剎車片擴散焊接頭組織和性能

鄒克武，雒新宇，孫曉燕

（承德石油高等專科學校，河北承德067000）

剎車片擴散焊接頭組織和性能

鄒克武，雒新宇，孫曉燕

（承德石油高等?？茖W校，河北承德067000）

剎車片是制動系統中最關鍵的安全零件，一般由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構成。采用預鍍銅合金的20#基體鋼板和預先壓制好的Cu-C基摩擦塊在不同的工藝條件下，研究擴散焊接接頭的組織和性能。結果表明，加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時，接頭剪切強度最高；從微觀組織和能譜分析，擴散層厚度較厚，呈粒狀形貌，擴散過程良好。

剎車片；擴散焊；接頭組織；接頭性能

0 前言

剎車片是制動系統中最關鍵的安全零件，決定剎車效果的好壞。剎車片一般由鋼板、粘接隔熱層和摩擦塊構成，剎車時摩擦塊被擠壓在剎車盤或剎車鼓上產生摩擦，從而達到車輛減速剎車的目的。擴散焊是在一定的溫度和壓力下將兩種待焊金屬的焊接面相互接觸，通過微觀塑性變形或焊接面產生微量液相而擴大待焊表面的物理接觸（這樣原子間的引力才起作用），再經較長時間的原子相互擴散來實現冶金結合的一種固態焊接方法。本研究采用預鍍銅合金的20#基體鋼板和預先壓制好的Cu-C基摩擦塊，在不同的工藝條件下，研究擴散焊接接頭的組織性能和性能。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗母材一種是預鍍銅合金的20#基體鋼板；另一種是預先壓制好的Cu-C基摩擦塊，其化學成分如表1所示。Cu-C基摩擦塊粉末合金由銅基體、摩擦相和潤滑相共同組成。

表1 Cu-C合金的化學成分%

銅基體中加入銅可以獲得較高的強度、良好的導熱性和抗高溫氧化性。同時，采用鐵、鋁和錫合金化，錫能溶入銅形成復雜化合物以強化基體；鋁、鐵與銅作用形成鋁鐵青銅，具有很高的強度。同時，由于低熔點的錫和鋁在升溫過程中熔化，使燒結過程為液相燒結,能促進燒結的合金化和致密化過程。

摩擦相采用氧化鋁，這種陶瓷材料具有很高的熔點、硬度和化學穩定性,在高溫下仍具有很強的摩擦性能，將陶瓷顆粒均勻分布在銅基體上以起到有效的增摩作用。潤滑相采用石墨和二硫化鉬兩種潤滑劑的顆粒。

1.2 試驗方法

本試驗采用某公司生產的ZT-40-20Y型真空熱壓爐，其技術參數如表2所示。試驗時，先把爐子加熱到800℃，打開真空爐爐蓋，將試樣放進爐內，基體鋼板在下，釬料放中間，Cu-C合金基摩擦塊在上，以保證摩擦塊全部在基體鋼板上，然后在Cu-C合金塊上施以壓力，最后蓋上爐蓋。此時，開始加溫和開始計時，達到預定溫度后，打開爐蓋去除試樣，在空氣中冷卻。

表2 ZT-40-20Y型真空熱壓爐的主要技術參數

2 試驗過程分析

2.1 剪切性能分析

剪切試驗是評定擴散焊焊接強度的一個重要手段，可以直觀地反映出接頭質量的好壞。表3是不同的工藝條件下所獲得的擴散焊接頭的剪切強度，用來判斷焊接接頭的結合性能。在剪切試驗中，試樣1由于加熱時間過長、溫度太高、釬料揮發過多，釬料氧化嚴重，導致焊后斷裂；試樣6為鐵基未鍍銅基體，釬料不能粘合，出爐后斷裂。由表3可知，試樣5加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時，接頭剪切強度最高。

表3 不同溫度條件下接頭的剪切強度

2.2 顯微組織分析

工藝條件為壓力0.0234MPa，溫度分別為790℃和800℃時，焊核區掃描電鏡微觀組織如圖1所示?？梢钥闯?，在焊合區存在一定厚度的擴散層，溫度高，擴散層的厚度較厚。

圖1b中擴散層的晶粒有方向性，呈柱狀延伸，而圖1a中晶粒柱狀形態消失，呈顆粒形態。同時可以看出在粉末合金中銅、碳分布不均勻，擴散層中有些區域與鐵基體顏色相近，說明此處含Fe元素量較高，有些區域與銅顏色相近，說明此處含Cu元素量較高。

圖1 焊合區掃描電鏡微觀組織

2.3 能譜分析

圖2是溫度為800℃，壓力為0.0234 MPa試樣接頭區域的成分分析。由圖2可知，在Cu-C粉末合金和20#鋼之間形成了過渡層，說明在此工藝條件下，實現了良好的冶金結合。其中圖2a表示Cu-C粉末合金，含有元素C、O、Al、Si、P、Mo、Sn、Fe、Cu；圖2b表示靠近Cu-C粉末合金的擴散層，其中含有元素Fe、Cu、Mo、Sn；圖2c表示靠近20#鋼的擴散層，含有元素Fe、Cu、Sn；圖2d表示20#鋼，其中只含元素Fe。可以看出，在20#鋼這邊只有Fe元素，而中間的擴散層卻有元素Fe、Cu、Sn，說明Cu-C粉末合金有元素Cu、Sn擴散，擴散過程良好。

3 結論

本試驗分析了20#基體鋼板與Cu-C粉末合金基摩擦塊在不同工藝條件下擴散焊焊接接頭的剪切性能、接頭的掃描電鏡微觀組織和能譜。加熱溫度是擴散焊最重要的工藝參數，在本試驗中加熱溫度為800℃，壓力為0.023 4 MPa時，接頭剪切強度最高；從微觀組織和能譜分析，擴散層厚度較厚，呈粒狀形貌，擴散過程良好。

圖2 能譜分析

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第二卷）：焊接方法與設備[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]趙熹華.壓力焊[M].北京：機械工業出版社，1996.

[3]李紹忠.現代汽車用非石棉摩擦材料的進展[J].材料與工藝，1999（6）：44-47.

Research on the microstructure and properties of welded joint of diffusion welding for brake pad

ZOU Kewu，LUO Xinyu，SUN Xiaoyan
（Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China）

Brake pads consists of steel plate,bonding heat-insulating layer and friction block，and is the most crucial safety part of the braking system.Diffusion welding is a solid state welding method and is achieved by atomic diffusion.In this paper，the microstructure and properties of the diffusion welding joints are studied by using 20#steel substrate with pre-plated copper alloy and pre-pressed Cu-C based friction block under different technological conditions.The results show that when the heating temperature is 800℃，pressure is 0.0234 MPa，the shear strength of joint is the highest.By the analysis of microstructure and energy spectrum，the diffusion layer appears granular morphology，has thicker thickness and good diffusion process.

brake pad；diffusion welding；microstructure of joint；properties of joint

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0164-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.37

2014-09-25

鄒克武（1966—），男，湖北人，副教授，主要從事材料成型工藝的研究工作。