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陶瓷金属化及焊接技术是金属陶瓷材料发展应用的要点
作者:管理员    发布于:2013-09-06 01:08:07    文字:【】【】【

陶瓷金属化的应用: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

  熔化焊是应用最广泛的焊接方法,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(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,Mittweida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Cu 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。

  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。

 
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