非金属材料焊接作业.doc
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1、 金属陶瓷与金属焊接技术的研究现状与展望 (陕西航空职业技术学院)焊接技术和自动化专业 学号:13 姓名:关小强7 2 材料导报 2 0 0 6年 8月第 2 O卷第 8期 金属陶瓷与金属焊接技术的研究现状与展望 叶大萌,熊惟皓, 徐华安 ( 华中科技大学模具技术国家重点实验室 , 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 Ti ( C, N) 基金属陶瓷与金属的焊接是 T i ( C, N) 基金属陶瓷材料得以发展和应用的关键技术之一。介绍 了T i ( C, N) 基金属陶瓷材料的特点和应用现状, 概述了金属陶瓷与金属焊接的技术方法和其研究进展, 展望了金属 陶瓷与金属焊接技术的应用前景。
2、关键词 T i ( C , N ) 基金属陶瓷 金属 焊接 C u r r e n t S t a t u s a n d De v e l o p me n t o f We l d i n g T e c h n i q u e o f Ce r me t Me t a l YE Da me n g,XI ONG W e i h a o,XU Hu a a n ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Di e a n d Mo u l d Te c h n o l o g y,Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o
3、f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ,Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ) Ab s t r a c t F o r t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f Ti ( C, N) 一 b a s e d c e r me t ,we l d i n g o f Ti ( C, N) 一 b a s e d c e r m e t me t a l i s o n e o f k e y t e c h n o l o g i e s I n t h i s p a
4、 p r ,t h e p e r f o r m a n c e a n d p r e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f Ti ( C, N) - b a s e d c e r - me t a r e s i mp l y i n t r o d u c e d,we l d i n g me t h o d s o f c e r m e t me t a l a n d i t s r e s e a r c h p r o g r e s s a r e s u mme d u p,a n d p o t e n t i
5、a l a p p l i c a t i o n o f t h e we l d i n g t e c h n o l o g y o f c e r m e t me t a l i s a l s o p oi n t e d o u t Ke y wo r d s Ti ( C, N) 一 b a s e d c e r m e t ,me t a l ,we l d i n g 0 前言 Ti ( C, N) 基金属陶瓷是一种颗粒型复合材料, 是在 T i C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
6、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 WC - C o 硬质合金 1 , 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 Al z ( ) 3 陶瓷刀具材料之间的空白L 2 2 。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
7、的意义l 3 j 。 我们研制的是添加 Ti N的Ti ( C, N) 基金属陶瓷。由于 T i C 比WC具有更高的硬度和耐磨性 , Ti N的加入可起到细化晶粒 的作用, 故 T i ( C, N) 基金属陶瓷可表现出比 WC基或 Ti C基硬 质合金更为优越的综合性能 4 。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 T i ( 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
8、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。 1 T i ( C, N) 基金属陶瓷性能特点和应用现状 Ti ( C, N) 基金属陶瓷是在 Ti C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: 成分 为 T i C - Ni -
9、Mo的Ti C基合金; 添加其它碳化物( 如 WC、 Ta C 等) 和金属( 如 C o ) 的强韧 Ti C基合金; 添加 Ti N的 T i C - Ti N ( 或 Ti C N) 基合金; 以 T i N为主要成分的 T i N基合金 。Ti ( C, N) 基金属陶瓷的性能特点如下 5 : ( 1 ) 高硬度, 一般可达 HR A 9 1 9 3 5 , 有些可达 HR A 9 4 9 5 , 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
10、氧化能力, 一般硬质合金月牙洼磨损开始产 生温度 为 8 5 0 9 0 0 , 而 T i ( C, N) 基 金属 陶瓷 为 1 1 0 0 1 2 0 0 , 高出 2 0 0 3 0 0 。T i C氧化形成的 T i ( ) 2有润滑作用 , 所以氧化程度较 WC基合金低约 1 O 。 ( 4 ) 有较高的耐热性, T i ( 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 1 1 O O 1 3 0 0 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 *国家自然科学基金( 编号: 5 0 0 7 4 0 1 4 ) ; 湖北
11、省 自然科学基金( 编号: 2 0 0 3 AB A0 9 2 ) 叶大萌: 男, 1 9 7 8年生, 硕士研究生 T e l : 0 2 7 8 7 5 5 6 2 4 7 E - ma i l : y e d a me n g 7 8 1 6 3 c o m 熊惟皓: 通讯联系人, 男, 1 9 5 1年生, 博士, 教授, 博士生导师 金属陶瓷与金属焊接技术的研究现状与展望 叶大萌等 7 3 2 0 0 4 0 0 m mi n 。 ( 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 Mo z 03 、 镍钼酸盐和氧化钛薄膜,
12、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 7 0 0 9 0 0 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 C o 、 T a 、 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, T i ( 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
13、都推出了商品牌号的含氮金属陶瓷l _ 6 。如日本三菱综合 材料公司开发的 NX 2 5 2 5牌号超细微粒金属陶瓷的硬度达到 9 2 2 HRA, 抗弯强度达 2 0 GP a , 兼具高硬度和高韧性l _ 7 j 。我国 在“ 八五” 期间也成功研制出多种牌号的 T i ( 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 8 。 2 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l _ 9 通过实验研究表明: 选用 焊接式连接刀
14、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 T i ( 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 了许多新方法和工艺, 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。 2 1 熔化焊 熔化焊是应用最广泛的焊接方法,
15、 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 T i ( 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。 2 1 1 电弧 焊 电弧焊是熔化焊中目前应用最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
16、 ( 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l _ l 。 2 1 2 激光焊 激光焊是特殊和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l _ 1 , 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n 。据报道, Mi t t we i d a 激光
17、应用 中心开发了一种双激光 束焊接方法_ 1 。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 T i ( C, N) 基金属陶瓷与金属的焊接, 但对工 装夹具、 配合精度和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 1 。 2 1 3 电子柬焊 电子束焊n 一 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
18、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 中0 1 1 0 mm 的范围 , 其功率密度可提高到 1 0 1 0 。 w c m 。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 较高口 。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 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
19、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n 。钎焊是 T i ( 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_ 1 。李先芬等 0 l 对 Ti ( C, N) 基金属陶瓷与 4 5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 H6 2 为钎料的接头的平均剪切 强度为 3 7 MP a , 以 B A g l
20、0 C u Z n为钎料 的接头的剪切强度达 1 1 4 MP a , 以 B Cu Z n Mn为钎料的接头的平均剪切强度 4 9 MP a ; 在氩气保护炉焊条件下, 以 H6 2为钎料的接头的平均剪切强度 为 3 7 MP a , 以 Ag 7 2 C u 2 8为钎 料的接 头的平 均剪切 强度 为 5 1 MP a 。通过观察和分析钎焊接头的结合情况和剪切试验, 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 A g Cu Z n 钎料实现了 T i C
21、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 C u - Ti 、 Ni - Ti 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 。 2 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。 2 3 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 7 4 材料导报 2 0 0
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