陶瓷與金屬焊接技術(shù)

1、陶瓷與金屬焊接技術(shù)陶瓷與金屬焊接技術(shù)Ti(C,N基金屬陶瓷是一種顆粒型復(fù)合材料,是在TiC基金屬陶瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型金屬陶瓷。Ti(C,N基金屬陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蝕等一系列優(yōu)良綜合性能,在加工中顯示出較高的紅硬性和強(qiáng)度,它在相同硬度時(shí)耐磨性高于WC Co 硬質(zhì)合金,而其密度卻只有硬質(zhì)合金的1/2。因此,Ti(C,N基金屬陶瓷刀具在許多加工場合下可成功地取代WC基硬質(zhì)合金而被廣泛用作工具材料,填補(bǔ)了WC基硬質(zhì)合金和A l2O3陶瓷刀具材料之間的空白。我國金屬鈷資源較為貧乏,而作為一種戰(zhàn)略性貴重金屬,近年來鈷的價(jià)格持續(xù)上揚(yáng),因此,Ti(C,N基金屬陶瓷刀具材料的研制開發(fā)和廣泛

2、應(yīng)用,不僅可推動(dòng)我國硬質(zhì)合金材料的升級換代,而且在提高國家資源保障程度方面也具有重要的意義。我們研制的是添加TiN的Ti(C,N基金屬陶瓷。由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性,TiN的加入可起到細(xì)化晶粒的作用,故Ti(C,N基金屬陶瓷可表現(xiàn)出比WC基或TiC基硬質(zhì)合金更為優(yōu)越的綜合性能。這種新型金屬陶瓷刀具材料的廣泛應(yīng)用是以其成功的連接技術(shù)為前提的,國內(nèi)外對陶瓷與金屬的連接開展了不少的研究,但對于金屬陶瓷與金屬連接的技術(shù)研究較少,以致于限制了Ti(C,N基金屬陶瓷材料在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。常用的連接陶瓷與金屬的焊接方法有真空電子束焊、激光焊、真空擴(kuò)散焊和釬焊等。在這些連接方法中,釬焊、擴(kuò)

3、散焊連接方法比較成熟、應(yīng)用較廣泛,過渡液相連接等新的連接方法和工藝正在研究開發(fā)中。本文在總結(jié)各種陶瓷與金屬焊接方法的基礎(chǔ)上,對金屬陶瓷與金屬的焊接技術(shù)進(jìn)行初步探討,在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)方法的同時(shí),指出其優(yōu)缺點(diǎn)和有待研究解決的問題,以期推動(dòng)金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)的研究,進(jìn)而推廣這種先進(jìn)工具材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。Ti(C,N基金屬陶瓷性能特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀Ti(C,N基金屬陶瓷是在TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類新型工模具材料。按其組成和性能不同可分為:成分為TiC Ni Mo的TiC基合金;添加其它碳化物(如WC、TaC等和金屬(如Co的強(qiáng)韌TiC基合金;添加TiN的TiC T

4、iN(或TiCN基合金;以TiN為主要成分的TiN基合金。Ti(C,N基金屬陶瓷的性能特點(diǎn)如下:(1高硬度,一般可達(dá)HRA9193.5,有些可達(dá)HRA9495,即達(dá)到非金屬陶瓷刀具硬度水平。(2有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨損能力,在高速切削鋼料時(shí)磨損率極低,其耐磨性可比WC基硬質(zhì)合金高34倍。(3有較高的抗氧化能力,一般硬質(zhì)合金月牙洼磨損開始產(chǎn)生溫度為850900,而T i(C,N基金屬陶瓷為11001200,高出200300。TiC氧化形成的TiO2有潤滑作用,所以氧化程度較WC基合金低約10%。(4有較高的耐熱性,Ti(C,N基金屬陶瓷的高溫硬度、高溫強(qiáng)度與高溫耐磨性都比較好,在110

5、01300高溫下尚能進(jìn)行切削。一般切削速度可比WC基硬質(zhì)合金高23倍,可達(dá)200400m/min。(5化學(xué)穩(wěn)定好,Ti(C,N基金屬陶瓷刀具切削時(shí),在刀具與切屑、工件接觸面上會(huì)形成Mo2O3、鎳鉬酸鹽和氧化鈦薄膜,它們都可以作為干潤滑劑來減少摩擦。Ti(C, N基合金與鋼不易產(chǎn)生粘結(jié),在700900時(shí)也未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)情況,即不易產(chǎn)生積屑瘤,加工表面粗糙度值較低。Ti(C,N基金屬陶瓷在具有良好綜合性能的同時(shí)還可以節(jié)約普通硬質(zhì)合金所必需的Co、Ta、W等貴重稀有金屬材料。隨著人類節(jié)約資源推行“綠色工業(yè)”進(jìn)程的加快,Ti (C,N基金屬陶瓷必會(huì)成為一種大有前途的工具材料。目前,Ti(C,N基金屬陶瓷材

6、料得到世界各國尤其是日本的廣泛深入研究,一些國家已在積極應(yīng)用和推廣這種刀具材料,世界各主要硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家都推出了商品牌號(hào)的含氮金屬陶瓷。如日本三菱綜合材料公司開發(fā)的NX2525牌號(hào)超細(xì)微粒金屬陶瓷的硬度達(dá)到92.2HRA,抗彎強(qiáng)度達(dá)2.0GPa,兼具高硬度和高韌性。我國在“八五”期間也成功研制出多種牌號(hào)的Ti(C,N基金屬陶瓷刀具,并批量上市,現(xiàn)已發(fā)展成為獨(dú)立系列的一類刀具材料。金屬陶瓷與金屬焊接的技術(shù)方法在工業(yè)加工生產(chǎn)中,切削加工刀具的刀片與刀桿的連接方式有兩種:焊接式和機(jī)夾式。刀具的刀片和刀桿連接的好壞直接影響刀具的使用壽命。宋立秋等通過實(shí)驗(yàn)研究表明:選用焊接式連接刀片和刀桿時(shí),刀具耐用

7、度高;選用機(jī)夾式時(shí),刀具耐用度低。由于Ti(C, N基金屬陶瓷屬于脆性材料,熔點(diǎn)比金屬高,其線膨脹系數(shù)與金屬相差較大,使得Ti(C, N基金屬陶瓷刀片與刀桿焊后接頭中的殘余應(yīng)力很高,加之與金屬的相容性較差,使得金屬陶瓷與金屬的焊接性較差,一般焊接方法和工藝很難獲得滿意的焊接接頭,目前,采用釬焊和擴(kuò)散焊對金屬陶瓷與金屬進(jìn)行連接已獲得成功。隨著研究的不斷深入,又出現(xiàn)了許多新方法及工藝,以下在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術(shù)方法的同時(shí),指出其優(yōu)缺點(diǎn)和研究方向。1熔化焊熔化焊是應(yīng)用最廣泛的焊接方法,該方法利用一定的熱源,使連接部位局部熔化成液體,然后再冷卻結(jié)晶成一體。焊接熱源有電弧、激光束和電子束

8、等。目前Ti(C,N基金屬陶瓷熔化焊主要存在以下兩個(gè)問題有待解決:一是隨著熔化溫度的升高,流動(dòng)性降低,有可能促進(jìn)基體和增強(qiáng)相之間化學(xué)反應(yīng)(界面反應(yīng)的發(fā)生,降低了焊接接頭的強(qiáng)度;另一問題是缺乏專門研制的金屬陶瓷熔化焊填充材料。1電弧焊電弧焊是熔化焊中目前應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法。其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用靈活、方便、適用性強(qiáng),而且設(shè)備簡單。但該方法對陶瓷與金屬進(jìn)行焊接時(shí)極易引起基體和增強(qiáng)相之間的化學(xué)反應(yīng)(界面反應(yīng)。由于Ti(C,N基金屬陶瓷具有導(dǎo)電性,可以直接焊接,對Ti(C,N基金屬陶瓷與金屬電弧焊的試驗(yàn)研究表明是可行的,但需要解決諸如界面反應(yīng)、焊接缺陷(裂紋等和焊接接頭強(qiáng)度低等問題。2激光焊激光焊是特殊及

9、難焊材料焊接的一種重要焊接方法。由于激光束的能量密度大,因此激光焊具有熔深大、熔寬小、焊接熱影響區(qū)小、降低焊件焊接后的殘余應(yīng)力和變形小的特點(diǎn),能夠制造高溫下穩(wěn)定的連接接頭,可以對產(chǎn)品的焊接質(zhì)量進(jìn)行精確控制。激光焊接技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于真空中燒結(jié)的粉末冶金材料。據(jù)報(bào)道,Mittweida激光應(yīng)用中心開發(fā)了一種雙激光束焊接方法。它用兩束激光工作,一束激光承擔(dān)工件的預(yù)熱,另一束激光用于焊接。用這種雙激光束焊接方法可以實(shí)現(xiàn)各種幾何體的連接,并且不會(huì)降低原材料的強(qiáng)度和高溫性能,焊接時(shí)間僅需數(shù)分鐘。該方法可有效防止焊接過程中熱影響區(qū)裂紋的產(chǎn)生,適用于Ti(C,N基金屬陶瓷與金屬的焊接,但對工裝夾具、配合精度

10、及焊前準(zhǔn)備工作要求較高,設(shè)備投資昂貴,運(yùn)行成本較高,需要進(jìn)一步提高其工藝重復(fù)性和可靠性。3電子束焊電子束焊是一種利用高能密度的電子束轟擊焊件使其局部加熱和熔化而焊接起來的方法。真空電子束焊是金屬陶瓷與金屬焊接的有效焊接方法,它具有許多優(yōu)點(diǎn),由于是在真空條件下,能防止空氣中的氧、氮等的污染;電子束經(jīng)聚焦能形成很細(xì)小的直徑,可小到0. 11.0mm的范圍,其功率密度可提高到107109W/cm2。因此電子束焊具有加熱面積小、焊縫熔寬小、熔深大、焊接熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。但這種方法的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜,對焊接工藝要求較嚴(yán),生產(chǎn)成本較高。目前針對Ti(C,N基金屬陶瓷與金屬的電子束焊接技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段。2釬

11、焊釬焊是把材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?同時(shí)應(yīng)用釬料而使材料產(chǎn)生結(jié)合的一種焊接方法。釬焊方法通常按熱源或加熱方法來分類。目前具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的釬焊方法有:(1火焰釬焊;(2爐中釬焊;(3感應(yīng)釬焊;(4電阻釬焊;(5浸漬釬焊;(6紅外線釬焊。釬焊是Ti(C, N基金屬陶瓷與金屬連接的一種主要焊接方法,釬焊接頭的質(zhì)量主要取決于選用合適的釬料和釬焊工藝。李先芬等對Ti(C,N基金屬陶瓷與45號(hào)鋼采用銅基、銀基釬料分別進(jìn)行了火焰釬焊試驗(yàn)和在氬氣保護(hù)爐中釬焊試驗(yàn)?；鹧驸F焊條件下,以H62為釬料的接頭的平均剪切強(qiáng)度為37MPa,以BAg10CuZn為釬料的接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)114MPa,以BCuZnMn為釬料的接頭

12、的平均剪切強(qiáng)度49MPa;在氬氣保護(hù)爐焊條件下,以H6 2為釬料的接頭的平均剪切強(qiáng)度為37MPa,以Ag72Cu28為釬料的接頭的平均剪切強(qiáng)度為51MPa。通過觀察和分析釬焊接頭的結(jié)合情況及剪切試驗(yàn),表明Ti(C,N基金屬陶瓷具有較好的釬焊性。但由于接頭界面處金屬陶瓷中存在殘余應(yīng)力,導(dǎo)致剪切試驗(yàn)時(shí)均斷在金屬陶瓷上,且釬焊接頭的剪切強(qiáng)度不高。張麗霞等采用AgCuZn釬料實(shí)現(xiàn)了TiC 基金屬陶瓷與鑄鐵的釬焊連接。近年來還利用非晶技術(shù)研制成功了新的含鈦合金系,如Cu Ti、Ni Ti合金,可以直接用來釬焊陶瓷與金屬,其接頭的工作溫度比用銀銅釬料釬焊的要高得多。目前,金屬陶瓷釬焊需要解決如何降低或消除

13、界面處金屬陶瓷中的殘余應(yīng)力和提高接頭強(qiáng)度的問題。3壓焊壓焊時(shí)基體金屬通常并不熔化,焊接溫度低于金屬的熔點(diǎn),有的也加熱至熔化狀態(tài),仍以固相結(jié)合而形成接頭,所以可以減少高溫對母材的有害影響,提高金屬陶瓷與金屬的焊接質(zhì)量。1擴(kuò)散焊擴(kuò)散焊是壓焊的一種,它是指在相互接觸的表面,在高溫壓力的作用下,被連接表面相互靠近,局部發(fā)生塑性變形,經(jīng)一定時(shí)間后結(jié)合層原子間相互擴(kuò)散而形成整體的可靠連接過程。擴(kuò)散焊包括沒有中間層的擴(kuò)散焊和有中間層的擴(kuò)散焊,有中間層的擴(kuò)散焊是普遍采用的方法。使用中間層合金可以降低焊接溫度和壓力,降低焊接接頭中的總應(yīng)力水平,從而改善接頭的強(qiáng)度性能。另外,為降低接頭應(yīng)力,除采用多層中間層外,還

14、可使用低模數(shù)的補(bǔ)償中間層,這種中間層是由纖維金屬所組成,實(shí)際上是一塊燒結(jié)的纖維金屬墊片,孔隙度最高可達(dá)90%,可有效降低金屬與陶瓷焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。擴(kuò)散焊的主要優(yōu)點(diǎn)是連接強(qiáng)度高,尺寸容易控制,適合于連接異種材料。關(guān)德慧等對金屬陶瓷刀刃與40Cr刀體的高溫真空擴(kuò)散焊接實(shí)驗(yàn)表明,金屬陶瓷與40Cr焊接后,兩種材料焊合相當(dāng)好,再對40Cr進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,界面具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,焊接界面的抗拉強(qiáng)度達(dá)650MPa,剪切強(qiáng)度達(dá)到550MP a。擴(kuò)散焊主要的不足是擴(kuò)散溫度高、時(shí)間長且在真空下連接、設(shè)備昂貴、成本高。近年來不斷開發(fā)出了一些新的擴(kuò)散焊接方法,如高壓電場下的擴(kuò)散焊,該方法借助于高壓電場(10 00V以

15、上及溫度的共同作用,使陶瓷內(nèi)電介質(zhì)電離,在與金屬鄰近的陶瓷材料內(nèi)形成了一薄層充滿負(fù)離子的極化區(qū)。此外,由于材料表面的顯微不平度,陶瓷與金屬間只有個(gè)別小點(diǎn)相接觸,大部分地區(qū)形成微米級的間隙。集結(jié)在微小間隙兩側(cè)的離子使這些地區(qū)的電場急劇升高,此外加電場可增加34個(gè)數(shù)量級。由于異性電荷相吸,使被連接的兩種材料相鄰界面達(dá)到緊密接觸(其間距小于原子間距,隨后借助于擴(kuò)散作用,使金屬與陶瓷得以連接。2摩擦焊摩擦焊是在軸向壓力與扭矩作用下,利用焊接接觸端面之間的相對運(yùn)動(dòng)及塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱,使接觸面及其近區(qū)達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形,然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊廣泛

16、用于同類和異種金屬的連接,對于不同類材料陶瓷與金屬連接的摩擦焊尚屬起步階段。3超聲波焊超聲波焊是通過超聲波振動(dòng)和加壓實(shí)現(xiàn)常溫下金屬與陶瓷接合的一種有效方法。用此方法焊接鋁與各類陶瓷均獲得成功,而且接合時(shí)間僅需幾秒鐘。由于此方法的接合能是利用超聲波振動(dòng),結(jié)合面不需要進(jìn)行表面處理,設(shè)備較簡單,縮短了焊接時(shí)間,其成本比釬焊法大幅度降低。該方法應(yīng)用于金屬陶瓷與金屬的焊接還有待于進(jìn)一步研究。4中性原子束照射法中性原子束照射法利用中性原子束照射金屬與陶瓷的接合面,使接合面的原子“活化”。物質(zhì)清潔的表面具有極佳的活性,然而物質(zhì)表面往往沾有污物或覆蓋著一層極薄的氧化膜,使其活性降低。該方法主要是對接合面照射氬

17、等惰性氣體的10001800eV的低能原子束,從表面除去20nm左右的薄層,使表面活化,然后加壓,利用表面優(yōu)異的反應(yīng)度進(jìn)行常溫狀態(tài)下接合,此方法可用于氮化硅等高強(qiáng)度陶瓷與金屬的接合。5自蔓延高溫合成焊接法自蔓延高溫合成(Self propagatingHigh temperatur eSyn thesis,縮寫SHS技術(shù)也稱為燃燒合成(CombustionSyn the sis,縮寫CS技術(shù),是由制造難熔化合物(碳化物、氮化物和硅化物的方法發(fā)展而來的。在這種方法中,首先在陶瓷與金屬之間放置能夠燃燒并放出大量生成熱的固體粉末,然后用電弧或輻射將粉末局部點(diǎn)燃而開始反應(yīng),并由反應(yīng)所放出的熱量自發(fā)地推

18、動(dòng)反應(yīng)繼續(xù)向前發(fā)展,最終由反應(yīng)所生成的產(chǎn)物將陶瓷與金屬牢固地連接在一起。該方法的顯著特點(diǎn)是能耗低,生產(chǎn)效率高,對母材的熱影響作用小,通過設(shè)計(jì)成分梯度變化的焊縫來連接異種材料,可以克服由于熱膨脹系數(shù)差異而造成的焊接殘余應(yīng)力。但燃燒時(shí)可能產(chǎn)生氣相反應(yīng)和有害雜質(zhì)的侵入,從而使接頭產(chǎn)生氣孔和接頭強(qiáng)度降低。因此,連接最好在保護(hù)氣氛中進(jìn)行,并對陶瓷與金屬的兩端加壓。日本的Miyamo to等首次利用SHS焊接技術(shù),研究了金屬M(fèi)o與TiB2和TiC陶瓷的焊接,試驗(yàn)利用Ti+B或Ti+C粉末作為反應(yīng)原料,預(yù)壓成坯后加在兩個(gè)Mo片之間,利用石墨套通電發(fā)熱來引發(fā)反應(yīng),成功地獲得了界面結(jié)合完整的焊接接頭。何代華等采

19、用燃燒合成技術(shù)成功地制取了TiB2陶瓷/金屬Fe 試樣,且焊接界面結(jié)合良好,中間焊料層Fe的質(zhì)量百分含量較高時(shí),界面結(jié)合優(yōu)于Fe質(zhì)量百分含量低的界面結(jié)合情況。孫德超等以FGM焊料(功能梯度材料成功實(shí)現(xiàn)了SiC陶瓷與GH4146合金的SHS焊接。目前SHS機(jī)理研究尚未成熟,設(shè)備開發(fā)和應(yīng)用投資頗大,所以SHS焊接尚未工程化。6液相過渡焊接法液相過渡焊接(TransientLiquidPhase,縮寫TLP是介于溶焊和壓焊之間的焊接方法。該技術(shù)綜合了釬焊技術(shù)和擴(kuò)散連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可制備服役溫度不低于連接溫度的高溫接頭。TLP連接技術(shù)的工藝TLP焊接與釬焊操作步驟相似,均需在待連接母材表面間放入熔點(diǎn)低于母材的第三種材料(在TLP中常叫中間層Interl ayer,在釬焊中常叫釬料Fillermetal;然后加熱、保溫。但兩者擴(kuò)散的充分程度、凝固的方式和最終所得接頭的成分、組織的不連續(xù)程度都不同。與釬焊相比TL P焊接具有如下優(yōu)點(diǎn):TLP接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分,并在一定情況下分辨不出最終顯微組織中的填充金屬;TLP接頭比一般硬釬焊接頭的強(qiáng)度高;TLP接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而耐高溫性能好。上述優(yōu)點(diǎn)決定了它可用于先進(jìn)材料的連接,在金屬陶瓷與金屬焊接技