CN107378163A - 一种石墨/Cu合金接头及其制备方法 - Google Patents

一种石墨/Cu合金接头及其制备方法 Download PDF

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彭良荥
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Abstract

本发明公开了一种石墨/Cu合金接头及其制备方法。所述石墨/Cu合金接头的连接层具有“三明治”式复合结构，包括：与石墨相连接的Cu‑TiH2‑Ni层、与Cu合金相连的Ag‑Cu层、位于Cu‑TiH2‑Ni层和Ag‑Cu层之间的Cu层。所述石墨/Cu合金接头的制备方法包括下述步骤：1)将Cu、TiH2以及Ni三种粉体混合均匀，加入酒精研磨，得Cu‑TiH2‑Ni混合粉末焊料；2)取适量Cu‑TiH2‑Ni混合粉末焊料，滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料；3)将膏状焊料均匀地涂在石墨表面，依次放上Cu箔和Ag‑Cu箔，最后放上Cu合金，并将整体放入模具中，钎焊，得所述接头。本发明制得的石墨/Cu接头界面结合良好、连接强度较高，解决了铜在石墨表面的润湿性差以及由于石墨和铜合金的热膨胀系数差异较大导致的残余热应力等问题。

Description

一种石墨/Cu合金接头及其制备方法
技术领域
本发明属于异种材料的连接技术领域，涉及一种石墨/Cu合金接头及其制备方法。
背景技术
近年来，我国为改革能源结构，控制汽车排放污染，推行使用车用乙醇汽油。然而，乙醇汽油会加速汽车换向器中与电刷接触的铜面的腐蚀，使得燃油泵使用寿命下降。因此，汽车工业急需开发适合用于乙醇汽油中的换向器。碳材料有化学性能稳定、自润滑系数高、摩擦阻力小、高温下强度大以及不易发生电火花现象等优点，用于换向器中与电刷接触的部位能够有效减缓摩擦损耗以及腐蚀。但是，碳的脆性大，不易进行焊接，并且无法弯曲，导致碳与电枢绕线不能直接进行挂接，需要以铜为中间介质来实现。因此，碳材料/铜合金的连接对汽车碳换向器的研发及生产具有重大的意义。
钎焊由于工艺简单、工件变形小、重复性好以及可靠性高等优点被认为是有效的连接碳材料与铜合金的方法。然而石墨与铜合金的连接存在两个主要问题，即铜在石墨表面的润湿性差以及由于石墨和铜合金的热膨胀系数差异较大导致的残余热应力问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种石墨/Cu合金接头及其制备方法。所述石墨/Cu合金接头的连接层结合界面良好，其制备方法不仅改善了铜合金在石墨表面润湿性差的问题，还缓解了石墨和铜合金之间因热膨胀系数差异大导致的残余热应力，且制备工艺简单。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种石墨/Cu合金接头，其特征在于，所述石墨/Cu合金接头的连接层具有“三明治”式复合结构，包括：与石墨相连接的Cu-TiH2-Ni层、与Cu合金相连的Ag-Cu层、位于Cu-TiH2-Ni层和Ag-Cu层之间的Cu层。所述具有“三明治”式复合结构连接层的石墨/Cu合金接头的结构示意图如图1所示。
按上述方案，优选地，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
本发明还提供了上述石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)将Cu、TiH2以及Ni三种粉体混合均匀，加入酒精研磨，直至酒精完全挥发，得到Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料；
2)取适量步骤1)制得的Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料，向其中滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料；
3)将步骤2)制得的膏状焊料均匀地涂覆在石墨表面上，再依次放上Cu箔和Ag-Cu箔，最后放上Cu合金，并将整体放入模具中，钎焊，得到石墨/Cu合金接头。
按上述方案，优选地，步骤1)中所述Cu、TiH2和Ni粉体的质量比为(60-75):(20-30):(8-10)。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述Ag-Cu箔中Ag和Cu的质量比为78：22。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述Cu箔和Ag-Cu箔的厚度均为100μm。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述石墨和Cu合金的待连接端面、以及Cu箔和Ag-Cu箔均经过打磨处理和超声清洗处理。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述模具为石墨模具。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述钎焊的压力为8-12kPa。
按上述方案，优选地，步骤3)中所述钎焊的温度为880-920℃，保持该温度的时间为8-12min。
本发明的基本原理如下：
本发明在Cu-TiH2-Ni焊料的基础上添加Cu箔与Ag-Cu箔，主要是基于下述几点考虑：
首先，采用Cu-TiH2-Ni焊料是因为：1)相比较于其他金属材料而言，Cu比较经济实惠，采用Cu基钎料一定程度上可以降低生产成本；2)Ni具有较好的抗腐蚀性能以及较高的蠕变强度，并且Cu和Ni可以无限互溶，因而在钎料中添加适量的Ni；3)Ti具有较强的亲碳性，有利于钎焊石墨/铜合金。
其次，采用Ag-Cu箔是由于Ag-Cu与Cu合金的相容性好。
最后，采用Cu箔的作用主要是利用其塑性形变来吸收接头在降温过程中出现的残余热应力，从而使得接头中的残余热应力得到缓解，以制备可靠的石墨/Cu合金接头。
相比于现有技术，本发明的主要优点是：
(1)本发明提供的石墨/Cu合金接头，其连接层界面结合良好，接头连接强度较高。
(2)本发明提供的石墨/Cu合金接头的制备方法简单，有利于工业应用。
(3)本发明提供的石墨/Cu合金接头的制备方法中，采用含Ti(Cu-TiH2-Ni)焊料连接石墨与铜合金，解决了铜在石墨表面的润湿性差的问题；此外，在Cu-TiH2-Ni焊料的基础上添加软金属中间层(Cu箔与Ag-Cu箔)，既增强了焊料与Cu合金之间的相容性，还能吸收接头在降温过程中出现的残余热应力。
(4)用于制备本发明提供的石墨/Cu合金接头的复合焊料原料丰富，成本低廉，经济效益好。
附图说明
图1是本发明提供的具有“三明治”复合结构连接层的石墨/Cu合金接头的结构示意图；
图2是实施例1所得石墨/CuCrZr合金接头界面区域的微观形貌图；
图3是实施例1所得石墨/CuCrZr合金接头界面区域的XRD图谱。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于说明本发明可行，不用于限制本发明保护的权利范围。
如无特别说明，下述实施例中提及的所有原料均为市售获得。
实施例1
采用Cu-TiH2-Ni/Cu/Ag-Cu复合焊料制备石墨/CuCrZr合金接头，具体步骤如下：
1、称取质量比为60:30:10的Cu、TiH2、Ni三种粉体，并将其混合均匀，加入酒精研磨，直至酒精完全挥发，得到Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料。
2、将厚度均为100μm的Ag-Cu箔(其中Ag的质量百分比为72％，Cu的质量百分比为28％)以及Cu箔先用砂纸打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超声清洗30min。
3、将石墨和CuCrZr合金的待连接端面分别用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、取适量步骤1制得的Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料，滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料，然后将膏状焊料均匀地涂覆在石墨表面上，再依次放上经步骤2处理后的Cu箔和Ag-Cu箔各一层，最后将经步骤3处理后的CuCrZr合金放在最上端，并将整体放入石墨模具中钎焊(在CuCrZr合金上方施加11kPa的压力，并且在880℃下保温8min)，得到石墨/CuCrZr合金接头。
经在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，测得：本实施例采用Cu-TiH2-Ni/Cu/Ag-Cu复合焊料制备的石墨/CuCrZr合金接头的平均剪切强度为14MPa。
图2为本实施例制备的石墨/CuCrZr合金接头的连接层界面区域微观形貌图，从图中可以看出，连接层与母材之间界面结合良好，连接层均匀致密，无明显裂纹和孔隙等缺陷。
图3为本实施例所得石墨/CuCrZr合金接头界面区域的XRD图谱，可以看出连接层主要由TiAg、TiC和Ti-Cu金属间化合物组成。
对比实施例1
单独采用Cu-TiH2-Ni焊料(即焊料中不包括Ag-Cu箔和Cu箔)制备石墨/CuCrZr合金接头，具体步骤如下：
步骤1、3同实施例1，步骤2省略，步骤4调整如下：
取适量步骤1制得的Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料，滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料，然后将膏状焊料均匀地涂覆在石墨和CuCrZr合金的待连接表面上，最后将石墨和CuCrZr合金的待连接面对接(CuCrZr合金在上端更佳)，并将整体放入石墨模具中钎焊(在CuCrZr合金上方施加11kPa的压力，并且在880℃下保温8min)，得到石墨/CuCrZr合金接头。
经在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，测得：本对比实施例单独采用Cu-TiH2-Ni焊料制备的石墨/CuCrZr合金接头的平均剪切强度为13MPa。
可见，实施例1中采用Cu-TiH2-Ni/Cu/Ag-Cu复合焊料制备的石墨/CuCrZr合金接头比对比实施例1中单独采用Cu-TiH2-Ni焊料所得的石墨/CuCrZr合金接头的强度提高了8％。
实施例2
制备石墨/紫铜接头，具体步骤如下：
1、称取质量比为70：22：8的Cu、TiH2、Ni三种粉体，并将其混合均匀，加入酒精研磨，直至酒精完全挥发，得到Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料。
2、将厚度均为100μm的Ag-Cu箔(其中Ag的质量百分比为72％，Cu的质量百分比为28％)以及Cu箔先用砂纸打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超声清洗30min。
3、将石墨和紫铜的待连接端面用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、取适量步骤1制得的Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料，滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料，然后将膏状焊料均匀地涂覆在石墨表面上，再依次放上经步骤2处理后的Cu箔和Ag-Cu箔各一层，最后将经步骤3处理后的紫铜放在最上端并将整体放入石墨模具中钎焊(在紫铜上方施加9kPa的压力，在910℃下保温12min)，得到石墨/紫铜接头。
经测定，本实施例所得接头界面连接良好，无孔洞等缺陷。

Claims (9)

1.一种石墨/Cu合金接头，其特征在于，所述石墨/Cu合金接头的连接层具有“三明治”式复合结构，包括：与石墨相连接的Cu-TiH2-Ni层、与Cu合金相连的Ag-Cu层、位于Cu-TiH2-Ni层和Ag-Cu层之间的Cu层。
2.根据权利要求1所述的石墨/Cu合金接头，其特征在于，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
3.权利要求1或2所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)将Cu、TiH2以及Ni三种粉体混合均匀，加入酒精研磨，直至酒精完全挥发，得到Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料；
2)取适量步骤1)制得的Cu-TiH2-Ni混合粉末焊料，向其中滴加少量无水乙醇和丙三醇调制成粘稠膏状焊料；
3)将步骤2)制得的膏状焊料均匀地涂覆在石墨表面上，再依次放上Cu箔和Ag-Cu箔，最后放上Cu合金，并将整体放入模具中，钎焊，得到石墨/Cu合金接头。
4.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述Cu、TiH2和Ni粉体的质量比为(60-75):(20-30):(8-10)。
5.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述Ag-Cu箔中Ag和Cu的质量比为78：22。
6.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述石墨和Cu合金的待连接端面、以及Cu箔和Ag-Cu箔均经过打磨处理和超声清洗处理。
7.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述模具为石墨模具。
8.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述钎焊的压力为8-12kPa。
9.根据权利要求3所述的石墨/Cu合金接头的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述钎焊的温度为880-920℃，保持该温度的时间为8-12min。
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