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陶瓷金屬化及焊接技術是金屬陶瓷材料發展應用的要點
作者:管理員    發布于:2013-09-06 01:08:07    文字:【】【】【

陶瓷金屬化的應用:陶瓷與金屬焊接的技術方法

在工業加工生產中,切削加工刀具的刀片與刀桿的連接方式有兩種:焊接式和機夾式。刀具的刀片和刀桿連接的好壞直接影響刀具的使用壽命。宋立秋等通過實驗研究表明:選用焊接式連接刀片和刀桿時,刀具耐用度高;選用機夾式時,刀具耐用度低。由于Ti(C,N)基金屬陶瓷屬于脆性材料,熔點比金屬高,其線膨脹系數與金屬相差較大,使得Ti(C,N)基金屬陶瓷刀片與刀桿焊后接頭中的殘余應力很高,加之與金屬的相容性較差,使得金屬陶瓷與金屬的焊接性較差,一般焊接方法和工藝很難獲得滿意的焊接接頭,目前,采用釬焊和擴散焊對金屬陶瓷與金屬進行連接已獲得成功。隨著研究的不斷深入,又出現了許多新方法及工藝,以下在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術方法的同時,指出其優缺點和研究方向。

  1 熔化焊

  熔化焊是應用最廣泛的焊接方法,該方法利用一定的熱源,使連接部位局部熔化成液體,然后再冷卻結晶成一體。焊接熱源有電弧、激光束和電子束等。目前Ti(C,N)基金屬陶瓷熔化焊主要存在以下兩個問題有待解決:一是隨著熔化溫度的升高,流動性降低,有可能促進基體和增強相之間化學反應(界面反應)的發生,降低了焊接接頭的強度;另一問題是缺乏專門研制的金屬陶瓷熔化焊填充材料。

  1) 電弧焊

  電弧焊是熔化焊中目前應用最廣泛的一種焊接方法。其優點是應用靈活、方便、適用性強,而且設備簡單。但該方法對陶瓷與金屬進行焊接時極易引起基體和增強相之間的化學反應(界面反應)。由于Ti(C,N)基金屬陶瓷具有導電性,可以直接焊接,對Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬電弧焊的試驗研究表明是可行的,但需要解決諸如界面反應、焊接缺陷(裂紋等)和焊接接頭強度低等問題。

  2) 激光焊

  激光焊是特殊及難焊材料焊接的一種重要焊接方法。由于激光束的能量密度大,因此激光焊具有熔深大、熔寬小、焊接熱影響區小、降低焊件焊接后的殘余應力和變形小的特點,能夠制造高溫下穩定的連接接頭,可以對產品的焊接質量進行精確控制。激光焊接技術已經成功應用于真空中燒結的粉末冶金材料。據報道,Mittweida激光應用中心開發了一種雙激光束焊接方法。它用兩束激光工作,一束激光承擔工件的預熱,另一束激光用于焊接。用這種雙激光束焊接方法可以實現各種幾何體的連接,并且不會降低原材料的強度和高溫性能,焊接時間僅需數分鐘。該方法可有效防止焊接過程中熱影響區裂紋的產生,適用于Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的焊接,但對工裝夾具、配合精度及焊前準備工作要求較高,設備投資昂貴,運行成本較高,需要進一步提高其工藝重復性和可靠性。

  3) 電子束焊

  電子束焊是一種利用高能密度的電子束轟擊焊件使其局部加熱和熔化而焊接起來的方法。真空電子束焊是金屬陶瓷與金屬焊接的有效焊接方法,它具有許多優點,由于是在真空條件下,能防止空氣中的氧、氮等的污染;電子束經聚焦能形成很細小的直徑,可小到Φ0.1~1.0mm的范圍,其功率密度可提高到107~109W/cm2。因此電子束焊具有加熱面積小、焊縫熔寬小、熔深大、焊接熱影響區小等優點。但這種方法的缺點是設備復雜,對焊接工藝要求較嚴,生產成本較高。目前針對Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的電子束焊接技術還處于實驗階段。

  2 釬焊
  
  釬焊是把材料加熱到適當的溫度,同時應用釬料而使材料產生結合的一種焊接方法。釬焊方法通常按熱源或加熱方法來分類。目前具有工業應用價值的釬焊方法有:(1)火焰釬焊;(2)爐中釬焊;(3)感應釬焊;(4)電阻釬焊;(5)浸漬釬焊;(6)紅外線釬焊。釬焊是Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬連接的一種主要焊接方法,釬焊接頭的質量主要取決于選用合適的釬料和釬焊工藝。李先芬等對Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼采用銅基、銀基釬料分別進行了火焰釬焊試驗和在氬氣保護爐中釬焊試驗?;鹧驸F焊條件下,以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa,以BAg10CuZn為釬料的接頭的剪切強度達114MPa,以BCuZnMn為釬料的接頭的平均剪切強度49MPa;在氬氣保護爐焊條件下,以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa,以Ag72Cu28為釬料的接頭的平均剪切強度為51MPa。通過觀察和分析釬焊接頭的結合情況及剪切試驗,表明Ti(C,N)基金屬陶瓷具有較好的釬焊性。但由于接頭界面處金屬陶瓷中存在殘余應力,導致剪切試驗時均斷在金屬陶瓷上,且釬焊接頭的剪切強度不高。張麗霞等采用AgCuZn釬料實現了TiC基金屬陶瓷與鑄鐵的釬焊連接。近年來還利用非晶技術研制成功了新的含鈦合金系,如Cu Ti、Ni Ti合金,可以直接用來釬焊陶瓷與金屬,其接頭的工作溫度比用銀銅釬料釬焊的要高得多。目前,金屬陶瓷釬焊需要解決如何降低或消除界面處金屬陶瓷中的殘余應力和提高接頭強度的問題。

  3 壓焊

  壓焊時基體金屬通常并不熔化,焊接溫度低于金屬的熔點,有的也加熱至熔化狀態,仍以固相結合而形成接頭,所以可以減少高溫對母材的有害影響,提高金屬陶瓷與金屬的焊接質量。

 
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