毕业设计（论文）：焊接成型法制备双金属材料的研究

毕业设计（论文）

题 目：
焊接成型法制备双金属材料的研究
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摘 要

全铜机械构件的制造，历来都是根据其使用性能的要求，以铜或铜的合金为材料铸造成坯后，经机械加工制造而成。因此，铜的消耗多，加工效率低，生产成本高。双金属材料是将两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料。双金属复合材料可以克服两种金属各自的缺点，发挥两种金属的优点。
本文主要论述了用焊接复合法制备双金属合金，通过选用不同的钎料钎焊黄铜板和碳钢板，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钎焊的因素，着重通过实验分析了温度的控制对钎焊结果的影响，比较其焊接接头的金相组织，从而选择出最合适的连接方法。

关键词：双金属，焊接复合法，黄铜，碳钢，钎焊


ABSTRACT

All-copper mechanical component, based on the requirement of use performance, has always been manufactured by mechanical processing with the billet casted by the material of copper or copper alloy. Therefore, high consumption of copper, low processing efficiency and high prod
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方法 7
2.1 真空钎焊法制备双金属材料 7
2.1.1 试样的制备 7
2.1.2 钎料的选择 8
2.1.3 接头设计 9
2.1.4 钎焊工艺参数的确定 9
2.1.5 试验设备 11
2.2 压力扩散钎焊 11
2.2.1 试样制备 11
2.2.2 钎焊所用金属粉末的选择 12
2.2.3 焊接接头设计 12
2.2.4 焊接温度的选择 12
2.2.5 焊接压力的选择 12
2.2.6 保温时间 12
2.3 普通钎焊制备双金属材料 13
2.3.1 试样的制备 13
2.3.2 钎料的选择 13
2.3.3 钎剂的选择 13
2.3.4 钎焊温度 14
2.3.5 试验设备 14
第三章 试验结果及分析 16
3.1 真空钎焊试验结果分析 16
3.2 扩散钎焊试验结果分析 16
3.3 普通钎焊试验结果分析 16
3.3.1 钎料铺展性试验 16
3.3.2 钎焊工艺参数对钎料铺展性的影响 17
3.3.3 钎焊焊缝分析 18
第四章 结论 21
致谢 22
参考文献 23


第一章 概 论

1.1 课题背景及意义

大型模具经常使用到大量的导板，通过对导板失效原因的多方面分析， 得出的结论是：导板失效主要是由热疲劳和高温磨损引起的。导板在高温、重载、强摩擦和冷热反复的作用下， 表面逐渐磨损， 产生用肉眼可见的网状裂纹。显微分析表明磨损是以粘着磨损为主。为了提高模具的使用寿命和更好的散热，导板一般都选择用铜合金制作。铜具有良好的散热性和耐磨性，而且具有铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，在干燥的空气里很稳定。然而相对与铁合金而言，铜合金的制作成本相对较高，一套模具往往需要大量的铜合金，这就使得模具的制作成本提高。如果能在导板的钢基表面复合一层2~3mm厚的铜合金，从而形成双金属材料，这样既能保证导板的使用性能，又可以减少铜合金的用量，降低模具生产成本。本课题是用焊接复合法中的钎焊方法制备双金属合金，钎焊和熔焊方法最大的不同是常规钎焊采用比母材熔化温度低的钎料，采用低于母材固相线的操作温度，通过熔化的钎料将母材连接在一起的一种焊接技术。钎焊时工件常被整体加热或钎缝周围大面积均匀加热，因此工件的相对变形量以及钎焊接头的剩余应力都比熔焊小的多，易于保证工件的精密尺寸。

1.2 双金属材料的研究现状

双金属材料是将两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料。双金属复合材料可以克服两种金属各自的缺点，发挥两种金属的优点。使部件具有特殊的性能以适应各种恶劣工况，可以延长部件使用寿命，综合经济效益较好，很值得推广应用及进行进一步研究拓宽其应用领域。目前制备双金属材料研究领域极为广阔，生产方法有多种，一般常规的制备双金属材料分类方法按照复合过程的工艺属性划分，分别为铸造复合法、轧制复合法、焊接复合法以及沉积复合方法等。
目前，由于制备工艺技术复杂、产品稳定性较差、寿命问题以及制造成本较高等因素，双金属复层材料应用还较少。但双金属复层材料的优越性、诱人的发展前景及巨大的应用潜力已展现在人们面前。

1.3黄铜及碳钢焊接性
1.3.1黄铜的焊接性

对铜来讲，直接影响到可焊性的是它的物理性质。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。以下几方面因素是影响到其焊接性的主要因素：
l)导热性能良好，铜的导热性能是工业用金属中最好的，它的导热系数为339w/m•K。铜的导热性能比低碳钢高8倍，一般的熔化焊焊接方法为了防止热量从母材迅速失散掉，并可得到充分的熔深，必须用高温进行预热。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，由于它的收缩应力，容易产生裂纹。实验中适当降低钎焊后的冷却速度。
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。但对钎焊来讲，只需要选择比铜的熔点低的钎料就可以了，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一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(H20)并形成气孔。这些气孔使晶界产生许多裂纹，特别对于含氧量多的铜更要注意。
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，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。
6)黄铜焊接时锌会蒸发，故焊接处的锌含量大大减少，而且挥发的锌变成了氧化锌，容易覆盖在焊接处，给施焊作业造成困难。真空钎焊时，锌的蒸发会造成真空度降低等不良后果。
普通黄铜中的锌的质量分数小于15%时，表面氧化物基本由氧化亚铜组成，仅有微量的氧化锌。当锌的质量分数大于20%时，其氧化膜主要由氧化锌组成。氧化锌虽然比较稳定，但也不难去除。黄铜在炉中钎焊时，锌发生蒸发，是黄铜成分发生变化，故钎焊黄铜最好先镀铜，含锌的钎料在炉中钎焊时，为了防止锌的蒸发，最好加少量钎剂。

1.3.2碳钢的焊接性

碳钢钎焊时，表面上能形成四种类型的氧化物：α-Fe2O3，γ-Fe2O3，Fe3O4（FeO•Fe2O3）和FeO。碳钢在室温下可形成γ-Fe2O3氧化层，其厚度可达2~4个原子层；加热到200℃左右的温度时，生成α-Fe2O3氧化物；加热到较高温度（不超过570℃），会生成氧化物的混合膜；内层为FeO•Fe2O3，表面为α-Fe2O3；当加热温度高于570℃时，则生成FeO。但是，如果把碳钢从室温逐渐加热到高于570℃，那么就会在碳钢的表面上依次生成三种氧化物：α-Fe2O3，FeO•Fe2O3和FeO。钢上的氧化物是由空气中的氧气穿过氧化层渗到金属上而生成的。
所有氧化铁均是多孔和不稳定的，容易被还原性气体还原，也容易被钎剂去除。所以低碳钢的钎焊时容易实现的。

1.4 钎焊接头的形成机理

钎焊接头的 ……（未完，全文共18806字，当前仅显示3382字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业设计（论文）：焊接成型法制备双金属材料的研究》）