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Ti(C,N)基金属陶瓷是具有高硬度、高耐磨性、优良高温性能的新型硬质合金,作为脆性材料,为充分发挥其高硬高耐磨性,研究其与钢等异种材料的连接具有重要意义。沉淀硬化型钢结合金不但具有可加工性、可锻造性等优点,而且能够避免普通硬质合金后续热处理过程中的变形及开裂问题。
本文采用镍基钎料成功实现了Ti(C,N)基金属陶瓷与17-4PH不锈钢的钎焊连接,研究了钎焊温度、钎缝厚度对接头微观结构和力学性能的影响;此外,本文探索了高性能沉淀硬化型钢结合金的制备工艺及增强相和添加剂对钢结合金微观结构、时效行为及力学性能的影响。主要研究结果如下:
采用镍基共晶钎料BNi-7对Ti(C,N)基金属陶瓷与17-4PH沉淀硬化不锈钢进行了真空钎焊连接。研究了钎焊温度和钎缝厚度对钎焊接头微观结构和力学性能的影响。BNi-7对金属陶瓷粘结相具有较强的溶解能力,这是熔点降低元素(磷)能够在金属陶瓷侧大范围分布、钎焊接头获得良好界面结合的主要原因。随温度升高,磷在金属陶瓷侧的分布区域逐渐扩大,在1100℃保温60 min、钎缝厚度为50μm的工艺下获得了最佳接头抗剪强度,其值为454 MPa。
采用镍基钎料BNi-2对Ti(C,N)基金属陶瓷与17-4PH沉淀硬化不锈钢进行了真空钎焊连接。B、Si等熔点降低元素在焊接接头中分布均匀化程度随钎焊温度的升高而提高。熔点降低元素在接头中均匀分布及母材与钎缝的界面互溶是获得良好接头强度的主要原因。在不同钎焊温度下,当钎缝厚度增加至50~60μm时,脆性相在钎缝中出现并随钎缝厚度的增加而增多。接头连接强度随温度升高而升高,在钎焊温度为1150℃、钎缝厚度为52μm时,接头抗剪强度获得最大值,其值为690 MPa。
研究了元素/合金粉末、普通/高能球磨混料、不同烧结温度对制备沉淀硬化型钢结合金微观结构和致密性的影响。采用元素粉末经普通/高能球磨后在1350℃、1390℃、1420℃和1440℃下烧结制备的不同质量分数(10%~40%)的TiC钢结合金的致密性均较差。采用合金粉末经普通/高能球磨后均成功制备出TiC分布均匀、完全致密化的TiC钢结合金。普通混料能够成功制备40%TiC钢结合金的烧结温度为1420℃,经高能球磨后,最低烧结温度降为1350℃。由于合金化程度不同,烧结过程中液相形成数量是决定所制备材料致密性的关键。
研究了Ti含量对钢结合金微观结构、时效行为及力学性能的影响。Ti的加入能够有效控制粘结相中的碳含量,避免了因大量碳化物形成对沉淀硬化的影响;当Ti添加量为1~2%时,能够有效地降低TiC颗粒的平均尺寸,提高其分布均匀性,TiC钢结合金的最大抗弯强度为1500 MPa;当Ti添加量为4%时,在粘结相及其与TiC界面处析出沉淀相而获得较好的沉淀硬化效果,但Ti过量添加导致形成液相较少,使得烧结致密性下降,出现大量孔隙和疏松,因而材料力学性能降低。