硬釬焊是一種通過(guò)使用 450℃ 以上的溫度來(lái)影響釬料或鍍層金屬的相變過(guò)程以
實(shí)現(xiàn)同種或異種材料之間的連接的焊接技術(shù), 該技術(shù)能夠較好地保持被焊母材的完
整性。 按照這種命名方式, 軟釬焊則被定義為使用 450℃ 以下的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)相似連
接的工藝。 事實(shí)上, 這兩種連接方式所涉及的物理和化學(xué)過(guò)程是極為相似的。 兩者
最主要的區(qū)別是釬料的選擇, 選擇不同的釬料會(huì)在加熱、 焊接、 冷卻過(guò)程中導(dǎo)致不
同的現(xiàn)象。
釬焊在開始并不是作為一門科學(xué), 而是作為一門技術(shù), 也就是說(shuō), 釬焊是通過(guò)
實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的學(xué)問(wèn)和技藝。 因此, 釬焊技術(shù)是人類最古老的技術(shù)之一, 其
源頭可追溯到人類文明的開端。 正如蘇美爾文明的大量遺址中所記錄的那樣, 在公
元前 3000 多年前, 人類已經(jīng)了解了一些金屬的釬焊技術(shù)。 相關(guān)的技術(shù)隨后傳播到
埃及, 之后到達(dá)中國(guó)和其他國(guó)家。 隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn), 相關(guān)的工藝過(guò)程已經(jīng)
達(dá)到非常高的水平。 這可能在很大程度上得益于精密的實(shí)驗(yàn)儀器, 如掃描電子顯微
鏡、 原子力顯微鏡、 X 射線衍射分析儀等的使用。 這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)也得到了數(shù)值模擬
工具開發(fā)的輔助, 例如, 超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了相-場(chǎng)方法模擬。 但是, 釬焊科學(xué)是在
不斷發(fā)展的, 所以釬焊科學(xué)與釬焊技術(shù)之間適當(dāng)?shù)穆?lián)系仍然有待于探索。
本書旨在幫助渴望了解釬焊科學(xué)的釬焊領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)者, 使其不僅能夠更加充
分地理解釬焊過(guò)程的現(xiàn)象, 而且能夠熟悉該科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用的實(shí)施。
在釬焊領(lǐng)域的技術(shù)文獻(xiàn)中, 雖然已有一些備受推崇和傳播廣泛的專題著作和手
冊(cè) (主要側(cè)重于技術(shù)而對(duì)前沿方向的基本問(wèn)題不夠重視) , 但這些著作和手冊(cè)都未
能從釬焊母材和釬料體系的冶金行為、 釬焊工藝優(yōu)化, 以及釬焊結(jié)構(gòu)力學(xué)、 熱學(xué)和
腐蝕行為等方面深入闡述各種技術(shù)問(wèn)題。 本書旨在通過(guò)提供對(duì)大量前沿釬焊主題進(jìn)
行深度研究的文獻(xiàn)資料來(lái)填補(bǔ)這一空白。 由多個(gè)或一個(gè)作者組成的十九個(gè)團(tuán)隊(duì)接受
了主編的邀請(qǐng), 在選定的領(lǐng)域編寫相關(guān)章節(jié), 作者可以按照自己的意愿編寫相關(guān)
主題。
除了提到的主要目的編寫釬焊領(lǐng)域的一本技術(shù)資料書籍, 另一個(gè)動(dòng)機(jī)是規(guī)
范其內(nèi)容。 受邀作者來(lái)自不同國(guó)家, 代表了釬焊領(lǐng)域最負(fù)盛名的世界級(jí)組織機(jī)構(gòu),
包括國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、 機(jī)構(gòu)、 學(xué)術(shù)組織, 以及工業(yè)企業(yè)的研發(fā)中心, 同時(shí)也邀請(qǐng)了焊接
領(lǐng)域的其他專家學(xué)者。 就研究 / 技術(shù)的重點(diǎn)而言, 研發(fā)的力度和興趣、 產(chǎn)業(yè)的需求、
技術(shù)的進(jìn)步, 以及產(chǎn)業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的相互交流等情況都顯著不同。 例如, 來(lái)自亞
洲、 歐洲或美洲的作者團(tuán)隊(duì)可能為未來(lái)進(jìn)一步的研究提供更加多樣化的資源, 從而
提供給其他研究中心的專業(yè)人士特有的機(jī)會(huì), 可以用更寬廣和更深入的視角了解相
關(guān)的信息。 此外, 來(lái)自不同研究中心的研究人員必將沿著側(cè)重點(diǎn)不同但卻相同或相
似的當(dāng)今熱點(diǎn)主題方向開展研究。 顯而易見(jiàn), 不同主題的研究方法很難在某一位作
者的論文或手冊(cè)中概括和體現(xiàn)出來(lái), 因?yàn)橥ǔＰ枰�提出�?quán)威的觀點(diǎn), 并提供標(biāo)準(zhǔn)的
研究方法。
本書分成三個(gè)部分: ①釬焊基礎(chǔ) ( 第 1 ~ 3 章) ; ②釬焊工藝 ( 第 4 ~ 13 章) ;
③釬焊和釬焊材料應(yīng)用 (第 14 ~ 19 章) 。 顯然, 每個(gè)章節(jié)都包含這三個(gè)方面, 因?yàn)?br />在死板的框架中構(gòu)建內(nèi)容是沒(méi)有任何意義的, 因此, 本書結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的闡釋將會(huì)是
豐富多樣的。
第一部分中的第 1 章由法國(guó)格勒諾布爾理工學(xué)院材料工藝科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室的
Eustathopoulos 博士、 Hodaj 教授和 Kozlova 博士編寫, 其中的潤(rùn)濕與黏附的基本概念
中包含了對(duì)不同類型的固體潤(rùn)濕的解釋, 這些固體包括金屬、 非共價(jià)陶瓷和碳基陶
瓷等, 討論了釬焊過(guò)程中非反應(yīng)性和反應(yīng)性體系潤(rùn)濕和鋪展過(guò)程的熱力學(xué)問(wèn)題。 在
第 2 章中, 美國(guó)航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的 Flom 博士提出了一種對(duì)釬焊結(jié)
構(gòu)的失效分析方法, 這種有限元分析的工程方法基于 Tresca 和 Von Mises 提出的最
大切應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。 隨后, 介紹了用于評(píng)估釬焊接頭安全性的相互作用方程和 Coulomb-Mohr
失效準(zhǔn)則。 在第 3 章中, 由來(lái)自美國(guó)肯塔基州列克星敦市肯塔基大學(xué)的
Sekulic教授討論了釬焊過(guò)程建模。 該章對(duì)釬焊過(guò)程中的熱循環(huán)建模、 釬焊結(jié)構(gòu)中熱
應(yīng)力行為的建模, 以及微觀尺度下的現(xiàn)象 (包括固態(tài)擴(kuò)散、 覆層 / 釬料熔化和毛細(xì)
作用驅(qū)動(dòng)的鋪展, 以及釬焊過(guò)程中的凝固過(guò)程等) 的建模方法都進(jìn)行了總結(jié)。
第二部分的首章, 即第 4 章是由來(lái)自烏克蘭基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院
士和 Maksymova 博 士 領(lǐng) 導(dǎo) 的 團(tuán) 隊(duì) 編 寫 的, 內(nèi) 容 包 括 釬 焊 高 溫 合 金 用 無(wú) 硼 釬 料 和
-TiAl基金屬間化合物釬焊用無(wú)銅釬料。 其中, 高鎳基和 Ti-Al 基金屬間化合物是耐
熱材料很好的例子。 該章還討論了發(fā)生在 Ni-Cr-Zr 系合金中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變, 而且列出
了 Ti-Zr-Fe、 Ti-Zr-Mn 系合金的熔點(diǎn)范圍、 濃度范圍、 結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能。 論述
了用于釬焊陶瓷切削材料的活性釬料合金的應(yīng)用。 在第 5 章中, 美國(guó) Metglas 公司
的 Rabinkin 博士對(duì)高溫釬焊提出了全面、 系統(tǒng)的論述, 并著重強(qiáng)調(diào)了釬料和釬焊工
藝。 對(duì)現(xiàn)有的釬料種類以及含磷的 Ni / Fe / Cr 基新型共晶合金釬料進(jìn)行了概述。 對(duì)
添加 Ge 或 Zr / Hf / Cr 的鎳基合金釬料也進(jìn)行了論述。 該章詳細(xì)地討論了鋼和合金釬
焊的顯微組織、 性能和最佳釬焊工藝。 Rabinkin 博士帶領(lǐng)的另一支團(tuán)隊(duì), 包括美國(guó)
俄亥俄州鈦 釬 焊 公 司 的 Shapiro 博 士 和 來(lái) 自 于 列 支 敦 士 登 Listemann AG 公 司 的
Boretius 博士, 編寫了第 6 章。 首先, 重點(diǎn)解釋了金剛石與立方氮化硼界面反應(yīng)的
本質(zhì), 其次是金剛石在釬焊和退火過(guò)程中的石墨化問(wèn)題, 以及金屬在金剛石和立方
氮化硼上的潤(rùn)濕問(wèn)題, 最后探討了釬焊工藝過(guò)程。 中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的何鵬教授
編寫了本書的第 7 章和第 8 章, 每章講述一個(gè)主題: 第 7 章為氧化物、 碳化物、 氮
化物陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料的釬焊; 第 8 章為鎳-鋁、 鐵-鋁和鈦-鋁金屬間化合物的
釬焊。 第 7 章屬于講述陶瓷釬焊這一重要領(lǐng)域的一系列章節(jié)的一部分。 陶瓷難以連
接, 釬焊被認(rèn)為是少數(shù)可以有效連接陶瓷的技術(shù)。 該章對(duì)陶瓷釬焊的每一個(gè)難點(diǎn)都
提出了深入的思考。 第 8 章研究了金屬間化合物材料, 如 Ni-Al、 Fe-Al 和 Ti-Al 等
的連接存在的問(wèn)題, 同時(shí)對(duì)每個(gè)體系的金屬間化合物的物理性能進(jìn)行了描述, 其次
是釬焊方法的介紹。 之后的第 9 章和第 10 章涵蓋了鋁釬焊的研究, 分別由烏克蘭
基輔巴頓焊接研究所的 Khorunov 院士、 Sabadash 博士, 以 及 美 國(guó) 厄 巴 納 Creative
Thermal Solutions 公司的趙博士和美國(guó)普萊森頓的 Woods 博士撰寫。 第 9 章是關(guān)于
主要依靠活性釬劑的鋁及鋁合金和鋼的釬焊。 在第 10 章中, 趙博士和 Woods 博士
詳細(xì)論述了大量使用氟鋁酸鉀釬劑在可控氣氛環(huán)境下釬焊鋁的研究。 美國(guó)俄亥俄州
威斯康星大學(xué)斯陶特分校的 Asthana 教授和美國(guó)克利夫蘭的美國(guó)航空航天局格倫研
究中心俄亥俄州航空航天研究所的 Singh 博士撰寫的第 11 章中提到了使用活性金屬
釬料釬焊陶瓷基復(fù)合材料和金屬。 面對(duì)苛刻的使用要求, 先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料表
現(xiàn)出了巨大的潛力, 但其組件的連接非常具有挑戰(zhàn)性。 該章對(duì)潤(rùn)濕和熔融金屬滲透
的問(wèn)題進(jìn)行了討論。 隨后對(duì) SiC-SiC、 C-SiC、 C-C 和 ZrB2 基超高溫陶瓷、 氧化物、
氮化物和硅基復(fù)合材料的釬焊進(jìn)行了綜述, 并對(duì)界面的微觀結(jié)構(gòu)、 力學(xué)和物理性能
進(jìn)行了詳細(xì)的討論。 金屬與陶瓷釬焊主題的最后一章 ( 第 12 章) 由 Hausner 博士
和德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的 Wielage 教授編寫。 作者著重介紹
了金屬-陶瓷釬焊技術(shù)的現(xiàn)狀。 對(duì)于選擇的材料系統(tǒng)的組合, 提供了更詳細(xì)的微觀
結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。 該章提供了陶瓷性能、 標(biāo)準(zhǔn)釬焊工藝、 金屬化陶瓷釬焊、 活性釬
焊以及金屬-陶瓷釬焊接頭的力學(xué)性能信息, 討論了若干釬焊實(shí)例。 本部分的最后
一章 即 第 13 章 專 門 介 紹 了 金 屬 和 C / C 復(fù) 合 材 料 的 釬 焊。 日 本 東 京 工 業(yè) 大 學(xué) 的
Ikeshoji 博士首先介紹了 C / C 復(fù)合材料的性能, 其次討論了釬料的規(guī)格和推薦的釬
料, 最后探討了釬焊工藝過(guò)程。
第三部分是釬焊和釬焊材料應(yīng)用。 第 14 章由德國(guó)多特蒙德工業(yè)大學(xué)材料工程
學(xué)院 Tillmann 教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)編寫, 團(tuán)隊(duì)成員還有 Elrefaey 博士和 Wojarski 博士。
作者討論了硬質(zhì)合金 ( 碳化鎢和金屬黏結(jié)劑) 和高性能陶瓷與結(jié)構(gòu)鋼等基體的釬
焊, 用于制作切削工具; 深入討論了用于釬焊這種體系材料制作的切削工具的釬
料。 在第 15 章中, 來(lái)自于德國(guó)埃斯林根 Innobraze 公司的 Krappitz 博士, 對(duì)釬涂這
種有趣的釬焊應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行了討論。 通過(guò)這種技術(shù)可以在惡劣環(huán)境中工作的組件上
制備功能涂層, 釬涂的應(yīng)用包括表面修復(fù)、 磨損保護(hù), 以及防止腐蝕和氧化。 在第
16 章中, 美國(guó)新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 C. A Walker 論述了金屬-
非金屬釬焊在電子包裝和電子元件結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。 他強(qiáng)調(diào), 金屬-非金屬釬焊技術(shù)
經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn), 而且已證明該連接方法可用于制造高壓、 大電流設(shè)備和電力
行業(yè)的絕緣子, 為今天的材料工程師或設(shè)計(jì)師提供了利用最新工程材料特殊性能的
機(jī)會(huì)。 該章開篇列舉了諸多功能性需求, 并進(jìn)一步討論了如何選擇釬焊工藝 (包括
釬料和基體) 和進(jìn)行夾具的設(shè)計(jì)。 緊接著又論述了材料表面金屬化的方法。 結(jié)尾部
分總結(jié)了釬焊方法和性能測(cè)試方法。 在第 17 章中, 意大利都靈理工大學(xué)材料科學(xué)
與化學(xué)工程系的團(tuán)隊(duì)考慮將玻璃和玻璃-陶瓷釬料用于固體氧化物燃料電池的密封
材料, 以 及 用 作 碳 化 硅 基 材 料 的 釬 料。 這 個(gè) 團(tuán) 隊(duì) 由 Salvo 教 授 領(lǐng) 導(dǎo), 成 員 有
V. Casalegno 博士、 S. Rizzo、 Smeacetto 教授、 A. Ventrella 和 Ferraris 教授。 第一項(xiàng)應(yīng)
用是用作平面固體氧化物燃料電池的密封材料, 這種材料要求在潮濕的環(huán)境中和在
800℃ 環(huán)境使用時(shí)都保持熱力學(xué)和熱化學(xué)性能的穩(wěn)定。 第二項(xiàng)應(yīng)用涉及核 ( 核聚變
和核裂變) 設(shè)備中玻璃-陶瓷材料在碳化硅基材料釬焊中的應(yīng)用和高溫應(yīng)用。 釬焊
的另外一個(gè)重要應(yīng)用包括民用領(lǐng)域 (如飲用水或食品工業(yè)) 使用的金屬材料釬焊的
鎳基釬料。 在第 18 章中, 德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的 Wielage 教授和 Hoyer 博士對(duì)鎳
基材料列入無(wú)害材料名單的可能性做