[发明专利]一种石墨/Cu合金接头及其制备方法

说明书

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。