何 虎,杜學(xué)銘,姚振華,彭軍波

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 ４３００７０)

摘 要:采用由 AgＧCuＧTi＋Mo釬料、銅箔和 AgＧCu釬料組成的多層復(fù)合釬料,對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷和４５鋼在不同溫度(８９０,９２０,９５０ ℃)和不同時(shí)間(１０,２０,３０min)下進(jìn)行了真空釬焊,根據(jù)接頭截面形貌和剪切強(qiáng)度確定了最佳釬焊溫度和保溫時(shí)間,并分析了最佳工藝下釬焊接頭的顯微組織.結(jié)果表明:隨釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng),AgＧCuＧTi＋Mo釬料與金屬陶瓷間的界面反應(yīng)層厚度增大,銅鈦金屬間化合物增多,兩側(cè)釬料區(qū)中的銅基固溶體增多,接頭的剪切強(qiáng)度先增后降;最佳釬焊工藝為釬焊溫度９２０ ℃、保溫時(shí)間２０min,此時(shí)接頭剪切強(qiáng)度最大,從金屬陶瓷向４５鋼,接頭組織依次為 Cu３Ti２＋Ni３Ti金屬間化合物,銀基固溶體＋銅基固溶體＋鉬＋銅鈦金屬間化合物,銅,銀基固溶體＋銅基固溶體.

關(guān)鍵詞:Ti(C,N)基金屬陶瓷;含鉬 AgＧCuＧTi釬料;銅中間層;多層復(fù)合釬料

中圖分類號(hào):TG４５４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)１０Ｇ００１８Ｇ０６

０ 引 言

Ti(C,N)基金屬陶瓷是在 TiC基金屬陶瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,因具有良好的高溫強(qiáng)度、硬度、耐磨性、紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐腐蝕性能[１Ｇ２]而廣泛應(yīng)用于模具、機(jī)械加工及制造等方面.但金屬陶瓷的可加工性和耐沖擊性差,在制造形狀復(fù)雜以及需承受沖擊載荷作用的工器具時(shí),通常需要與鋼等金屬材料進(jìn)行連接[３].金屬陶瓷與金屬的連接方法有過(guò)渡液相連接、微波連接、自蔓延高溫合成連接、釬焊、擴(kuò)散焊等,其中,釬焊因具有操作工藝簡(jiǎn)單,所得接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而成為了金屬陶瓷與金屬連接的常用方法.但金屬陶瓷和金屬的釬焊連接仍存在以下問(wèn)題:釬料在金屬陶瓷表面的潤(rùn)濕性較差;金屬陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)和彈性模量均相差較大,導(dǎo)致接頭存在較大殘余應(yīng)力[４].

AgＧCuＧTi活性釬料被廣泛用于連接陶瓷與金屬,但目前還未見(jiàn)用其連接 Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的研究報(bào)道.活性釬料中的金屬鈦在釬焊過(guò)程中可以與 Ti(C,N)基金屬陶瓷中的金屬鎳等發(fā)生反應(yīng),在界面處形成反應(yīng)層,從而提高釬料對(duì)金屬陶瓷的潤(rùn)濕性;活性釬料中含有的銀、銅等塑性金屬元素可以有效地降低接頭中的殘余應(yīng)力.金屬鉬的熱膨脹 系 數(shù) 較 低(５．１×１０－６ K－１ ),根 據(jù) 混 合 定 則(ROM),添加鉬元素可以降低 AgＧCuＧTi釬料的熱膨脹系數(shù),從而降低釬料和金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)錯(cuò)配,最終降低接頭殘余應(yīng)力[５];同時(shí)彌散分布在釬料中的鉬顆?？梢云鸬降诙嗔Ｗ釉鰪?qiáng)作用,從而提高接 頭 強(qiáng) 度.因 此,在 金 屬 陶 瓷 側(cè) 可 采 用 含 鉬AgＧCuＧTi(AgＧCuＧTi＋Mo)釬料.AgＧCu釬料能夠與金屬實(shí)現(xiàn)良好的連接.吳銘方等[６]采用 AgＧCu釬料,同時(shí)以銅箔、鎳箔為中間層材料對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷與４５鋼進(jìn)行了釬焊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)銅、鎳中間層均能降低接頭中的殘余應(yīng)力,且銅中間層的效果優(yōu)于鎳中間層的.因此,在金屬側(cè)可采用 AgＧCu釬料,并添加銅箔作為塑性中間層.綜合考慮以上因素,作者以由 AgＧCuＧTi＋Mo釬料、銅箔、AgＧCu釬料組成的多層復(fù)合釬料真空釬焊 Ti(C,N)基金屬陶瓷和４５鋼,研究了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)接頭截面形貌和剪切強(qiáng)度的影響,確定了最佳工藝參數(shù),并對(duì)最佳工藝參數(shù)下釬焊接頭的組織和成分進(jìn)行了分析.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

母材 為Ti(C,N)基 金 屬 陶 瓷 和４５鋼 ,其 中 :Ti(C,N)基金屬陶瓷為自制,所用原料為 TiC 粉、TiN 粉、鎳粉、鉬粉、WC 粉、石墨和 Cr３C２ 粉,參數(shù)見(jiàn)表１;４５鋼由覽毅金屬材料有限公司提供.焊接材料為由 AgＧCuＧTi＋Mo釬料、銅箔、AgＧCu 釬料組成的 AgＧCuＧTi＋Mo/Cu/AgＧCu多層復(fù)合釬料,其中:AgＧCuＧTi＋Mo釬料和 AgＧCu釬料所用原料包括銀粉、銅粉、鈦粉和鉬粉,參數(shù)也列于表１中;銅箔厚２００μm,純度為９９．９９％,由東莞永寶銅業(yè)公司提供.

按照 TiC粉、TiN 粉、鎳粉、鉬粉、WC粉、石墨、Cr３C２ 粉的質(zhì)量比為４０∶１０∶２５∶１１∶１２．２∶０．８∶１進(jìn)行配料,在 QMＧISP型行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混料,

球料質(zhì)量比為７∶１,球磨轉(zhuǎn)速為２２０r??min－１,球磨時(shí)間為４８h,球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇;將球磨漿料烘干,過(guò)篩后,在３００MPa壓力下單向模壓成型;成型坯體置于 HZSＧ２B型真空燒結(jié)爐中燒結(jié),燒結(jié)溫度為１４３０℃,保溫６０min,制備得到 Ti(C,N)基金屬陶瓷.該金屬陶瓷中沒(méi)有明顯的氣孔存在,顯微組織呈現(xiàn)典型的芯Ｇ環(huán)結(jié)構(gòu),芯部組織主要為燒結(jié)過(guò)程

中未溶解的 TiC、Ti(C,N)硬質(zhì)相粒子,環(huán)部組織主要為(Ti,W,Mo)C或(Ti,W,Mo)(C,N)固溶體,黏結(jié)相為金屬鎳[７Ｇ８],如圖１所示;使用 HRＧ１５０A 型洛氏硬度計(jì)和 UH６１０３型三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)測(cè)得其洛氏硬度為８８~９０HRA,抗彎強(qiáng)度為１８８０~２０５０MPa.

用線切割機(jī)將金屬陶瓷和４５鋼切割成尺寸分別為５mm×５ mm×５ mm 和２０ mm×１０ mm×４mm 的塊狀試樣,用 ６００＃ ~１２００＃ SiC 砂 紙 依 次打磨待焊表面,用丙酮溶液超聲清洗１５ min,酒精沖洗,吹干待用.

按照８６．４８(AgＧ２８Cu)Ｇ５．５２Ti＋８Mo,AgＧ２８Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)進(jìn)行配料,分別在氬氣氣氛保護(hù)下在XGB４型行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨,球料質(zhì)量比為７∶１,球磨轉(zhuǎn)速為２００r??min－１,球磨時(shí)間２h;在球磨后的粉體中添加適量乙酸辛酯和硝化纖維(乙酸辛酯和硝化纖維體積比為４∶３,添加量為每克粉體１mL),制備得到膏狀 AgＧCuＧTi＋Mo釬料和 AgＧCu釬料.如圖２所示,將膏狀 AgＧCu釬料均勻涂抹在４５鋼待焊面上,再放置一層銅箔,再在銅箔上涂抹一層膏狀 AgＧCuＧTi＋ Mo 釬 料,兩 種 釬 料 的 厚 度 均 為１００μm,再與金屬陶瓷的待焊面相連,在金屬陶瓷上表面放置重物,施加０．０２ MPa的壓力,以使釬料和母材充分接觸.將上述結(jié)構(gòu)的試樣置于真空釬焊爐中進(jìn)行釬焊,真空度為２．２×１０－２ Pa,釬焊溫度為８９０~９５０ ℃,保溫時(shí)間為１０~３０min.

１．２ 試驗(yàn)方法

垂直于焊縫方向切開(kāi)釬焊接頭,制備成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣,在JSMＧIT３００型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察顯 微 組 織,采 用 背 散 射 電 子 成 像,用 附 帶 的Phoenix型能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析.采用層磨法在接頭 兩 側(cè) 界 面 處 取 樣,使 用 D８ＧAdvance型 X射線衍射儀(XRD)分析物相組成.如圖３所示,用自制剪切夾具將接頭試樣放置在夾具上,用Instron１１８６型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加壓力,壓頭下壓速度為５mm??min－１,測(cè)試釬焊接頭的剪切強(qiáng)度.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 優(yōu)化工藝參數(shù)的確定

由圖４可以看出:不同溫度保溫不同時(shí)間釬焊接頭的組織均較為致密,無(wú)明顯氣孔存在;AgＧCuＧ

Ti＋Mo釬料和金屬陶瓷之間形成了明顯的界面反應(yīng)層,實(shí)現(xiàn)了牢固的冶金結(jié)合,且隨著釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng),界面反應(yīng)層的厚度增大;AgＧCu釬料與４５鋼界面處無(wú)明顯反應(yīng)層生成.界面反應(yīng)層是由于在釬焊過(guò)程中,AgＧCuＧTi＋Mo釬料熔化,釬料中的鈦原子向金屬陶瓷界面處擴(kuò)散并與金屬陶瓷基體發(fā)生反應(yīng)而形成的;釬焊溫度的升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)都有助于增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力.此外,在釬焊過(guò)程中,AgＧCu釬料熔化形成銀基固溶體和銅基固溶體,中間層銅箔中的銅原子向兩側(cè)釬料中擴(kuò)散.隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng),銅箔中的更多銅原子擴(kuò)散到兩側(cè)釬料中,銅箔厚度逐漸降低;AgＧCuＧ

Ti＋Mo釬料區(qū)中由鈦與銅原子反應(yīng)生成的黑色銅鈦金屬間化合物增多;AgＧCu釬料區(qū)中由于銅原子增多而導(dǎo)致灰色的銅基固溶體增多.當(dāng)釬焊溫度為９２０ ℃、保溫時(shí)間為２０min時(shí),釬焊接頭組織均勻,界面反應(yīng)充分且銅中間層的厚度均勻,這種組織結(jié)構(gòu)可以更好地降低接頭中的殘余應(yīng)力.由圖５可以看出,隨釬焊溫度的升高或釬焊時(shí)間的延長(zhǎng),釬焊接頭的剪切強(qiáng)度均先增后降,當(dāng)釬焊溫度為９２０ ℃、保溫時(shí)間為２０min時(shí),剪切強(qiáng)度最大,為２６３MPa.

由截面形貌和剪切強(qiáng)度推測(cè),采用 AgＧCuＧTi＋Mo/銅箔/AgＧCu多層復(fù)合釬料釬焊 Ti(C,N)基金屬陶瓷和４５鋼的最佳工藝為釬焊溫度９２０℃、保溫時(shí)間２０min.

圖５ 釬焊接頭的剪切強(qiáng)度隨釬焊溫度和保溫時(shí)間的變化曲線

Fig.５ Shearstrengthvsbrazingtemperature a andholdingtime

bcurvesofbrazedjoint

由圖６可以看出:在金屬陶瓷側(cè)存在厚度約為 ９μm 的界面反應(yīng)層,AgＧCuＧTi＋Mo釬料區(qū)中出現(xiàn) 大量白色銀基固溶體,同時(shí)也存在少量的銅基固溶 體和黑色金屬間化合物;在４５鋼與 AgＧCu釬料界 面處,以及 AgＧCu釬料與銅箔界面處均未出現(xiàn)明顯 的反應(yīng)層.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>2018年>10期> pp.18）