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，
其剪切强度达到最大值135 MPa，高于Ag-Cu-Ti（约60 MPa）的两倍。当Ce含量超过0.5%后，抗剪强度开始随着Ce的增加进一步降低。然而，在Ce增至1%的时候，剪切强度为107MPa，增加了78%。
图9.Ag-Cu-Ti-0.5Ce钎料合金 图 10.Ce对Ag－Cu－Ti钎料合金与 与45C钢钎焊接头的拉伸曲线 钢基体钎焊接头的抗剪强度的影响
3讨论
随着稀土元素的加入，可以得到Ag-Cu-Ti钎料合金更均匀的微观结构如图5所示图。这由稀土元素的独特性能所致。作为大尺寸原子的活性元素，稀土元素的难溶于散装材料，但可以在晶界积累。众所周知，吸附现象在凝固过程中起着重要的作用且极大地影响着组织。Ag-Cu-Ti与Ag-Cu-Ti钎料0.25ce差热分析曲线分别如图11和12所示。可以看出，加上Ce后熔化温度变化并不大。然而，Ag-Cu-Ti钎料合金的DTA曲线有两个波谷，如图11所示，Ag-Cu-Ti-0.25ce钎料合金则有一波谷，如图12所示。不同Ce含量也可以观察到类似的现象，这表明，Ce可以降低Ag-Cu-Ti合金钎料的熔点，扩大过冷区域，加快组织细化。建议通过细化组织和增加硬点的传播分布来增加Ag-Cu-Ti钎料合金的显微硬度和Ag-Cu-Ti钎料与钢基体之间的抗剪强度。此外，填料凝固过程中增加少量Ce可能会强化固溶体。同时，在相边界稀土元素偏析可以降低晶界能和表面张力，扩大过冷区，这意味着Ag-Cu-Ti-Ce钎料合金能比Ag-Cu-Ti钎料合金保持更长的液态时间，均这些能提高钎料合金的润湿性。
然而，稀土元素也可能被氧化，材料表面的氧化物可能会增加表面张力和降低润湿性。因此，过多的加入稀土元素反而会降低效果，如图7所示。同时,过多的添加Ce的也可能导致金属间化合物的隔离和微观结构的分布不均匀。导致Ag-Cu-Ti填料合金的显微硬度和抗剪强度的下降,如图8和10所示
为了进一步研究Ce对CBN砂轮单层的钎焊性能，研究了Ce对Ag-Cu-Ti钎料合金和CBN晶粒界面的效果。同时，已采用添加了Ce的Ag-Cu-Ti钎料合金制