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铈对Ag-Cu-Ti钎料合金的显微组织、润湿性和力学性能的影响
杨长勇, 徐九华, 丁文锋, 陈珍珍， 傅玉灿
(南京航空航天大学精密与微细制造技术江苏省重点实验室, 南京 210016)
摘要：用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射研究铈对Ag-Cu-Ti钎料的显微组织、润湿性能和力学性能的影响。结果表明，铈的加入加速了填料合金的过冷区的增大，引起组织的细化和金属间化合物分布的分散。增加了Ag-Cu-Ti钎料合金的显微硬度与剪切强度。同时，提高Ag-Cu-Ti钎料合金在0.45%℃钢基体的润湿性。根据实验结果，铈在Ag-Cu-Ti合金钎料中的添加含量应控制在0.25%wt–0.5%wt的范围。 关键词：铈；显微组织；Ag-Cu-Ti合金；力学性能；稀土
Ag-Cu-Ti钎料合金是一种钎焊超硬磨料工具过程中使用最广泛的钎焊填料，引起相当大的关注，并取得了一定的成果[1-5]。但该钎料合金也有一些固有的缺点制约了钎焊工具的发展，如低硬度和较弱的剪切强度。因此，提高Ag-Cu-Ti合金钎料的钎焊性能来提高刀具的磨削性能是一个很好的解决方案。
稀土（RE）元素的表面活性对粉末冶金材料起着重要作用。据报道，稀土元素常常被用于改善微观结构,机械性能和润湿行为的各种填料合金[6-11]。同时，在烧结与电镀超硬工具时，加入稀土元素，如镧（La）、铈（Ce）等，能改进超细金刚石砂轮和金刚石工具的性能[12-13]。
考虑到综合属性，采用45钢作为立方氮化硼(CBN)的中心钎焊材料。Ag-Cu-Ti钎料合金之间的相互作用是在中心执行焊接的一个重要功能。当前工作的目的是研究Ce在高温钎焊时对Ag-Cu-Ti钎料合金的显微组织，力学和润湿性能的的影响。
1、实验
纯银、铜和纯度为99.9 %的钛作为原料,填料的组成为（Ag72Cu28)95Ti5。Ce在填料中的比例分别为0.25%，0.5%，0.75%和1%时，采用中频感应熔炼生产炉，然后用钢模浇注成直径为8毫米的一个棒。用差热分析仪DTA1700测量填充合金的熔化温度，DTA分析样品是一块约20毫克的填料，在温度范围为25~1000°C，Ar气氛下，加热速度10°C /分钟的条件下扫描。
填料合金的扩散性在VAF-20真空淬火炉中检测。45钢的尺寸为50毫米×50毫米×1毫米，如图1所示。在测试的过程中，使用质量为0.1克的填料合金小球，峰值温度为920oC。经过测试，用丙酮清洗样品后扫描到计算机，计算铺展面积。金相制备采用HF和HNO3的混合物进行蚀刻约2-5秒，并用KH-7700 3D显微镜
进行观察。用HXS-1000A显微硬度计测量显微硬度，条件为245mN试验力下保载15秒。由D / MAX 2500VL/PC衍射仪进行X射线衍射分析。
为了测试试样的拉伸性能，对45钢基材进行了如图 2所示的加工，然后在两个钢基体之间夹上约0.1mm厚度的填充合金层。在920℃下，VAF-20真空淬火炉进行钎焊5分钟。在室温下用CMT-SANA5105materials测试系统以1mm/ min的加载速率进行拉伸试验。
图1.扩展属性的实验传播样品图 图2.拉伸式样
2、结果与分析
2.1显微
图3显示了Ag-Cu-Ti填充合金的微观结构、XRD 和EDS分析，图4和表1所示的特殊点分别表明Ag-Cu-Ti填料的组织由树突(A点)、共晶(B点)和金属间化合物化合物(C点)包含Cu2Ti(点C),Cu4Ti3,AgTi3组成。不同Ce含量的Ag-Cu-Ti微观结构如图5所示。树突是银的固溶体，含有少量的铜和钛。晶粒细化在共晶间发生。此外,微观组织还包含了一些分离的、长条形状的金属间化合物。当Ce逐渐增加到0.5 %,微观结构变得更精细，与此同时长条形状的金属间化合物变短,且分布更均匀,如图5所示(a)和(b)。然而，随着Ce增加到1%，观察到长条状的金属间化合物不断增加且金属间化合物被隔离，从而导致填料合金组织的不均匀，如图所示图5（c）和（d）。
图3.Ag-Cu-Ti填充合金的微观结构 图4.Ag-Cu-Ti填充合金的XRD分析
表1.图3中特殊点成分分析
0.25 % 0.50 % 0.75 % 1.0%
图5.不同Ce含量下Ag-Cu-Ti钎料合金的微观结构
2.2润湿性
扩展属性反映了填充合金的润湿性，是一种与焊技术相关的重要性质，是 在某种环境下的基板。传播试验标本如图6所示。图7显示了Ag-Cu-Ti填料和不同Ce含量情况下传播范围的测试结果，这是每个填料合金三次试验平均值。Ag-Cu-Ti填充合金中增加Ce 至0.25 %时，传播面积显著增加,并观察到Ce增加到0.25 % 时最大值为。随着Ce进一步的 增加到1.0 %，观察到传播区域减少，这表明,最佳的润湿性大约在Ce为含量0.25 %阶段。 然而，虽然添加Ce到0.5％，扩展区大约为9平方厘米，仍然大于Ag-Cu-Ti钎料合金的铺展面积（约8.4平方厘米）。
(a)Ag-Cu-Ti; (b)Ag-Cu-Ti-0.25?
图 7.Ag-Cu-Ti-Ce钎料的铺展面积 2.3显微硬度
不同Ce含量下Ag-Cu-Ti填充合金的显微硬度如图8所示。可以看出，Ce含量的提高明显增加了Ag-Cu-Ti钎料合金的显微硬度。添加Ce的含量至0.25％，其显微硬度迅速增加至135，并且当Ce的含量增加至0.5％时，它几乎保持相同的值。进一步添加Ce后显微硬度有所降低。当Ce的含量增加至1.0％时硬度降低到100，但这仍然比Ag-Cu-Ti填料合金的硬度要高。
图8.不同Ce含量下Ag-Cu-Ti钎料合金的显微硬度
2.4剪切强度
填料和轮毂之间的钎焊接头对砂轮的剪切强度有显著性能影响，同样立方氮化硼填料也有影响。所以这是钎焊工具的钎料合金的一个重要特征。经过测试，得到的断口面积并扫描到电脑。然后，计算剪切强度。
图9表示的 Ag-Cu-Ti- 0.5Ce填料合金和45钢之间钎焊接合部的拉伸曲。Ce对钎焊接头的剪切强度的影响如图10所示。Ce的加入显著提高了Ag-Cu-Ti钎料接头的抗剪强度，提高了超过70%。当Ce的含量在0.25%至0.5%的范围内时，