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1、刚玉/Cr18-Ni8钢钎焊界面组织研究（陕西理工学院 材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业084班；陕西.汉中723003）指导老师： 摘要 ：先进结构陶瓷（刚玉）具有优异的高温力学性能，而金属材料具有良好的塑性及其可加工等性能，将两种材料连接起来可用于有特殊要求的场合，对先进结构陶瓷（刚玉SiC等）与金属材料（Cr18-Ni8钢）的钎焊连接工艺钎料接头性能等方面的研究进行了综述，并对陶瓷与金属钎焊链接技术的发展方向进行了展望。关键字 ：刚玉；Cr18-Ni8钢；钎焊；界面组织研究Interfacial microstructure of corundum / Cr18-Ni8 stee
2、l brazing（Grade08,Class04,Major material forming and control engineering，School of Materials Science and Engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi)Tutor: Abstract：Advanced structural ceramics possess good high-temperature mechanical properties, and metal materials ow
3、n good ductility and processability, etc. To weld the two materials could meet special needs, the recent development of the brazing joining technology of some typical advanced structural ceramics inclucting corundum, SiC,etc. and metal materials incluting Cr18-Ni8 alloy and the joint properties are
4、reviewed. Their development is viewed.Key words：Corundum; Cr18-Ni8 steel; Brazing; Interfacial microstructure目录中文摘要Abstract1引言11.1研究目的及意义11.1.1研究目的：11.1.2研究意义：21.2相关领域研究现状、发展趋势及应用领域21.2.1研究现状21.2.2发展趋势31.2.3应用领域42试验方法及设备42.1实验选用材料42.2实验方案42.3实验设备52.4实验材料53刚玉/Cr18-Ni8钢钎焊试样的制备53.1焊接工艺设计53.1.1钎焊接头的设计53
5、.2焊前的准备工作63.2.1工件表面处理63.2.2陶瓷表面金属化63.2.3 Cr18-Ni8钢表面处理103.2.4钎料的选择113.3钎剂的选择123.3.1钎剂123.3.2钎剂的作用133.3.3钎剂的选择结果134实验过程134.1钎焊试样制备的具体过程134.2金相试样制备145实验结果与分析及其改进措施145.1实验结果145.2结果分析155.3改进措施155.3.1焊接方法的改进155.3.2钎料的改进166结论16参考文献18致谢20第 20 页 共20页1引言随着现代科技的迅猛发展，机械设备零件对所用材料性能的要求越来越高，要求材料具有更高的耐磨性、抗蚀性和耐高温等性
6、能。磨损和腐蚀成为零件失效、能源损失的重要原因。当今工业社会近三分之一的能源消耗于磨损、腐蚀之中。零部件的破坏往往自表面开始，表面的局部破坏又导致整个零件失效。金属材料表层的物理化学性能对其许多重要性能，如硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗氧化性等都有决定性的作用。金属陶瓷涂层改变金属基体外表面的形貌、结构和化学组成，并赋予基体新的性能。金属与陶瓷材料各有其独特的优异性能和明显的性能弱点，如何把金属与陶瓷材料各自的性能优势结合起来，多年来一直是材料科学与工程界研究的重点方向之一。刚玉（Al2O3陶瓷）的熔点为 2045 , 具有高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性, 还有良好的抗氧化性和绝缘性能
7、, 因而在电力、电子、机械及化工工业中得到了广泛的应用。但刚玉（Al2O3陶瓷）塑性很差, 难以制成复杂的构件。只有将陶瓷与金属接合起来构成各种类型的复合件, 使其具有金属材料的高韧性, 又保持陶瓷材料的特殊性能, 才能进一步扩大陶瓷的应用范围。陶瓷与金属的连接方法很多, 在各种连接方法中,钎焊具有适应性强、技术简单、连接强度高、再现性好和生产成本相对低等优点, 是最具应用价值和发展前景的一种方法。本文采用化学镀方法使刚玉（Al2O3陶瓷）表面金属化, 然后通过辉光钎焊实现了刚玉（Al2O3陶瓷）与金属的连接。选用 Ni 作镀层材料, 通过适当控制镀层厚度和化学镀工艺, 可有效地改善陶瓷的钎焊
8、性能。采用常规钎料就可以进行陶瓷与金属的钎焊, 可获得良好的接头。采用扫描电镜分析刚玉/Cr18-Ni8钢界面的剪切断口形貌，探讨刚玉/Cr18-Ni8钢钎焊界面的断裂机制。1.1研究目的及意义1.1.1研究目的：现代科技迅猛发展，机械设备零件对所用材料性能的要求越来越高，要求材料具有更高的耐磨性、抗蚀性和耐高温等性能。磨损和腐蚀成为零件失效、能源损失的重要原因。当今工业社会近三分之一的能源消耗于磨损、腐蚀之中。零部件的破坏往往自表面开始，表面的局部破坏又导致整个零件失效。金属材料表层的物理化学性能对其许多重要性能，如硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗氧化性等都有决定性的作用。金属陶瓷涂层改变金
9、属基体外表面的形貌、结构和化学组成，并赋予基体新的性能。金属与陶瓷材料各有其独特的优异性能和明显的性能弱点，如何把金属与陶瓷材料各自的性能优势结合起来，多年来一直是材料科学与工程界研究的重点方向之一。1.1.2研究意义：新型结构陶瓷具有优异的耐高温、抗腐蚀及耐磨等性能，在航空、航天、军工及核能等尖端领域具有广阔的应用前景，但其塑性极差而难于制成大型或形状复杂的构件。解决这一问题的最好方法就是采用连接技术制造陶瓷与金属的复合构件，从而发挥陶瓷与金属各自的优良性能，并能降低生产成本。以机械性能为其主要性能要求的新型结构材料,是开发能源,开发太空和海洋,发展交通运输以及冶金和化工的基础,主要向着高强
10、、高韧性、高比刚度比强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀、抗辐照和耐磨、低磨损等方向发展。先进结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀以及重量轻等为主要性能特征而成为新型结构材料中的佼佼者。而新型结构陶瓷的广泛应用,又是以其成功的连接技术为前提,因此,结构陶瓷连接技术的研究与发展具有与陶瓷材料发展同等重要的地位。1.2相关领域研究现状、发展趋势及应用领域1.2.1研究现状先进结构陶瓷具有良好的高温力学性能、高硬度、高弹性模量、良好的耐磨性和低密度等，在航空航天、汽车、石油化工以及耐火材料等领域得到了广泛的应用，如火箭尾喷管的喷嘴、燃气轮机的叶片、刀具和轴承等方面。但由于陶瓷具有脆性而给其加工带
11、来一定难度，特别是大而复杂的构件很难进行加工。而金属材料，特别是一些高温合金，如钦合金、镍基合金等具有较高的强度、良好的韧性和可加工性等性能，但金属材料在高温条件下，其力学性能及抗氧化性能急剧下降。为了在不同条件下充分利用陶瓷材料和金属材料各自的优异性能，可以通过对它们加以连接来实现。关于陶瓷与金属材料的连接已经研制出很多方法，如胶粘剂连接、机械连接、扩散连接、超声波连接、等离子喷涂连接、物理和化学气相沉积连接和钎焊等。在上述方法中，钎焊具有对连接表面加工精度要求相对较低，可在无压力或小压力下进行焊接，接头形状尺寸适应性广，工艺成本相对较低等优点，因此，应用范围最广。有关刚玉/Cr18-Ni8
12、钢钎焊连接，由于陶瓷材料与金属材料化学键结构根本不同，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此，无论是与金属连接还是陶瓷自身的连接都存在不少的特点与难点。陶瓷的连接有两个主要问题需要解决，一是陶瓷与金属的润湿性问题；另一个是应力的缓解问题。对于前一问题可以通过陶瓷金属化或利用活性金属元素加以解决，对于后一问题，通常采用添加中间层的方法。中间层的选择依据有两种观点，一是采用塑性中间层，一是采用线膨胀系数与陶瓷相适应的中间层。目前钎焊与扩散连接方法被认为是陶瓷与金属连接最适宜的方法。钎焊钎焊是通过熔化的钎料润湿被连接材料而形成接头在连接过程中被连接母材可以保持不熔化,因此在连接性能差异较大的材料和对熔
13、化繁感的材料时有其独特的优点。对于先进结构陶瓷,钎焊是一种比较合适的方法。新发展的活性钎焊方法基本上都适用于各种陶瓷及陶瓷基复合材料的连接,比较成熟的银、铜、钛钎料更具有广泛的适用性,可以用于连接各种陶瓷及其复合材料。扩散焊扩散连接适用于各种陶瓷与各种金属的连接。其显著特点是接头质量稳定，连接强度高，接头高温性能和耐蚀性能好。1.2.2发展趋势低温条件下(500以下)陶瓷与金属的钎焊连接技术已经成熟，而在高温条件下(1 000以上)的钎焊连接技术还有待于进一步研究。提高陶瓷与金属钎焊接头在高温环境下的性能是今后研究的方向。为此，首先要开发新型高温钎料，如硅一钦、镍基和钻基等系列钎料;其次，TL
14、P或部分瞬间液相(Partial Transient Liquid Phase, PTLP)连接技术在陶瓷与金属材料连接领域的应用还有待于完善，特别是在较低温度下进行的连接;此外，复合增强和复合钎焊的方法也是提高接头性能的有效方法。陶瓷与金属材料钎焊的界面反应涉及到复杂的物理、化学、冶金等方面的问题，要实现对界面反应、组织结构等的有效控制，应该建立界面扩散和化学反应的数学模型，而这些工作又需要大量的物理、化学和冶金等基础研究成果作为支撑。目前，有关这一方面还缺乏系统的理论基础研究，关于界面生成物(如金属间化合物、金属氧化物等)的热力学数据和动力学数据有待于进一步补充和完善，这样才能为界面的相关
15、生成物的预测和反应过程动力学的研究提供可靠的理论依据。工程陶瓷由于具有优异的综合性能,在许多领域得到广泛应用,但其加工性能差,通常需要与金属组成复合结构。实现陶瓷与金属之间的可靠连接是推进陶瓷材料应用的关键,钎焊和扩散连接被认为是陶瓷/金属连接中较为适合的方法。近年来国内外陶瓷/金属钎焊和扩散连接技术领域的研究认为活性金属钎焊和部分瞬间液相连接发展比较成熟,部分瞬间液相连接充分结合了活性钎焊和固相扩散连接两者的优点,将成为未来陶瓷/金属连接的发展方向。1.2.3应用领域陶瓷与金属的连接技术是材料工程领域的热点研究课题，由于其具有优异的性能，在社会发展、经济建设和国防建设中占据极为重要的地位,也将随着材料科学的发展和新材料的不断出现而得到迅速的发展。2试验方法及设备2.1实验选用材料 本实验所选用的材料为刚玉、Cr18-Ni8钢、银条和铜条。2.2实验方案 (1)制备刚玉/ Cr18-Ni8钢钎焊试样； (2)制取金相试样；(3)在显微镜下观察拍照并分析；2.3实验设备(1)钎焊设备：感应式钎焊炉；(2)金相实验设备：型号为JSM-6390LV扫描电子显微镜；2.4实验材料刚玉片：直径为3cm厚度为2mm；Cr18-Ni8钢：33cm；钎料：铜基焊条和银基焊条。3刚玉/Cr1
