Ag-Cu-Zn钎焊TiC金属陶瓷铸铁挺柱接头的有限元模拟

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1、http://www.paper.edu.cnTiC金属陶瓷/钢钎焊接头的界面结构和连接强度靖向萌,张丽霞,刘宏,冯吉才（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨150001）摘要本文采用Ag-Cu-Zn钎料对自蔓延高温合成的TiC金属陶瓷与中碳钢进行了真空钎焊连接，利用扫描电镜、电子探针、X射线衍射等分析手段对接头的微观组织和室温剪切强度进行了研究。结果表明，利用Ag-Cu-Zn钎料可以实现TiC金属陶瓷与中碳钢的连接；接头的界面结构为TiC金属陶瓷/(Cu,Ni)固溶体/Ag基固溶体+Cu基固溶体/(Cu,Ni)固溶体/(Cu,Ni

2、)+(Fe,Ni)/中碳钢；在连接温度为850℃保温10min的钎焊条件下，接头的剪切强度达到120.58MPa的最大值。关键词：TiC金属陶瓷；钢；真空钎焊；界面结构；接头强度中图法分类号：TG454文献标识码：A0前言利用自蔓延高温合成以及准热等静压方法（SHS/PHIP）制备的TiC金属陶瓷不但具有传统陶瓷材料的抗氧化、耐腐蚀、耐高温、较高的硬度和耐磨等性能，还具有较好的塑韧性。但该类陶瓷的可连接性很差，若能实现这种陶瓷与其它金属的连接，必将在航空、航天以及汽车等领域具有广阔的应用前景。[1-8][9,10][11]陶瓷有很多种连接方法如钎焊

3、、扩散焊和微波连接等，而TiC金属陶瓷连接的报道比较少，钎焊连接已成为金属陶瓷与金属连接的主要方法之一。本文采用BAg45CuZn钎料对TiC金属陶瓷与中碳钢进行了钎焊试验，对接头的界面结构和接头性能进行了研究。1试验材料和方法本文试验中所用的材料分别为TiC金属陶瓷和中碳钢，TiC金属陶瓷的成分为60%TiC和40%Ni(wt.%)，中碳钢的化学成分如表1所示。图1和图2为焊前的母材组织照片，图1为TiC金属陶瓷组织，其中黑色小块为TiC金属陶瓷颗粒，间隙中白色区域为基体Ni；图2为中碳钢的组织，其上分布着凸凹不平的片状珠光体和基体铁素体。钎料选

4、择的是BAg45CuZn（Ag:Cu:Zn=46:31:23,wt.%）箔片，厚度为120µm。实验前用电火花线切割的方法分别将TiC金属陶瓷和钢切成40mm×10mm×5mm试片。焊前用砂纸打磨试件和钎料表面，然后用丙酮擦洗去除油污，最后用酒精冲洗并吹干。由上至下按照TiC金属陶瓷→钎料→中碳钢的顺序装配好，放入真空加热炉（Centorr6-1650-15T）中。本试验采用电阻辐射加热方式进行真空钎焊，钎焊温度范围为750~1000-3℃，保温时间范围5~30min，真空度V=6.6×10Pa，升温速度Tr=30K/min，降温速度Td=20K/

5、min。采用电子扫描显微镜（SEM,S-4700）对接头界面形貌进行观察，并对局部区域进行能谱分析，从而判定是否有金属间化合物和固溶体生成。使用X射线衍射仪（XRD,国家杰出青年科学基金资助项目（50325517）高等学校博士学科点专项科研基金资助课题200202130091http://www.paper.edu.cnJDX-3530M）判定接头的反应产物，从而确定接头的界面组织和结构。利用电子万能试验机（INSTRONMODEL1186）进行剪切试验，对钎焊接头强度进行了评价。表1中碳钢的化学元素含量(wt.%)Table1Chemicalco

6、mpositionofmiddlecarbonsteel(wt.%)元素CSiMnCrPSAlFe含量0.430.340.410.100.030.061.57剩余图1TiC金属陶瓷的微观组织图2中碳钢的微观组织Figure1MicrostructureofnickelbasedTiCcermetFig.2Microstructureofmiddlecarbonsteel2结果与讨论2.1接头显微组织图3为连接温度850℃、连接时间20分钟的TiC金属陶瓷/AgCuZn/中碳钢接头界面形貌，其中左侧为TiC金属陶瓷，右侧为腐蚀后的中碳钢组织，中间是钎

7、料层组织。由图3可以看出：在钎料层中存在三个反应层，为了分析方便将靠近陶瓷侧的反应层称为A层，将中间区域称为B层，将靠近钢侧的反应层称为C层。为了定量的确定各区成分，又将TiC金属陶瓷与钎料的界面和钎料与钢的界面进行局部放大，然后从左至右依次进行能谱分析，如图4所示。TiCCermetAgCuZnSteelACB图3TiC金属陶瓷/AgCuZn/钢钎焊连接界面结构背散射电子像T=1123K,t=20分钟Fig.3Backscatteredelectron（BSE）imageofcross-sectionofTiCcermet/AgCuZn/stee

8、ljointbrazedat1123Kfor20min2http://www.paper.edu.cn由图4和表2的能谱结