Ti( C,N)基金属陶瓷是一种颗粒型复合材料 ,是在 Ti C基金属陶瓷的基础上发展起来的新型金属陶瓷。它具有耐磨、耐氧化、耐腐蚀等一系列优点 ,加之相同硬度时耐磨性高于 WC- Co硬质合金 ,另外其密度只有硬质合金的一半 ,用其制作产品可降低成本 ,因而国外对该材料极为重视 ,自 2 0世纪 80年代以来发展迅速<1> 。国内对 Ti( C,N)基金属陶瓷的成分、
显微组织、力学性能、切削加工性能等也开展了不少的研究 <1～ 5>。而新型陶瓷材料的广泛应用又是以其成功的连接技术为前提的 ,但有关 Ti( C,N)基金属陶瓷与金属主要连接技术之一的钎焊研究还很少见报道。本文对 Ti( C,N)基金属陶瓷与 4 5钢在氩气保护条件下进行钎焊试验研究 ,以期了解 Ti( C,N)基金属陶瓷的钎焊性并有利于推广其在工业领域的应用。1 试验材料及试验方法1.1 试验材料Ti( C,N)基金属陶瓷的成分 (质量分数 ,% )为 :39Ti C,10 Ti N,15 WC,16Mo2 C,2 0 Ni。配料后 ,经球磨造粒 ,在 170 MPa压力下模压成形 ,然后烘干 ,脱脂 ,1460℃真空烧结 1h。其硬度、抗弯强度和断裂韧性分别可达 91.2 HRA、12 5 MPa和 13.4 MPa· m1/2。 4 5钢为退火态 ,其硬度为 2 60 HB左右。试验用钎料为 :Ag72 Cu2 8(厚 0 .1mm)和 H62 (厚 0 .1～ 0 .2 mm)。1.2 试验方法Ti( C,N)基金属陶瓷和 4 5钢试样用线切割的方法加工至所需尺寸 ,焊前 4 5钢试样用 360目砂纸磨光 ,Ti( C,N)基金属陶瓷用 Si C粉磨光 ,钎料用砂纸打磨去除氧化皮 ,所有的试件在试验前都要用丙酮做认真的清洗 ,接头以双搭的形式用夹具装夹好放于炉中 ,在氩气 (纯度为 999.9%以上 )保护条件下进行钎焊 ;钎焊加热及冷却过程中严格控制加热、冷却速度 ,实验中加热速度不高于 10℃ /min,冷却时的冷速不高于8℃ /min,冷却到约 60 0℃时关闭加热电源随炉冷却。焊后试样经磨光后用 4 % HNO3酒精腐蚀 ,进行金相观察 ,在 AG- 2 5 TA型电子万能试验机上作剪切试验。2 试验结果与分析2 .1 钎焊接头的显微组织Ag72 Cu2 8作钎料 (熔点 779℃ ) ,钎焊温度为810℃ ,保温 10 min,其接头的显微组织见图 1。图 1a图 1 Ag72 Cu2 8作钎料的钎焊接头组织上部是陶瓷 ,下部是 4 5钢 ,中间为钎料及结合界面 ,图中明显可见钎料组织为 Ag、Cu共晶 ,钎料与金属陶瓷间有一道亮白色的区域 ,应是陶瓷与钎料间的扩散反应区。进一步对陶瓷与钎料的结合区进行分析 ,图 1b是高倍下陶瓷与钎料的结合情况 ,上部是陶瓷 ,中下部是钎料 ,由图可见钎料通过扩散或反应已渗入到陶瓷中 ,结合良好。可见 ,Ag72 Cu2 8钎料在氩气保护条件下对 Ti( C,N)基金属陶瓷有良好的润湿作用。H62黄铜作钎料 ,钎焊温度为 930℃ ,保温 10min,其接头的显微组织见图 2。图 2 a上部是陶瓷 ,下部是 4 5钢 ,中部为钎料及结合界面 ,图中可见陶瓷与钎料间有一道明显的灰白相间的扩散反应区。进一步放大该区 ,见图 2 b,与图 1b相比 ,以 H62作钎料的接头陶瓷与钎料间以反应结合为主 ,不象图 1b那样有明显的扩散润湿 ,这是由于银的润湿性要比铜的好。由于有新的物相生成 ,且由于不同物相耐蚀性不同 ,腐蚀后出现深浅不同的腐蚀坑。图 2 H6 2作钎料的钎焊接头组织由上述金相分析可见 ,不管以反应为主还是以扩散润湿为主 ,H62和 Ag72 Cu2 8均可作为连接金属陶瓷与金属间的钎料。钎焊接头肉眼和低、高倍显微镜下均未观察到裂纹。2 .2 剪切试验试验时加载速度控制在 2 0 0～ 2 5 0 N/ s。结果是 :以 H62作钎料的三个试样的接头剪切强度均在 36～38MPa之间 ;以 Ag72 Cu2 8作钎料的接头剪切强度在4 8～ 5 4 MPa之间 ;不管哪种钎料 ,其接头断裂面均不在钎缝上 ,而是在离钎缝较近的金属陶瓷上。分析剪切试验的结果 :其一 ,接头强度不够高 ;其二 ,断裂面均在离钎缝较近的陶瓷上。主要是由于金属陶瓷与 4 5钢的线胀系数相差大 ,钎焊后尽管冷却较慢 ,冷却后在连接体中 ,特别是在界面附近的陶瓷中仍会产生较大的残余应力。残余应力可近地用下式进行估算 <6> :σc=ΔαΔTEm Ectm/ <( 1-υ) ( tm Em+tc Ec) >式中 :σc为陶瓷所受的热应力 ;E为弹性模量 ;Δ T为温差 ;υ为泊松比 ;t为厚度 ;Δα为线胀系数差 ;下脚标 C代表陶瓷 ,下脚标 m代表金属。从上式可看出 ,当连接体几何尺寸一定时 ,
钎焊温度 T越高 ,冷却温差 Δ T增加 ,界面处陶瓷中残余应力越高。因此 ,尽管剪切断裂均发生在陶瓷中 ,但强度仍然较低 ,往往远低于陶瓷本身的强度 ,这正是残余应力对界面处陶瓷损伤较大的结果。从以上试验结果可知 ,用普通的银基钎料和铜基钎料在氩气保护条件下均能实现 Ti( C,N)基金属陶瓷与 4 5钢的钎焊 ,说明 Ti( C,N)基金属陶瓷具有较好的钎焊性 ;从接头的显微照片分析及剪切试验结果看 ,银基钎料比铜基钎料更合适 ,因为银基钎料一方面润湿性优于铜基钎料 ,另一方面 ,银基钎料的钎焊温度较低 ,界面处的残余应力较低。分析 Ti( C,N)基金属陶瓷有较好钎焊性的原因是 :( 1)由于金属陶瓷由两相组成 <1> (金属相和陶瓷相 ) ,可用线切割的方法进行加工 ,说明金属陶瓷中既存在共价键和离子键 ,同时仍存在部分金属键 ,它不象结构陶瓷如 Si3N4 那样存在电子断层 ,这是能用普通银、铜基钎料钎焊的重要原因 ;( 2 )由于金属陶瓷中的 Ni、Ti等活性金属在高温下可与钎料中的 Ag、Cu发生扩散润湿或反应 ,生成固溶体或化合物 ,而实现连接。但由于接头界面处金属陶瓷中残余应力的存在 ,导致剪切试验时均断在金属陶瓷上 ,且钎焊接头的剪切强度不高。可见 ,对金属陶瓷的钎焊 ,如何降低或消除界面处金属陶瓷中的残余应力 ,提高接头强度应是首先要解决的问题。3 结论( 1) Ti( C,N)基金属陶瓷具有较好的钎焊性 ,氩气保护条件下可用铜基或银基钎料进行钎焊 ,且从试验结果看银基钎料更合适。( 2 )只要适当控制好加热和冷却速度 ,可有效防止钎焊接头中裂纹的产生。但由于界面处金属陶瓷中残余应力的存在 ,使得剪断面均在陶瓷上 ,且剪切强度不够高 :以 H62为钎料的平均剪切强度为 37MPa,以Ag72 Cu2 8为钎料的平均剪切强度为 5 1MPa。Ti(C,N)基金属陶瓷与45号钢钎焊的试验研究@李先芬$合肥工业大学材料科学与工程学院!安徽合肥230009
@丁厚福$合肥工业大学材料科学与工程学院!安徽合肥230009
@徐道荣$合肥工业大学材料科学与工程学院!安徽合肥230009
@刘宁$合肥工业大学材料科学与工程学院!安徽合肥230009
@许育东$合肥工业大学材料科学与工程学院!安徽合肥230009Ti(C,N)基金属陶瓷;;氩气保护钎焊;;钎焊性在氩气保护炉中 ,采用铜基、银基钎料对 Ti( C,N)基金属陶瓷与 45钢进行钎焊试验。通过观察和分析钎焊接头的结合情况及剪切试验 ,表明 Ti( C,N)基金属陶瓷具有较好的钎焊性 ;氩气保护焊条件下 ,以 H6 2为钎料的接头的平均剪切强度为 37MPa,以 Ag72 Cu2 8为钎料的接头的平均剪切强度为 5 1MPa<1> 刘宁,黄新民,周杰,等.Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织的研究
.硅酸盐学报,1999,(12):750.
<2> 康新婷,刘素英,等.Ti(C,N)基金属陶瓷的制备与应用.硬质合金,1999,(2):51.
<3> 刘宁,黄新民,周杰,等.Ti(C,N)基金陶瓷中陶瓷相芯/壳组织的观察与分析.硅酸盐学报,2000,(8):381.
<4> 李华,刘宁,许育东,等.Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的失效机理与参数优化.合肥工业大学学报(自然科学版),2001,(2):47.
<5> 刘宁,吕庆荣,姜勇,等.化学成分对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响.硬度合金,1999,(11):206.
<6> 浩宏奇,金志浩,王永兰,等.氧化铝陶瓷与不锈钢钎焊的接头强度与热震抗力.硅酸盐学报,1996,(4):222.嬖诓糠纸鹗艏?,它不象结构陶瓷如 Si3N4 那样存在电子断层 ,这是能用普通银、铜基钎料钎焊的重要原因 ;( 2 )由于金属陶瓷中的 Ni、Ti等活性金属在高温下可与钎料中的 Ag、Cu发生扩散润湿或反应 ,生成固溶体或化合物 ,而实现连接。但由于接头界面处金属陶瓷中残余应力的存在 ,导致剪切试验时均断在金属陶瓷上 ,且钎焊接头的剪切强度不高。可见 ,对金属陶瓷的钎焊 ,如何降低或消除界面处金属陶瓷中的残余应力 ,提高接头强度应是首先要解决的问题。3 结论( 1) Ti( C,N)基金属陶瓷具有较好的钎焊性 ,氩气保护条件下可用铜基或银基钎料进行钎焊 ,且从试验结果看银基钎料更合适。( 2 )只要适当控制好加热和冷却速度 ,可有效防止钎焊接头中裂纹的产生。但由于界面处金属陶瓷中残余应力的存在 ,使得剪断面均在陶瓷上 ,且剪切强度不够高 :以
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