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陶瓷与金属焊接技术:金属陶瓷材料发展应用的关键
 
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TiC Ni Mo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。
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