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Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的钎焊连接及其界面结构研究

叶大萌  
【摘要】:Ti(C,N)基金属陶瓷是一种具有一系列优良性能的复合材料,有着广阔的应用前景,因此研究开发Ti(C,N)基金属陶瓷与钢等异种材料的连接技术具有重要意义。目前,一般焊接方法和工艺很难获得满意的连接接头。本文采用真空钎焊和高频感应钎焊实现了Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的牢固连接,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和抗弯/剪切强度测试仪等分析测试手段系统研究了不同钎焊方法中钎焊工艺对钎焊接头界面强度的影响及接头界面结构。 本文首先对Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况、特点及其应用现状进行了总结和展望;介绍了陶瓷与钢等异种材料的焊接方法及工艺,综述了陶瓷和金属钎焊技术的研究现状,在此基础上提出本文的研究目的、意义和技术路线。 本文在课题组前期研究基础上,通过调整真空烧结工艺和优化压制时所用的成型剂,设计并制备了性能优良的Ti(C,N)基金属陶瓷材料(Ni含量为25%,质量百分比),并将该成分的Ti(C,N)基金属陶瓷作为与钢钎焊连接的母材,其抗弯强度为1850~2200MPa,硬度89~92HRA。 以B Ag45CuZn为钎料采用真空钎焊方法获得了Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢的牢固接头,真空钎焊连接过程中,母材和钎料发生了明显的扩散互溶,并形成了良好的界面结合,从而获得了较高的界面连接强度。在钎焊温度850℃,保温时间15min,钎缝宽度为0.4mm条件下,Ti(C,N)基金属陶瓷/Ag45CuZn/45钢真空钎焊连接接头的剪切强度达到最大值145.2MPa。Ti(C,N)基金属陶瓷/Ag45CuZn/45钢真空钎焊连接界面形成过程可分为以下几个阶段进行:(1)钎焊界面物理接触;(2)钎料开始熔化;(3)原子扩散及反应层开始生长阶段;(4)(Fe,Ni)固溶体和(Cu,Ni)固溶体层长大阶段;(5)Ag、Cu基固溶体析出阶段。最终界面产物为:钢侧(Fe,Ni)固溶体和少量金属间化合物CusZn8,钎料中间层为Ag基固溶体和Cu基固溶体,金属陶瓷侧为Cu基固溶体和(Cu,Ni)固溶体。 本文采用Ag45CuZn和Ag25CuZn合金作为钎料分别对Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢以及1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了感应钎焊,感应钎焊接头强度能满足一般工程应用要求,其中,Ag25CuZn钎料感应钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的效果比Ag45Cuzn钎料好。采用B-Ag25CuZn钎料和QJ102钎剂感应钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢,钎焊温度为950℃时,接头剪切强度和抗弯强度最大值分别达到147.6MPa和103.2MPa;采用B-Ag25CuZn钎料和YJ-6钎剂感应钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢,钎焊温度为1000℃时,接头剪切强度和抗弯强度强度最大值分别达到119.3MPa和59.2MPa。与真空钎焊相比,感应钎焊具有对焊接母材组织和性能影响小,连接效率高,生产成本低,不易生成脆性中间相等优点。 制备的Cu基多元合金钎料对母材具有较好的润湿性,用它来真空钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与钢获得了较高的接头强度,其接头剪切强度明显高于采用Ag基钎料钎焊的接头强度。以制备的多元合金Cu50NiCrMnSi薄片为钎料,采用真空钎焊方法连接Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢,当钎焊温度为1150℃,保温时间为15min时,接头剪切强度达到最大值275.7MPa;以制备的多元合金Cu50NiCrMnSi薄片为钎料,采用真空钎焊方法连接Ti(C,N)基金属陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢,在保温时间为15min的条件下,当钎焊温度为1180℃时,剪切强度平均值达到最大值312.5MPa。采用多元合金钎料高温钎焊时钎焊温度对Ti(C,N)基金属陶瓷母材性能的影响比较明显,随着钎焊温度的升高,Ti(C,N)基金属陶瓷母材的抗弯强度和硬度均有所降低,当钎焊温度超过1200℃时,金属陶瓷母材性能急剧下降,因此,Ti(C,N)基金属陶瓷与钢的钎焊温度一般不要超过1200℃。 在以上研究基础上,采用感应钎焊研制出了Ti(C,N)基金属陶瓷焊接刀具,焊接刀具的感应钎焊接头牢固可靠,切削试验过程中未出现脱焊、开裂等问题;对Ti(C,N)基金属陶瓷焊接车刀进行了切削性能比较试验和磨损分析,试验结果表明:Ti(C,N)基金属陶瓷焊接刀具的切削性能明显优于硬质合金焊接刀具(YG8和YT15),其平均寿命为硬质合金刀具的2~3倍;Ti(C,N)基金属陶瓷焊接刀具的失效形式主要是塑变破裂磨损和崩刃。


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