[發明專利]一種石墨/Cu合金接頭及其制備方法

在審

• 申請號: 201710690339.2
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107378163A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 毛樣武;彭少學;彭良滎;段煜;鄧泉榮
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K1/20;B23K1/19
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于異種材料的連接技術領域，涉及一種石墨/Cu合金接頭及其制備方法。

背景技術

近年來，我國為改革能源結構，控制汽車排放污染，推行使用車用乙醇汽油。然而，乙醇汽油會加速汽車換向器中與電刷接觸的銅面的腐蝕，使得燃油泵使用壽命下降。因此，汽車工業急需開發適合用于乙醇汽油中的換向器。碳材料有化學性能穩定、自潤滑系數高、摩擦阻力小、高溫下強度大以及不易發生電火花現象等優點，用于換向器中與電刷接觸的部位能夠有效減緩摩擦損耗以及腐蝕。但是，碳的脆性大，不易進行焊接，并且無法彎曲，導致碳與電樞繞線不能直接進行掛接，需要以銅為中間介質來實現。因此，碳材料/銅合金的連接對汽車碳換向器的研發及生產具有重大的意義。

釬焊由于工藝簡單、工件變形小、重復性好以及可靠性高等優點被認為是有效的連接碳材料與銅合金的方法。然而石墨與銅合金的連接存在兩個主要問題，即銅在石墨表面的潤濕性差以及由于石墨和銅合金的熱膨脹系數差異較大導致的殘余熱應力問題。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的不足，提供一種石墨/Cu合金接頭及其制備方法。所述石墨/Cu合金接頭的連接層結合界面良好，其制備方法不僅改善了銅合金在石墨表面潤濕性差的問題，還緩解了石墨和銅合金之間因熱膨脹系數差異大導致的殘余熱應力，且制備工藝簡單。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：

一種石墨/Cu合金接頭，其特征在于，所述石墨/Cu合金接頭的連接層具有“三明治”式復合結構，包括：與石墨相連接的Cu-TiH₂-Ni層、與Cu合金相連的Ag-Cu層、位于Cu-TiH₂-Ni層和Ag-Cu層之間的Cu層。所述具有“三明治”式復合結構連接層的石墨/Cu合金接頭的結構示意圖如圖1所示。

按上述方案，優選地，所述Cu合金為CuCrZr合金或紫銅。

本發明還提供了上述石墨/Cu合金接頭的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

1)將Cu、TiH₂以及Ni三種粉體混合均勻，加入酒精研磨，直至酒精完全揮發，得到Cu-TiH₂-Ni混合粉末焊料；

2)取適量步驟1)制得的Cu-TiH₂-Ni混合粉末焊料，向其中滴加少量無水乙醇和丙三醇調制成粘稠膏狀焊料；

3)將步驟2)制得的膏狀焊料均勻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，并將整體放入模具中，釬焊，得到石墨/Cu合金接頭。

按上述方案，優選地，步驟1)中所述Cu、TiH₂和Ni粉體的質量比為(60-75):(20-30):(8-10)。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述Ag-Cu箔中Ag和Cu的質量比為78：22。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述Cu箔和Ag-Cu箔的厚度均為100μm。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述石墨和Cu合金的待連接端面、以及Cu箔和Ag-Cu箔均經過打磨處理和超聲清洗處理。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述模具為石墨模具。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述釬焊的壓力為8-12kPa。

按上述方案，優選地，步驟3)中所述釬焊的溫度為880-920℃，保持該溫度的時間為8-12min。

本發明的基本原理如下：

本發明在Cu-TiH₂-Ni焊料的基礎上添加Cu箔與Ag-Cu箔，主要是基于下述幾點考慮：

首先，采用Cu-TiH₂-Ni焊料是因為：1)相比較于其他金屬材料而言，Cu比較經濟實惠，采用Cu基釬料一定程度上可以降低生產成本；2)Ni具有較好的抗腐蝕性能以及較高的蠕變強度，并且Cu和Ni可以無限互溶，因而在釬料中添加適量的Ni；3)Ti具有較強的親碳性，有利于釬焊石墨/銅合金。

其次，采用Ag-Cu箔是由于Ag-Cu與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變來吸收接頭在降溫過程中出現的殘余熱應力，從而使得接頭中的殘余熱應力得到緩解，以制備可靠的石墨/Cu合金接頭。

相比于現有技術，本發明的主要優點是：

(1)本發明提供的石墨/Cu合金接頭，其連接層界面結合良好，接頭連接強度較高。

(2)本發明提供的石墨/Cu合金接頭的制備方法簡單，有利于工業應用。