陶瓷垫片的焊接方法 内容来自于网络，由“深圳机械展（11 万㎡，1100 多家展商，超 10 万 观众）”收集整理！ 更多 cnc 加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机 器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D 打印、激光切割、 钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 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 显示出较 高的红硬性和强度，它在相同硬度时耐磨性高于 WC Co 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。我们国家金属钴 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大范围的应用，不仅可推动我们国家硬质合金材 料的升级换代，而且在提高国家 源保障程度方面也具备极其重大的意义。 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。 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、适用性很强，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 的单位体积内的包含的能量大，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。激光焊接技术已成 功应用于真空 烧结的粉末冶金材料。据报道，Mittweida 激光应用 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办法能够实 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。该方法可有很大效果预防焊接过程 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比较高，设备投 昂贵，运行成本比较高，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，对焊接工艺技术要求较严，生产所带来的成本较高。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 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根据选用合 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 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)基金属陶瓷具备比较好的钎焊性。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， 其接头的工作时候的温度比用银铜钎料钎焊的要高得多。目前，金属陶瓷钎 焊要解决怎么来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，焊接温度不高于金属的熔点，有的也 加热至熔化状态，仍以固相结合而形成接头，所以能减少高温对母 材的有害影响，提高金属陶瓷与金属的焊接质量。 1)扩散焊 扩散焊是压焊的一种，它是指在相互接触的表面，在高温压力的作 用下，被连接表面相互靠近，局部发生塑性变形，经一段时间后结合 层原子间相互扩散而形成整体的可靠连接过程。扩散焊包括没有 间 层的扩散焊和有 间层的扩散焊，有 间层的扩散焊是普遍采用的方 法。使用 间层合金能够更好的降低焊接温度和压力，降低焊接接头中的总 应力水平，从而改善接头的强度性能。另外，为降低接头应力，除采用 多层 间层外，还可使用低模数的补偿 间层，这种 间层是由纤维 金属所组成，其实就是一块烧结的纤维金属垫片，孔隙度最高可达 90%，可大大降低金属与陶瓷焊接时产生的应力。扩散焊的主要优点 是连接强度高，尺寸容易控制，适合于连接异种材料。关德慧等对金 属陶瓷刀刃与 40Cr 刀体的高温真空扩散焊接实验表明，金属陶瓷与 40Cr 焊接后，两种材料焊合相当好，再对 40Cr 进行调质处理，界面具 有相当高的强度，焊接界面的抗拉强度达 650MPa，剪切强度达到 550MPa。扩散焊主要的不足是扩散温度高、时间长且在真空下连接、 设备昂贵、成本高。近年来不断开发出了一些新的扩散焊接方法，如高 压电场下的扩散焊，该方法借助于高压电场(1000V 以上)及温度的共 同作用，使陶瓷内电介质电离，在与金属邻近的陶瓷材料内形成了一 薄层充满负离子的极化区。此外，由于材料表面的显微不平度，陶瓷 与金属间只有个别小点相接触，大部分地区形成微米级的间隙。集结 在微小间隙两侧的离子使这些地区的 电场急剧升高，此外加电场可增 加 3～4 个数量级。由于异性电荷相吸，使被连接的两种材料相邻界面 达到紧密接触(其间距小于原子间距)，随后借助于扩散作用，使金属 与陶瓷得以连接。 2)摩擦焊 摩擦焊是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相 对运动及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热，使接触面及其近区 达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊 接的一种压焊方法。摩擦焊大范围的使用在同类和异种金属的连接，对于不 同类材料陶瓷与金属连接的摩擦焊尚属起步阶段。 3)超声波焊 超声波焊是通过超声波振动和加压实现常温下金属与陶瓷接合的 一种有效方法。用此方法焊接铝与各类陶瓷均获得成功，而且接合时 间仅需几秒钟。由于此方法的接合能是利用超声波振动，结合面不需 要进行表面处理，设备较简单，缩短了焊接时间，其成本比钎焊法大 幅度降低。该方法应用于金属陶瓷与金属的焊接还有待于进一步研究。 4中性原子束照射法 中性原子束照射法利用中性原子束照射金属与陶瓷的接合面，使 接合面的原子“活化”。物质清洁的表面具有极佳的活性，然而物质表 面往往沾有污物或覆盖着一层极薄的氧化膜，使其活性降低。该方法 主要是对接合面照射氩等惰性气体的 1000～1800eV 的低能原子束， 从表面除去 20nm 左右的薄层，使表面活化，然后加压，利用表面优异 的反应度进行常温状态下接合，此方法可用于氮化硅等高强度陶瓷与 金属的接合。 5自蔓延高温合成焊接法 自蔓延高温合成(Self propagatingHigh temperatureSyn thesis，缩写 SHS)技术也称为燃烧合成(CombustionSynthe sis，缩写 CS)技术，是由 制造难熔化合物(碳化物、氮化物和硅化物)的方法发展而来的。在这 种方法中，首先在陶瓷与金属之间放置能够燃烧并放出大量生成热的 固体粉末，然后用电弧或辐射将粉末局部点燃而开始反应，并由反应 所放出的热量自发地推动反应继续向前发展，最终由反应所生成的产 物将陶瓷与金属牢固地连接在一起。该方法的显著特点是能耗低，生 产效率高，对母材的热影响作用小，通过设计成分梯度变化的焊缝来 连接异种材料，可以克服由于热线胀系数差异而造成的焊接残余应力。 但燃烧时可能产生气相反应和有害杂质的侵入，从而使接头产生气孔 和接头强度降低。因此，连接最好在保护气氛 进行，并对陶瓷与金 属的两端加压。日本的 Miyamo to 等首次利用 SHS 焊接技术，研究了 金属 Mo 与 TiB2 和 TiC 陶瓷的焊接，试验利用 Ti+B 或 Ti+C 粉末作 为反应原料，预压成坯后加在两个 Mo 片之间，利用石墨套通电发热 来引发反应，成功地获得了界面结合完整的焊接接头。何代华等采用 燃烧合成技术成功地制取了 TiB2 陶瓷/金属 Fe 试样，且焊接界面结合 良好， 间焊料层 Fe 的质量百分含量较高时，界面结合优于 Fe 质量 百分含量低的界面结合情况。孙德超等以 FGM 焊料(功能梯度材料)成 功实现了 SiC 陶瓷与 GH 4146 合金的 SHS 焊接。目前 SHS 机理研究 尚未成熟，设备开发和应用投资颇大，所以 SHS 焊接尚未工程化。 6液相过渡焊接法 液相过渡焊接(TransientLiquidPhase，缩写 TLP)是介于溶焊和压焊 之间的焊接方法。该技术综合了钎焊技术和扩散连接技术的优点，可 制备服役温度不低于连接温度的高温接头。TLP 连接技术的工艺 TLP 焊接与钎焊操作步骤相似，均需在待连接母材表面间放入熔点低于母 材的第三种材料(在 TLP 中常叫 间层 Interlayer ，在钎焊中常叫钎料 Fillermetal) ；然后加热、保温。但两者扩散的充分程度、凝固的方式和 最终所得接头的成分、组织的不连续程度都不同。与钎焊相比 TLP 焊 接具有如下优点：①TLP 接头在等温凝固完成后具有明显不同于母材 与填充金属的成分，并在一定情况下分辨不出最终显微组织中的填充 金属；②TLP 接头比一般硬钎焊接头的强度高；③TLP 接头的重熔温 度高于钎焊接头而耐高温性能好。上述优点决定了它可用于先进材料 的连接，在金属陶瓷与金属焊接技术中有着广阔的应用前景。段辉平 等采用 Ti Cu 和 Ti Ni 复合焊料，利用 TLP 连接技术成功地制备了无 焊接缺陷的 TiAl/IN718 合金接头。 综上所述，尽管适合于 Ti(C，N)基金属陶瓷与金属焊接的方法有 多种，但每种方法都有其自身的优缺点和局限性，如采用扩散焊焊接 的接头界面受限且易在接头形成有害复合碳化物(η相) ；钎焊存在结合 强度和使用温度较低等 问题；熔焊易产生脆性开裂且缺乏合适的焊接 材料。有些方法还处于实验研究阶段，一时还难以实用化。在选择焊 接方法时，要从实际出发，即从金属陶瓷与金属复合构件的使用上的要求 出发，确实保证连接质量及其稳定性，并力求降低生产所带来的成本。考虑 焊接及工艺等方面的因素，活性钎焊、扩散焊、部分瞬间液相连接、 SHS 焊接技术最有希望成为金属陶瓷与金属焊接工艺中重点开发的 研究项目。金属陶瓷与金属的焊接是一个全新的领域，内容新颖而又 异常丰富，今后随着该种材料的广泛应用和应用场景范围的逐步扩大，其 焊接技术方法和工艺的研究将成为国内外普遍关注而亟待解决的研 究课题。 内容来自于网络，由“深圳机械展（11 万㎡，1100 多家展商，超 10 万 观众）”收集整理！ 更多 cnc 加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机 器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D 打印、激光切割、 钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.

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