陶瓷与金属焊接技术：金属陶瓷材料发展应用的关键

来源：塑胶五金网发布时间：2007-12-16 14:06:29点击率：

　　Ti(C，N)基金属陶瓷是一种颗粒型复合材料，是在TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的新型金属陶瓷。Ti(C，N)基金属陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蚀等一系列优良综合性能，在加工中显示出较高的红硬性和强度，它在相同硬度时耐磨性高于o硬质合金，而其密度却只有硬质合金的1/2。因此，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具在许多加工场合下可成功地取代WC基硬质合金而被广泛用作工具材料，填补了WC基硬质合金和Al2O3陶瓷刀具材料之间的空白。我国金属钴资源较为贫乏，而作为一种战略性贵重金属，近年来钴的价格持续上扬，因此，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料的研制开发和广泛应用，不仅可推动我国硬质合金材料的升级换代，而且在提高国家资源保障程度方面也具有重要的意义。

　　我们研制的是添加TiN的Ti(C，N)基金属陶瓷。由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性，TiN的加入可起到细化晶粒的作用，故Ti(C，N)基金属陶瓷可表现出比WC基或TiC基硬质合金更为优越的综合性能。这种新型金属陶瓷刀具材料的广泛应用是以其成功的连接技术为前提的，国内外对陶瓷与金属的连接开展了不少的研究，但对于金属陶瓷与金属连接的技术研究较少，以致于限制了Ti(C，N)基金属陶瓷材料在工业生产中的广泛应用。常用的连接陶瓷与金属的焊接方法有真空电子束焊、激光焊、真空扩散焊和钎焊等。在这些连接方法中，钎焊、扩散焊连接方法比较成熟、应用较广泛，过渡液相连接等新的连接方法和工艺正在研究开发中。本文在总结各种陶瓷与金属焊接方法的基础上，对金属陶瓷与金属的焊接技术进行初步探讨，在介绍各种适用于金属陶瓷与金属焊接技术方法的同时，指出其优缺点和有待研究解决的问题，以期推动金属陶瓷与金属焊接技术的研究，进而推广这种先进工具材料在工业领域的应用。

　　Ti(C，N)基金属陶瓷性能特点及应用现状

　　Ti(C，N)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一类新型工模具材料。按其组成和性能不同可分为：①成分为TiMo的TiC基合金；②添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金属(如Co)的强韧TiC基合金；③添加TiN的TiCTiN(或T)基合金；④以TiN为主要成分的TiN基合金。

　　Ti(C，N)基金属陶瓷的性能特点如下：

　　(1)高硬度，一般可达HRA91～93.5，有些可达HRA94～95，即达到非金属陶瓷刀具硬度水平。

　　(2)有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨损能力，在高速切削钢料时磨损率极低，其耐磨性可比WC基硬质合金高3～4倍。

　　(3)有较高的抗氧化能力，一般硬质合金月牙洼磨损开始产生温度为850～900℃，而Ti(C，N)基金属陶瓷为1100～1200℃，高出200～300℃。TiC氧化形成的TiO2有润滑作用，所以氧化程度较WC基合金低约10%。

　　(4)有较高的耐热性，Ti(C，N)基金属陶瓷的高温硬度、高温强度与高温耐磨性都比较好，在1100～1300℃高温下尚能进行切削。一般切削速度可比WC基硬质合金高2～3倍，可达200～400m/min。

　　(5)化学稳定好，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具切削时，在刀具与切屑、工件接触面上会形成Mo2O3、镍钼酸盐和氧化钛薄膜，它们都可以作为干润滑剂来减少摩擦。Ti(C，N)基合金与钢不易产生粘结，在700～900℃时也未发现粘结情况，即不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度值较低。

　　Ti(C，N)基金属陶瓷在具有良好综合性能的同时还可以节约普通硬质合金所必需的Co、Ta、W等贵重稀有金属材料。随着人类节约资源推行“绿色工业”进程的加快，Ti(C，N)基金属陶瓷必会成为一种大有前途的工具材料。目前，Ti(C，N)基金属陶瓷材料得到世界各国尤其是日本的广泛深入研究，一些国家已在积极应用和推广这种刀具材料，世界各主要硬质合金生产厂家都推出了商品牌号的含氮金属陶瓷。如日本三菱综合材料公司开发的NX2525牌号超细微粒金属陶瓷的硬度达到92.2HRA，抗弯强度达2.0GPa，兼具高硬度和高韧性。我国在“八五”期间也成功研制出多种牌号的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，并批量上市，现已发展成为独立系列的一类刀具材料。

　　金属陶瓷与金属焊接的技术方法

　　在工业加工生产中，切削加工刀具的刀片与刀杆的连接方式有两种：焊接式和机夹式。刀具的刀片和刀杆连接的好坏直接影响刀具的使用寿命。宋立秋等通过实验研究表明：选用焊接式连接刀片和刀杆时，刀具耐用度高；选用机夹式时，刀具耐用度低。由于Ti(C，N)基金属陶瓷属于脆性材料，熔点比金属高，其线膨胀系数与金属相差较大，使得Ti(C，N)基金属陶瓷刀片与刀杆焊后接头中的残余应力很高，加之与金属的相容性较差，使得金属陶瓷与金属的焊接性较差，一般焊接方法和工艺很难获得满意的焊接接头，目前，采用钎焊和扩散焊对金属陶瓷与金属进行连接已获得成功。随着研究的不断深入，又出现了许多新方法及工艺，以下在介绍各种适用于金属陶瓷与金属焊接技术方法的同时，指出其优缺点和研究方向。

　　1熔化焊

　　熔化焊是应用广泛的焊接方法，该方法利用一定的热源，使连接部位局部熔化成液体，然后再冷却结晶成一体。焊接热源有电弧、激光束和电子束等。目前Ti(C，N)基金属陶瓷熔化焊主要存在以下两个问题有待解决：一是随着熔化温度的升高，流动性降低，有可能促进基体和增强相之间化学反应(界面反应)的发生，降低了焊接接头的强度；另一问题是缺乏专门研制的金属陶瓷熔化焊填充材料。

　　1)电弧焊

　　电弧焊是熔化焊中目前应用广泛的一种焊接方法。其优点是应用灵活、方便、适用性强，而且设备简单。但该方法对陶瓷与金属进行焊接时极易引起基体和增强相之间的化学反应(界面反应)。由于Ti(C，N)基金属陶瓷具有导电性，可以直接焊接，对Ti(C，N)基金属陶瓷与金属电弧焊的试验研究表明是可行的，但需要解决诸如界面反应、焊接缺陷(裂纹等)和焊接接头强度低等问题。

　　2)激光焊

　　激光焊是特殊及难焊材料焊接的一种重要焊接方法。由于激光束的能量密度大，因此激光焊具有熔深大、熔宽小、焊接热影响区小、降低焊件焊接后的残余应力和变形小的特点，能够制造高温下稳定的连接接头，可以对产品的焊接质量进行精确控制。激光焊接技术已经成功应用于真空中烧结的粉末冶金材料。据报道，Mieida激光应用中心开发了一种双激光束焊接方法。它用两束激光工作，一束激光承担工件的预热，另一束激光用于焊接。用这种双激光束焊接方法可以实现各种几何体的连接，并且不会降低原材料的强度和高温性能，焊接时间仅需数分钟。该方法可有效防止焊接过程中热影响区裂纹的产生，适用于Ti(C，N)基金属陶瓷与金属的焊接，但对工装夹具、配合精度及焊前准备工作要求较高，设备投资昂贵，运行成本较高，需要进一步提高其工艺重复性和可靠性。

　　3)电子束焊

　　电子束焊是一种利用高能密度的电子束轰击焊件使其局部加热和熔化而焊接起来的方法。真空电子束焊是金属陶瓷与金属焊接的有效焊接方法，它具有许多优点，由于是在真空条件下，能防止空气中的氧、氮等的污染；电子束经聚焦能形成很细小的直径，可小到Φ0.1～1.0mm的范围，其功率密度可提高到107～109W/cm2。因此电子束焊具有加热面积小、焊缝熔宽小、熔深大、焊接热影响区小等优点。但这种方法的缺点是设备复杂，对焊接工艺要求较严，生产成本较高。目前针对Ti(C，N)基金属陶瓷与金属的电子束焊接技术还处于实验阶段。

　　2钎焊

　　钎焊是把材料加热到适当的温度，同时应用钎料而使材料产生结合的一种焊接方法。钎焊方法通常按热源或加热方法来分类。目前具有工业应用价值的钎焊方法有：(1)火焰钎焊；(2)炉中钎焊；(3)感应钎焊；(4)电阻钎焊；(5)浸渍钎焊；(6)红外线钎焊。钎焊是Ti(C，N)基金属陶瓷与金属连接的一种主要焊接方法，钎焊接头的质量主要取决于选用合适的钎料和钎焊工艺。李先芬等对Ti(C，N)基金属陶瓷与45号钢采用铜基、银基钎料分别进行了火焰钎焊试验和在氩气保护炉中钎焊试验。火焰钎焊条件下，以H62为钎料的接头的平均剪切强度为37MPa，以BAg10CuZn为钎料的接头的剪切强度达114MPa，以BCuZnMn为钎料的接头的平均剪切强度49MPa；在氩气保护炉焊条件下，以H62为钎料的接头的平均剪切强度为37MPa，以Ag72Cu28为钎料的接头的平均剪切强度为51MPa。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。但由于接头界面处金属陶瓷中存在残余应力，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。张丽霞等采用AgCuZn钎料实现了TiC基金属陶瓷与铸铁的钎焊连接。近年来还利用非晶技术研制成功了新的含钛合金系，如CuTi、NiTi合金，可以直接用来钎焊陶瓷与金属，其接头的工作温度比用银铜钎料钎焊的要高得多。目前，金属陶瓷钎焊需要解决如何降低或消除界面处金属陶瓷中的残余应力和提高接头强度的问题。

　　3压焊

　　压焊时基体金属通常并不熔化，焊接温度低于金属的熔点，有的也加热至熔化状态，仍以固相结合而形成接头，所以可以减少高温对母材的有害影响，提高金属陶瓷与金属的焊接质量。

　　1)扩散焊

　　扩散焊是压焊的一种，它是指在相互接触的表面，在高温压力的作用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接过程。扩散焊包括没有中间层的扩散焊和有中间层的扩散焊，有中间层的扩散焊是普遍采用的方法。使用中间层合金可以降低焊接温度和压力，降低焊接接头中的总应力水平，从而改善接头的强度性能。另外，为降低接头应力，除采用多层中间层外，还可使用低模数的补偿中间层，这种中间层是由纤维金属所组成，实际上是一块烧结的纤维金属垫片，孔隙度可达90%，可有效降低金属与陶瓷焊接时产生的<

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