畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）：焊接成型法制備雙金屬材料的研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

題 目：
焊接成型法制備雙金屬材料的研究
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摘 要

全銅機(jī)械構(gòu)件的制造，歷來(lái)都是根據(jù)其使用性能的要求，以銅或銅的合金為材料鑄造成坯后，經(jīng)機(jī)械加工制造而成。因此，銅的消耗多，加工效率低，生產(chǎn)成本高。雙金屬材料是將兩種金屬材料利用其各自的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分層組合而形成的一類金屬材料。雙金屬?gòu)?fù)合材料可以克服兩種金屬各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮兩種金屬的優(yōu)點(diǎn)。
本文主要論述了用焊接復(fù)合法制備雙金屬合金，通過(guò)選用不同的釬料釬焊黃銅板和碳鋼板，根據(jù)理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了釬料的設(shè)計(jì)、接頭設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)設(shè)定，并分析了影響這兩種材料釬焊的因素，著重通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了溫度的控制對(duì)釬焊結(jié)果的影響，比較其焊接接頭的金相組織，從而選擇出最合適的連接方法。

關(guān)鍵詞：雙金屬，焊接復(fù)合法，黃銅，碳鋼，釬焊


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 真空釬焊法制備雙金屬材料 7
2.1.1 試樣的制備 7
2.1.2 釬料的選擇 8
2.1.3 接頭設(shè)計(jì) 9
2.1.4 釬焊工藝參數(shù)的確定 9
2.1.5 試驗(yàn)設(shè)備 11
2.2 壓力擴(kuò)散釬焊 11
2.2.1 試樣制備 11
2.2.2 釬焊所用金屬粉末的選擇 12
2.2.3 焊接接頭設(shè)計(jì) 12
2.2.4 焊接溫度的選擇 12
2.2.5 焊接壓力的選擇 12
2.2.6 保溫時(shí)間 12
2.3 普通釬焊制備雙金屬材料 13
2.3.1 試樣的制備 13
2.3.2 釬料的選擇 13
2.3.3 釬劑的選擇 13
2.3.4 釬焊溫度 14
2.3.5 試驗(yàn)設(shè)備 14
第三章 試驗(yàn)結(jié)果及分析 16
3.1 真空釬焊試驗(yàn)結(jié)果分析 16
3.2 擴(kuò)散釬焊試驗(yàn)結(jié)果分析 16
3.3 普通釬焊試驗(yàn)結(jié)果分析 16
3.3.1 釬料鋪展性試驗(yàn) 16
3.3.2 釬焊工藝參數(shù)對(duì)釬料鋪展性的影響 17
3.3.3 釬焊焊縫分析 18
第四章 結(jié)論 21
致謝 22
參考文獻(xiàn) 23


第一章 概 論

1.1 課題背景及意義

大型模具經(jīng)常使用到大量的導(dǎo)板，通過(guò)對(duì)導(dǎo)板失效原因的多方面分析， 得出的結(jié)論是：導(dǎo)板失效主要是由熱疲勞和高溫磨損引起的。導(dǎo)板在高溫、重載、強(qiáng)摩擦和冷熱反復(fù)的作用下， 表面逐漸磨損， 產(chǎn)生用肉眼可見(jiàn)的網(wǎng)狀裂紋。顯微分析表明磨損是以粘著磨損為主。為了提高模具的使用壽命和更好的散熱，導(dǎo)板一般都選擇用銅合金制作。銅具有良好的散熱性和耐磨性，而且具有銅和它的一些合金有較好的耐腐蝕能力，在干燥的空氣里很穩(wěn)定。然而相對(duì)與鐵合金而言，銅合金的制作成本相對(duì)較高，一套模具往往需要大量的銅合金，這就使得模具的制作成本提高。如果能在導(dǎo)板的鋼基表面復(fù)合一層2~3mm厚的銅合金，從而形成雙金屬材料，這樣既能保證導(dǎo)板的使用性能，又可以減少銅合金的用量，降低模具生產(chǎn)成本。本課題是用焊接復(fù)合法中的釬焊方法制備雙金屬合金，釬焊和熔焊方法最大的不同是常規(guī)釬焊采用比母材熔化溫度低的釬料，采用低于母材固相線的操作溫度，通過(guò)熔化的釬料將母材連接在一起的一種焊接技術(shù)。釬焊時(shí)工件常被整體加熱或釬縫周圍大面積均勻加熱，因此工件的相對(duì)變形量以及釬焊接頭的剩余應(yīng)力都比熔焊小的多，易于保證工件的精密尺寸。

1.2 雙金屬材料的研究現(xiàn)狀

雙金屬材料是將兩種金屬材料利用其各自的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分層組合而形成的一類金屬材料。雙金屬?gòu)?fù)合材料可以克服兩種金屬各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮兩種金屬的優(yōu)點(diǎn)。使部件具有特殊的性能以適應(yīng)各種惡劣工況，可以延長(zhǎng)部件使用壽命，綜合經(jīng)濟(jì)效益較好，很值得推廣應(yīng)用及進(jìn)行進(jìn)一步研究拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。目前制備雙金屬材料研究領(lǐng)域極為廣闊，生產(chǎn)方法有多種，一般常規(guī)的制備雙金屬材料分類方法按照復(fù)合過(guò)程的工藝屬性劃分，分別為鑄造復(fù)合法、軋制復(fù)合法、焊接復(fù)合法以及沉積復(fù)合方法等。
目前，由于制備工藝技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)品穩(wěn)定性較差、壽命問(wèn)題以及制造成本較高等因素，雙金屬?gòu)?fù)層材料應(yīng)用還較少。但雙金屬?gòu)?fù)層材料的優(yōu)越性、誘人的發(fā)展前景及巨大的應(yīng)用潛力已展現(xiàn)在人們面前。

1.3黃銅及碳鋼焊接性
1.3.1黃銅的焊接性

對(duì)銅來(lái)講，直接影響到可焊性的是它的物理性質(zhì)。同時(shí)，氧、氫等氣體成分對(duì)可焊性也有較顯著的危害，因此在施焊前首先弄清銅及銅合金的組成成分及特性是十分必要的。以下幾方面因素是影響到其焊接性的主要因素：
l)導(dǎo)熱性能良好，銅的導(dǎo)熱性能是工業(yè)用金屬中最好的，它的導(dǎo)熱系數(shù)為339w/m•K。銅的導(dǎo)熱性能比低碳鋼高8倍，一般的熔化焊焊接方法為了防止熱量從母材迅速失散掉，并可得到充分的熔深，必須用高溫進(jìn)行預(yù)熱。釬焊不存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)槿刍敢话闶蔷植考訜�，而釬焊是整體加熱。
2)線膨脹系數(shù)大，銅的線膨脹系數(shù)約是低碳鋼的1.5倍，在冷卻凝固時(shí)，由于它的收縮應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)降低釬焊后的冷卻速度。
3)熔化溫度高，銅及銅合金的熔點(diǎn)約是900~1100℃。對(duì)熔化焊來(lái)講，這確實(shí)是不利于焊接。但對(duì)釬焊來(lái)講，只需要選擇比銅的熔點(diǎn)低的釬料就可以了，不必達(dá)到母材銅的熔點(diǎn)，這大大降低了焊接溫度。
4)焊接處容易析出氣泡和氧化物，氫和氧在銅溶液中溶解度很高，而在凝固時(shí)放出大量氫氣，形成氣孔。氧由于在Cu一Cu2O形成的共晶體中析出，而使機(jī)械性能降低，如果存在氫，即成水蒸氣(H20)并形成氣孔。這些氣孔使晶界產(chǎn)生許多裂紋，特別對(duì)于含氧量多的銅更要注意。
5)晶粒容易粗化，一般銅及銅合金不發(fā)生固相間的變態(tài)，所以晶粒容易粗大，這也是機(jī)械性能降低和產(chǎn)生裂紋的原因。故各焊縫應(yīng)進(jìn)行錘擊，使其再結(jié)晶，隨著晶粒微細(xì)化則能減少殘余應(yīng)力。
6)黃銅焊接時(shí)鋅會(huì)蒸發(fā)，故焊接處的鋅含量大大減少，而且揮發(fā)的鋅變成了氧化鋅，容易覆蓋在焊接處，給施焊作業(yè)造成困難。真空釬焊時(shí)，鋅的蒸發(fā)會(huì)造成真空度降低等不良后果。
普通黃銅中的鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，表面氧化物基本由氧化亞銅組成，僅有微量的氧化鋅。當(dāng)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，其氧化膜主要由氧化鋅組成。氧化鋅雖然比較穩(wěn)定，但也不難去除。黃銅在爐中釬焊時(shí)，鋅發(fā)生蒸發(fā)，是黃銅成分發(fā)生變化，故釬焊黃銅最好先鍍銅，含鋅的釬料在爐中釬焊時(shí)，為了防止鋅的蒸發(fā)，最好加少量釬劑。

1.3.2碳鋼的焊接性

碳鋼釬焊時(shí)，表面上能形成四種類型的氧化物：α-Fe2O3，γ-Fe2O3，F(xiàn)e3O4（FeO•Fe2O3）和FeO。碳鋼在室溫下可形成γ-Fe2O3氧化層，其厚度可達(dá)2~4個(gè)原子層；加熱到200℃左右的溫度時(shí)，生成α-Fe2O3氧化物；加熱到較高溫度（不超過(guò)570℃），會(huì)生成氧化物的混合膜；內(nèi)層為FeO•Fe2O3，表面為α-Fe2O3；當(dāng)加熱溫度高于570℃時(shí)，則生成FeO。但是，如果把碳鋼從室溫逐漸加熱到高于570℃，那么就會(huì)在碳鋼的表面上依次生成三種氧化物：α-Fe2O3，F(xiàn)eO•Fe2O3和FeO。鋼上的氧化物是由空氣中的氧氣穿過(guò)氧化層滲到金屬上而生成的。
所有氧化鐵均是多孔和不穩(wěn)定的，容易被還原性氣體還原，也容易被釬劑去除。所以低碳鋼的釬焊時(shí)容易實(shí)現(xiàn)的。

1.4 釬焊接頭的形成機(jī)理

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