CN104384480A - 一种铜铝异种金属的固液连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铝异种金属的固液连接方法，所述方法包括如下步骤：对待连接固态铜预置材料进行表面锌层保护处理；熔化待浇注铝合金并精炼，得液态铝合金；将表面锌层保护处理过的待连接固态铜预置材料预置于模具型腔内；将液态铝合金浇入模具型腔内，使铜和铝之间形成冶金结合，即完成铜铝异种金属固液连接。本发明方法利用表面锌层保护后固液连接的工艺手段，解决了传统焊接方法连接铜和铝时容易出现的氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等一系列的问题，克服了铜材在高温下表面易形成氧化膜阻碍铜和铝之间冶金结合形成的难题，复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、无需气体保护。

Description

一种铜铝异种金属的固液连接方法

技术领域

本发明涉及两种金属的连接方法，具体涉及一种铜铝异种金属的固液连接方法。

背景技术

随着工业的快速发展与科技的不断进步，单一材料已很难满足各领域对于材料综合性能的要求，双金属复合材料可以在设计上综合各组元的优点，使其拥有良好的综合性能，而且适用面广，受到越来越多的关注。相比于单一金属材料，其优点具体表现在以下三个方面：(1)优良的综合性能；(2)良好的经济效益；(3)广泛的可设计性。其中铜铝双金属复合材料综合了铜合金的高导电性能、高导热率、低接触电阻以及铝的质轻、耐蚀等优点。因此受到电子、电力、电器、冶金、机械、汽车和生活用品等领域的青睐。

使用传统焊接方法连接铜铝合金时，由于铜合金和铝合金独特的物理化学特性，经常出现氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等一系列的问题。经对现有技术的检索发现，除焊接方法外铜铝间常见的连接方法按照材料状态的不同可以分为固液连接和固固连接。对于固固连接方法，有研究人员通过轧制和扩散焊等固固连接方法将铜铝合金连接在一起，不过由于铝和铜在大气环境下都非常容易氧化，尤其是高温条件下，两种金属之间都会形成致密的氧化膜，氧化膜的存在会严重阻碍两种金属之间的相互作用，恶化连接质量，只能形成局部的冶金结合。另外，表面上的油污、杂质等也会影响结合过程。同时固固连接经常受到设备的限制，对于材料的外形、尺寸都有非常严格的要求，这也在一定程度上限制了铝铜双金属材料的推广和应用。

与固固连接方法相比，固液复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、生产效率较高，是铜铝连接的理想方法。经对现有技术的检索发现，此种方法已经被广泛的应用在钢(固态)—铸铁(液态)，铸铁(固态)—铝合金(液态)，钢(固态)—铝合金(液态),铝合金(固态)—镁合金(液态)，铜(固态)—铸铁(液态)等体系中，制备的双金属复合材料被广泛应用在各个工业领域当中，比如破碎机锤头、铝包钢芯脚线、汽车歧管、汽车结构材料等等，被证明是制备双金属复合材料非常经济有效的方法。不过，在铜(固态)和铝(液态)之间通过固液结合形成双金属材料却很少有报导，因为铜合金表面的氧化膜会影响固态预置铜合金和液态铝材料直接的作用，导致其在工业上的应用受到阻碍。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铜铝异种金属的固液连接方法，解决现有铜铝连接技术经常导致结合区域形成氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析，同时氧化膜的存在会严重影响两种金属之间的相互作用以及连接件的性能等一系列的问题，使两种铝合金之间形成冶金结合，具有优良的力学性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种铜铝异种金属固液连接方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、对待连接的固态铜质材料进行表面锌层保护处理；并将其预置于模具型腔内；

步骤二、熔化待连接的铝质材料并精炼，得液态浇注铝材料；

步骤三、将步骤二所得液态浇注铝材料浇入模具型腔内，铸造使铜质材料和铝质材料之间形成冶金结合，即完成铜铝异种金属的固液连接。

优选地，步骤一中，所述铜质材料包括纯铜、铜合金等。

优选地，步骤一中，所述表面锌层保护处理的方法包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等。

优选地，所述表面锌层保护处理的锌层的厚度0.1～50μm。

优选地，步骤二中，所述铝质材料包括铸造铝合金、变形铝合金、纯铝等。

优选地，步骤三中，所述铸造方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造、离心铸造等。

优选地，所述挤压铸造的温度为600℃～800℃，所述挤压的压力为0MPa～120MPa。

优选地，所述金属型铸造的温度为600～800℃。

与现有其他技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)与传统焊接方法相比，避免了氧化夹渣、吸气、热裂、成分偏析等问题的出现；

(2)与固固连接方法相比，受外形条件约束小，理论上可以实现任何形状的铜和铝之间的连接；

(3)利用复合表面处理工艺很好的解决了表面氧化膜的问题，能够在固态铜预置材料表面形成均匀连续的锌层，使铜铝间的连接强度达到较高水平。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1中拉伸强度实验式样示意图；

其中，1、2是液态浇注金属材料，3是固态金属；

图2为实施例1中T2紫铜和工业纯铝界面区域金相图；

其中，3是实施例1中T2紫铜和工业纯铝界面；

图3为实施例2中T2紫铜和工业纯铝界面区域金相图；

其中，4是实施例2中T2紫铜和工业纯铝界面；

图4为实施例3中T2紫铜和工业纯铝界面区域金相图；

其中，5是实施例3中T2紫铜和工业纯铝界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种纯铜和纯铝的连接方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态T2紫铜预置材料进行热喷涂锌处理，锌层厚度1μm；

步骤二、熔化待浇注工业纯铝并精炼；

步骤三、将步骤一所得经过热喷涂锌处理后的固态紫铜预置在模具型腔内；

步骤四、利用金属型铸造方法，在740℃下将纯铝浇注到模具型腔内。使铜和铝之间形成冶金结合，即完成铜铝异种金属固液连接。

图2为该条件下T2紫铜和纯铝界面区域金相图，从图中可以观察到从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合。经拉伸测试(具体见图1，将处理后的固态铜质材料3预置于模具腔内，然后浇入液态铝质材料)，连接强度为20MPa。

实施例2

本实施例涉及一种纯铜和纯铝的连接方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态T2紫铜预置材料进行热浸镀锌处理，锌层厚度50μm；

步骤二、熔化待浇注纯铝并精炼；

步骤三、将步骤一所得经过热浸镀锌处理后的固态紫铜预置在模具型腔内；

步骤四、利用挤压铸造方法，在740℃下将纯铝浇注到模具型腔内，挤压压力60MPa。使铜和铝之间形成冶金结合，即完成铜铝异种固液连接。

图3为该条件下T2紫铜和纯铝界面区域金相图，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合。经拉伸测试，连接强度为26MPa。

实施例3

本实施例涉及一种纯铜和纯铝的连接方法，包括如下步骤：

步骤一、对待连接固态T2紫铜预置材料进行热喷涂锌处理，锌层厚度20μm；

步骤二、熔化待浇注纯铝并精炼；

步骤三、将步骤一所得经过热浸镀锌处理后的固态紫铜预置在模具型腔内；

步骤四、利用挤压铸造方法，在700℃下将纯铝浇注到模具型腔内，挤压压力120MPa。使铜和铝之间形成冶金结合，即完成铜铝异种金属固液连接。

图4为该条件下T2紫铜和纯铝界面区域金相图，从图中可以观察到在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合。经拉伸测试，连接强度为28MPa。

实施例4

本实施例涉及一种铜铝异种金属固液相连方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于：

步骤一中，待连接固态铜预置材料为H96铜合金，锌层厚度5μm；

步骤四中，金属型铸造的温度为800℃。

该条件下H96铜合金和纯铝在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合。经拉伸测试，连接强度为25MPa。

实施例5

本实施例涉及一种铜铝异种金属固液相连方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于：

步骤二中，熔化待浇注ZL109铝合金并精炼；

步骤四中，金属型铸造的温度为600℃。

该条件下H96铜合金和纯铝在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合。经拉伸测试，连接强度为48MPa。

实施例6

本实施例涉及一种铜铝异种金属固液相连方法，技术方案与实施例3相同，不同之处仅在于：

步骤二中，熔化待浇注6101铝合金并精炼；

步骤四中，利用挤压铸造方法，在700℃下进行浇注，挤压压力为120MPa。

该条件下T2紫铜和6101铝合金界面结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合；经拉伸测试，连接强度为30MPa。

实施例7

本实施例涉及一种铜铝异种金属固液相连方法，技术方案与实施例3相同，不同之处仅在于：

步骤一中，锌层厚度为30μm；

步骤四中，利用挤压铸造方法，在800℃下进行浇注，挤压压力为30MPa。

该条件下T2紫铜和纯铝界面结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合；经拉伸测试，连接强度为20MPa。

实施例8

本实施例涉及一种铜铝异种金属固液相连方法，技术方案与实施例3相同，不同之处仅在于：

步骤二中，熔化待浇注ZL109铝合金并精炼；

步骤四中，利用挤压铸造方法，在600℃下进行浇注，挤压压力为0MPa。

该条件下T2紫铜和ZL109铝合金界面结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间氧化物，说明两金属间形成了冶金结合；经拉伸测试，连接强度为45MPa。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、对待连接的固态铜质材料进行表面锌层保护处理，并将其预置于模具型腔内；

步骤二、熔化待连接的铝质材料并精炼，得液态浇注铝材料；

步骤三、将步骤二所得液态浇注铝材料浇入模具型腔内，采用不同的铸造方法使铜质材料和铝质材料之间形成冶金结合，即完成铜铝异种金属的固液连接。

2.根据权利要求1所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，步骤一中，所述铜质材料包括纯铜或铜合金。

3.根据权利要求1所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，步骤一中，所述表面锌层保护处理的方法包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂或气相沉积。

4.根据权利要求3所述的异种铝合金固液连接方法，其特征在于，所述表面锌层保护处理的锌层的厚度0.1～50μm。

5.根据权利要求1所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，步骤二中，所述铝质材料包括纯铝、铸造铝合金或变形铝合金。

6.根据权利要求1所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，步骤三中，所述铸造包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造或离心铸造。

7.根据权利要求6所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，所述挤压铸造中浇注温度为600～800℃，挤压的压力为0～120MPa。

8.根据权利要求6所述的铜铝异种金属的固液连接方法，其特征在于，所述金属型铸造中浇注温度为600～800℃。