陶瓷与金属焊接技术

陶瓷与金属焊接技术

陶瓷与金属焊接技术

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ＷＣＣｏ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ＴｉＣＮｉＭｏ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ＴｉＣ

ＴｉＮ(或ＴｉＣＮ)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