何 虎,杜学铭,姚振华,彭军波
(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 ４３００７０)
摘 要:采用由 AgＧCuＧTi＋Mo钎料、铜箔和 AgＧCu钎料组成的多层复合钎料,对 Ti(C,N)基金属陶瓷和４５钢在不同温度(８９０,９２０,９５０ ℃)和不同时间(１０,２０,３０min)下进行了真空钎焊,根据接头截面形貌和剪切强度确定了最佳钎焊温度和保温时间,并分析了最佳工艺下钎焊接头的显微组织.结果表明:随钎焊温度的升高或保温时间的延长,AgＧCuＧTi＋Mo钎料与金属陶瓷间的界面反应层厚度增大,铜钛金属间化合物增多,两侧钎料区中的铜基固溶体增多,接头的剪切强度先增后降;最佳钎焊工艺为钎焊温度９２０ ℃、保温时间２０min,此时接头剪切强度最大,从金属陶瓷向４５钢,接头组织依次为 Cu３Ti２＋Ni３Ti金属间化合物,银基固溶体＋铜基固溶体＋钼＋铜钛金属间化合物,铜,银基固溶体＋铜基固溶体.
关键词:Ti(C,N)基金属陶瓷;含钼 AgＧCuＧTi钎料;铜中间层;多层复合钎料
中图分类号:TG４５４ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)１０Ｇ００１８Ｇ０６
０ 引 言
Ti(C,N)基金属陶瓷是在 TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的,因具有良好的高温强度、硬度、耐磨性、红硬性、化学稳定性以及耐腐蚀性能[１Ｇ２]而广泛应用于模具、机械加工及制造等方面.但金属陶瓷的可加工性和耐冲击性差,在制造形状复杂以及需承受冲击载荷作用的工器具时,通常需要与钢等金属材料进行连接[３].金属陶瓷与金属的连接方法有过渡液相连接、微波连接、自蔓延高温合成连接、钎焊、扩散焊等,其中,钎焊因具有操作工艺简单,所得接头强度高等优点而成为了金属陶瓷与金属连接的常用方法.但金属陶瓷和金属的钎焊连接仍存在以下问题:钎料在金属陶瓷表面的润湿性较差;金属陶瓷与金属的热膨胀系数和弹性模量均相差较大,导致接头存在较大残余应力[４].
AgＧCuＧTi活性钎料被广泛用于连接陶瓷与金属,但目前还未见用其连接 Ti(C,N)基金属陶瓷与金属的研究报道.活性钎料中的金属钛在钎焊过程中可以与 Ti(C,N)基金属陶瓷中的金属镍等发生反应,在界面处形成反应层,从而提高钎料对金属陶瓷的润湿性;活性钎料中含有的银、铜等塑性金属元素可以有效地降低接头中的残余应力.金属钼的热膨胀 系 数 较 低(５．１×１０－６ K－１ ),根 据 混 合 定 则(ROM),添加钼元素可以降低 AgＧCuＧTi钎料的热膨胀系数,从而降低钎料和金属陶瓷的热膨胀系数错配,最终降低接头残余应力[５];同时弥散分布在钎料中的钼颗粒可以起到第二相粒子增强作用,从而提高接 头 强 度.因 此,在 金 属 陶 瓷 侧 可 采 用 含 钼AgＧCuＧTi(AgＧCuＧTi＋Mo)钎料.AgＧCu钎料能够与金属实现良好的连接.吴铭方等[６]采用 AgＧCu钎料,同时以铜箔、镍箔为中间层材料对 Ti(C,N)基金属陶瓷与４５钢进行了钎焊试验,发现铜、镍中间层均能降低接头中的残余应力,且铜中间层的效果优于镍中间层的.因此,在金属侧可采用 AgＧCu钎料,并添加铜箔作为塑性中间层.综合考虑以上因素,作者以由 AgＧCuＧTi＋Mo钎料、铜箔、AgＧCu钎料组成的多层复合钎料真空钎焊 Ti(C,N)基金属陶瓷和４５钢,研究了钎焊温度和保温时间对接头截面形貌和剪切强度的影响,确定了最佳工艺参数,并对最佳工艺参数下钎焊接头的组织和成分进行了分析.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
母材 为Ti(C,N)基 金 属 陶 瓷 和４５钢 ,其 中 :Ti(C,N)基金属陶瓷为自制,所用原料为 TiC 粉、TiN 粉、镍粉、钼粉、WC 粉、石墨和 Cr３C２ 粉,参数见表１;４５钢由览毅金属材料有限公司提供.焊接材料为由 AgＧCuＧTi＋Mo钎料、铜箔、AgＧCu 钎料组成的 AgＧCuＧTi＋Mo/Cu/AgＧCu多层复合钎料,其中:AgＧCuＧTi＋Mo钎料和 AgＧCu钎料所用原料包括银粉、铜粉、钛粉和钼粉,参数也列于表１中;铜箔厚２００μm,纯度为９９．９９％,由东莞永宝铜业公司提供.
按照 TiC粉、TiN 粉、镍粉、钼粉、WC粉、石墨、Cr３C２ 粉的质量比为４０∶１０∶２５∶１１∶１２．２∶０．８∶１进行配料,在 QMＧISP型行星式球磨机上进行球磨混料,
球料质量比为７∶１,球磨转速为２２０r??min－１,球磨时间为４８h,球磨介质为无水乙醇;将球磨浆料烘干,过筛后,在３００MPa压力下单向模压成型;成型坯体置于 HZSＧ２B型真空烧结炉中烧结,烧结温度为１４３０℃,保温６０min,制备得到 Ti(C,N)基金属陶瓷.该金属陶瓷中没有明显的气孔存在,显微组织呈现典型的芯Ｇ环结构,芯部组织主要为烧结过程
中未溶解的 TiC、Ti(C,N)硬质相粒子,环部组织主要为(Ti,W,Mo)C或(Ti,W,Mo)(C,N)固溶体,黏结相为金属镍[７Ｇ８],如图１所示;使用 HRＧ１５０A 型洛氏硬度计和 UH６１０３型三点弯曲试验机测得其洛氏硬度为８８~９０HRA,抗弯强度为１８８０~２０５０MPa.
用线切割机将金属陶瓷和４５钢切割成尺寸分别为５mm×５ mm×５ mm 和２０ mm×１０ mm×４mm 的块状试样,用 ６００＃ ~１２００＃ SiC 砂 纸 依 次打磨待焊表面,用丙酮溶液超声清洗１５ min,酒精冲洗,吹干待用.
按照８６．４８(AgＧ２８Cu)Ｇ５．５２Ti＋８Mo,AgＧ２８Cu(质量分数/％)进行配料,分别在氩气气氛保护下在XGB４型行星式球磨机上进行球磨,球料质量比为７∶１,球磨转速为２００r??min－１,球磨时间２h;在球磨后的粉体中添加适量乙酸辛酯和硝化纤维(乙酸辛酯和硝化纤维体积比为４∶３,添加量为每克粉体１mL),制备得到膏状 AgＧCuＧTi＋Mo钎料和 AgＧCu钎料.如图２所示,将膏状 AgＧCu钎料均匀涂抹在４５钢待焊面上,再放置一层铜箔,再在铜箔上涂抹一层膏状 AgＧCuＧTi＋ Mo 钎 料,两 种 钎 料 的 厚 度 均 为１００μm,再与金属陶瓷的待焊面相连,在金属陶瓷上表面放置重物,施加０．０２ MPa的压力,以使钎料和母材充分接触.将上述结构的试样置于真空钎焊炉中进行钎焊,真空度为２．２×１０－２ Pa,钎焊温度为８９０~９５０ ℃,保温时间为１０~３０min.
１．２ 试验方法
垂直于焊缝方向切开钎焊接头,制备成标准金相试样,在JSMＧIT３００型扫描电子显微镜(SEM)上观察显 微 组 织,采 用 背 散 射 电 子 成 像,用 附 带 的Phoenix型能谱仪(EDS)进行微区成分分析.采用层磨法在接头 两 侧 界 面 处 取 样,使 用 D８ＧAdvance型 X射线衍射仪(XRD)分析物相组成.如图３所示,用自制剪切夹具将接头试样放置在夹具上,用Instron１１８６型电子万能试验机施加压力,压头下压速度为５mm??min－１,测试钎焊接头的剪切强度.
２ 试验结果与讨论
２．１ 优化工艺参数的确定
由图４可以看出:不同温度保温不同时间钎焊接头的组织均较为致密,无明显气孔存在;AgＧCuＧ
Ti＋Mo钎料和金属陶瓷之间形成了明显的界面反应层,实现了牢固的冶金结合,且随着钎焊温度的升高或保温时间的延长,界面反应层的厚度增大;AgＧCu钎料与４５钢界面处无明显反应层生成.界面反应层是由于在钎焊过程中,AgＧCuＧTi＋Mo钎料熔化,钎料中的钛原子向金属陶瓷界面处扩散并与金属陶瓷基体发生反应而形成的;钎焊温度的升高或保温时间的延长都有助于增强原子的扩散能力.此外,在钎焊过程中,AgＧCu钎料熔化形成银基固溶体和铜基固溶体,中间层铜箔中的铜原子向两侧钎料中扩散.随保温时间的延长,铜箔中的更多铜原子扩散到两侧钎料中,铜箔厚度逐渐降低;AgＧCuＧ
Ti＋Mo钎料区中由钛与铜原子反应生成的黑色铜钛金属间化合物增多;AgＧCu钎料区中由于铜原子增多而导致灰色的铜基固溶体增多.当钎焊温度为９２０ ℃、保温时间为２０min时,钎焊接头组织均匀,界面反应充分且铜中间层的厚度均匀,这种组织结构可以更好地降低接头中的残余应力.由图５可以看出,随钎焊温度的升高或钎焊时间的延长,钎焊接头的剪切强度均先增后降,当钎焊温度为９２０ ℃、保温时间为２０min时,剪切强度最大,为２６３MPa.
由截面形貌和剪切强度推测,采用 AgＧCuＧTi＋Mo/铜箔/AgＧCu多层复合钎料钎焊 Ti(C,N)基金属陶瓷和４５钢的最佳工艺为钎焊温度９２０℃、保温时间２０min.
图５ 钎焊接头的剪切强度随钎焊温度和保温时间的变化曲线
Fig.５ Shearstrengthvsbrazingtemperature a andholdingtime
bcurvesofbrazedjoint
由图６可以看出:在金属陶瓷侧存在厚度约为 ９μm 的界面反应层,AgＧCuＧTi＋Mo钎料区中出现 大量白色银基固溶体,同时也存在少量的铜基固溶 体和黑色金属间化合物;在４５钢与 AgＧCu钎料界 面处,以及 AgＧCu钎料与铜箔界面处均未出现明显 的反应层.