根据权利要求4所述的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于：所述准晶钛铜金属箔的优选厚度为30~50μm。
6.根据权利要求1所述的石墨与低碳钢、不锈钢的扩散连接方法，其特征在于：所述准晶钛铜金属箔通过离子注入和气相沉积途径制成。
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