Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及其与45钢的钎焊接头组织及性能研究

摘要

Ti(C,N)基金属陶瓷具有优良的机械性能，通常应用于刀具、模具、耐磨工具等。但是由于其脆性较高，难以加工成形状复杂的零件，因此实现Ti(C,N)基金属陶瓷与金属的可靠连接具有重要的意义。由于钎焊具有接头强度高和工艺操作简单等优点，成为了连接陶瓷与钢最合适的方法。本文选用真空钎焊作为连接方法，来连接Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢。同时采用扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射、剪切强度测试仪和显微硬度测试仪等分析测试手段研究了在不同钎料体系下接头显微组织、元素分布、界面产物及接头强度。 本文首先在前人的研究基础之上优化设计了三种陶瓷组分，之后通过模压、烧结制备Ti(C,N)基金属陶瓷。其抗弯强度可以达到1900-2010MPa，硬度为88-90HRA。同时选择性能最佳的一组作为母材用于与45钢的真空钎焊。 本文首先使用活性钎料AgCuTi，真空钎焊连接陶瓷母材与45钢，获得了性能良好的接头。焊缝组织致密均匀，组元润湿良好，在两侧母材界面处形成了明显的扩散层。其微观组织由三个明显区域组成，即陶瓷侧反应层I、金属侧反应层Ⅱ和焊缝区域Ⅲ。通过EDS确定接头物相元素组成。反应层I主要为Cu与Ti反应生成的化合物及TiNi3组成。反应层Ⅱ主要由白色的Ag基固溶体和灰色的Cu基固溶体组成，同时在其中也存在少量的Cu-Ti化合物。反应层Ⅲ主要由FeTi和Fe2Ti组成。当保温时间为20min时，钎焊温度为920℃时，接头最大剪切强度达到203MPa。 在此基础之上，研究Mo粒子在AgCuTi钎料中的添加量对接头的影响。采用AgCuTi+Xwt.%Mo，其中X=4wt%；8wt%；12wt%；16wt%复合钎料，在最佳钎焊工艺条件下，获得可靠接头。发现随着Mo粒子含量在钎料中的同时随着Mo粒子含量的增加，陶瓷侧反应层厚度开始减少，同时接头组织中黑色的C u-Ti化合物开始增加。随着Mo粒子含量的上升，接头剪切强度也随之提高，在Mo粒子含量为8wt.%时，接头剪切强度达到峰值263MPa。当Mo粒子的添加量超过8wt.%时，接头剪切强度开始呈现下降趋势。同时Mo粒子在AgCuTi钎料中均匀分布，有助于接头焊缝区显微硬度的提高。因此Mo在钎料中的加入对接头强度的提升有显著地效果。 本文采用AgCuTi+Mo/Cu/Ag-Cu多层复合钎料真空钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷和45钢。研究结果表明，接头中形成了四个明显的区域，靠近陶瓷侧的反应区I，AgCuTi+Mo钎料区Ⅱ，以及铜箔中间层Ⅲ和AgCu钎料区IV。接头物相从陶瓷侧到金属侧依次为：Cu3Ti2+Ni3Ti；Ag(s.s)+Cu(s.s)+Mo+CuTi；Cu；Ag(s.s)+Cu(s.s)。在钎焊温度为920℃，保温时间为20min时，接头剪切强度达到峰值。中间层Cu箔的加入对接头强度的提升并没有明显的效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展及研究概况

1.2.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展

1.2.2 Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织结构

1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷与金属连接研究现状

1.3.1 Ti(C,N)基金属陶瓷钎焊研究现状

1.3.2 复合钎料连接陶瓷研究现状

1.4本课题研究的主要内容

第2章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 钎料的制备

2.3 实验设备

2.4 实验方法

2.4.1 Ti(C,N)基金属陶瓷性能测试

2.4.2 Ti(C,N)基金属陶瓷钎焊工艺

第3章Ti(C,N)基金属陶瓷组织和性能研究

3.1前言

3.2 试验结果及分析

3.2.1 Ti(C,N)基金属陶瓷微观组织

3.2.2 Ti(C,N)基金属陶瓷性能测试

3.3本章小结

第4章 粒子增强复合钎料真空钎焊Ti(C,N)基金属陶瓷与45钢

4.1前言

4.2 Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi/45钢真空钎焊接头微观组织

4.3 钎焊工艺对Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi/45钢真空钎焊接头微观组织和性能影响

4.3.1 钎焊温度对接头微观组织和性能影响

4.3.2 保温时间对接头微观组织和性能影响

4.4 Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi+Mo/45钢真空钎焊接头微观组织

4.5 Mo含量对Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi+Mo/45钢真空钎焊接头微观组织的影响

4.6 Mo含量对Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi+Mo/45钢真空钎焊接头力学性能的影响

4.7 Ti(C,N)基金属陶瓷/Ag-Cu-Ti+Mo/45钢钎焊接头形成机理

4.8 Ti(C,N)基金属陶瓷/45钢钎焊接头断口分析

4.9 本章小结

第5章 AgCuTi+Mo/Cu/Ag-Cu多层复合钎料真空钎焊

5.1前言

5.2 Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi+Mo/Cu/Ag-Cu/45钢真空钎焊接头微观组织

5.3 钎焊工艺对Ti(C,N)基金属陶瓷/AgCuTi/45钢真空钎焊接头微观组织和性能影响

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表的论文