專利名稱：一種釬焊Si₃N₄陶瓷的高溫非晶釬料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于釬焊材料技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，更具體地說，是涉及一種Ti-Zr-Cu-B高溫活性非晶釬料。
背景技術(shù)：
Si3N4陶瓷是一種很有前途的工程結(jié)構(gòu)陶瓷材料，其主要應(yīng)用領(lǐng)域是熱機(jī)、耐磨部 件以及熱交換器等，是制造新型陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的重要材料。對它的研究和開發(fā)已引起人們的 高度關(guān)注。由于陶瓷的加工性能差、延性和沖擊韌度低、耐熱沖擊能力低以及制造尺寸大而 形狀復(fù)雜的零件較為困難等缺點(diǎn)，通常需要與金屬材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)來應(yīng)用或通過陶瓷之 間的連接來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的制造。因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷之間或陶瓷與金屬之間的可靠連接是高 性能結(jié)構(gòu)陶瓷得以廣泛工業(yè)應(yīng)用的重要前提和保證。近20年來，人們已對多種連接方法進(jìn)行了廣泛深入的研究，擴(kuò)散連接和活性釬焊 是兩種較為成功的連接方法?；钚遭F焊技術(shù)以其工藝簡單、連接強(qiáng)度高、結(jié)果重復(fù)性好、接 頭尺寸及形狀的適應(yīng)性廣、密封性能好、相對成本低、適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)而成 為金屬/陶瓷連接的首選技術(shù)。活性釬料的研發(fā)是發(fā)展陶瓷釬焊的一項(xiàng)重要內(nèi)容。經(jīng)驗(yàn)證的活性元素主要有Ti、 Zr、Hf、Nb、V、Ta、Al、B、Si等元素，其中最有效的是Ti，其次為&和Hf?；钚遭F焊的最大 缺點(diǎn)是高溫性能差，這主要是由活性釬料所決定的。如Ag基、Sn基、Al基等活性釬料由于 釬料熔點(diǎn)的限制，其接頭的使用溫度一般低于573K ；這顯然與Si3N4陶瓷的優(yōu)良高溫性能 不相適應(yīng)。而Cu基、Ni基釬料雖能提高釬料的高溫性能，但由于釬料中需加入大量的活 性元素Ti，使釬料脆性增大，室溫強(qiáng)度降低，更關(guān)鍵的是無法制成箔片狀使用，大大限制了 其實(shí)際應(yīng)用。因此，采用非晶制備技術(shù)開發(fā)實(shí)用高溫活性釬料箔對于陶瓷/陶瓷、陶瓷/ 金屬釬焊領(lǐng)域具有及其重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。目前國內(nèi)外報(bào)道的高溫非晶釬料主要是 Ti-Zr-Ni-Cu系，但合金元素Ti和Ni極易形成Ni-Ti脆性化合物，降低釬料中活性元素Ti 的活度，增大釬料和接頭的脆性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是為了解決目前釬焊Si3N4陶瓷的Ag-Cu-Ti釬料高溫性 能差和Ti-^-Ni-Cu系釬料脆性大、Ti的活度低等問題，提供一種釬焊Si3N4陶瓷的高溫非 晶釬料。本發(fā)明采用快速凝固技術(shù)制備的Ti-Zr-Cu-B非晶釬料連接Si3N4陶瓷，通過調(diào)整 釬料成分和釬焊工藝，大幅度提高Si3N4陶瓷接頭的室溫和高溫彎曲強(qiáng)度。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征 在于該釬料的組分及含量(按質(zhì)量百分比)為Ti :35.0 45.0% ；Zr:20 30% ；B 0. 1 0. 3% ；其余為Cu，總量為100%。上所述的Cu為電解銅塊，其純度在99. 9%以上；上所述的Ti為海綿鈦，其純度在99. 9%以上；
上所述的Ir為海綿鋯，其純度為99. 99% ；上所述的B為工業(yè)級(jí)銅硼合金，其中B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13. 45%。本發(fā)明的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，是按下述步驟和工藝制備的。(1)將電解銅塊(Cu)，海綿鈦(Ti)，海綿鋯(Zr)和銅硼合金原材料分別粉碎后，按照上述配方稱量原材料；(2)將按上述配方的配料置于WK型高真空Ar氣氛保護(hù)非自耗電弧爐中，電弧爐共 有5個(gè)銅坩堝，其中一個(gè)坩堝中放一塊純Ti試樣，其余四個(gè)坩堝可同時(shí)放四種同配方或不 同配方的配料；(3)熔煉前，爐內(nèi)先抽真空至10_2Pa，充氬氣洗爐3-4次后，抽真空至10_2Pa，再次 充氬氣至-0. 06MPa ；(4)正式熔煉前，反復(fù)熔煉一塊純Ti試樣，以進(jìn)一步去除氣氛中殘留的氧；(5)熔煉試樣時(shí)，為了使鑄態(tài)合金均勻，水冷銅坩堝內(nèi)的樣品在電磁攪拌作用下反 復(fù)熔煉3-4次，并使用攪拌棒翻轉(zhuǎn)試樣；(6)電弧熔煉后，對樣品進(jìn)行秤重，發(fā)現(xiàn)樣品的失重在0. 以內(nèi)，可以認(rèn)為合金 實(shí)際成分與名義成分基本一致，熔煉后的試樣即是制備非晶釬料的母合金；(7)將母合金粉碎后，裝入HVDS-II高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)。石英管噴 嘴呈長方形，其長度為a = 6-8mm;寬度b = 0. 5-lmm ；(8)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào) 整成bn = 0. 8-1. 5mm,以保證噴射在銅輥上的液體是平板流，而形成穩(wěn)定流狀態(tài)；(9)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至6. 5 X ICT1Pa,分子泵抽高真空至7. 5X10_4Pa， 然后腔體充滿高純Ar氣至100-200mbar ； (10)開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后， 其熔噴溫度τ = 1273-1573K，保溫過熱熔體0. 5 1分鐘；(11)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速Us = 32-40m/s (銅輥直徑為230mm，銅輥寬度為 40mm)；(12)將Ar氣壓力調(diào)至ρ = 48kPa，用高壓氬氣將石英玻璃管內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴 射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬由于受到急冷而成箔帶狀，從而得到本發(fā)明非晶 釬料。有益效果采用上述工藝制備的急冷釬料箔帶厚度為0. 040士0. 002mm,且表面光 潔，兩側(cè)平整，具有很好的塑韌性。該釬料的熔化溫度范圍為1100 1200K，釬焊溫度為1223 1373K，保溫時(shí)間為 10 60min。釬焊前，非晶箔帶釬料用800#金相砂紙磨平，將釬料和Si3N4陶瓷在丙酮溶液 中分別進(jìn)行超聲波清洗5 lOmin，取出吹干，并按Si3N4/釬料/Si3N4的順序裝配于釬焊 夾具中，放入真空爐中進(jìn)行釬焊。連接過程真空度不低于9. 5 X 10_3Pa，升溫速率為10°C/ min，完成連接后以8°C /min的冷卻速度降至600°C，最后隨爐冷卻至室溫。采用該非晶釬 料真空釬焊Si3N4陶瓷，其室溫強(qiáng)度最高達(dá)到245MPa ；高溫性能大大高于Ag-Cu-Ti釬料和 Ti-Zr-Ni-Cu系釬料。在測試溫度為673K時(shí)，接頭高溫彎曲強(qiáng)度為165. 5MPa。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)(1)采用快速凝固技術(shù)獲得的非晶高溫活性釬料箔和常規(guī)熔煉技術(shù)制備的釬料相比，有如下特點(diǎn)a)使用方便，成分可調(diào)整性強(qiáng)目前開發(fā)研究的用于陶瓷高溫釬焊的釬 料，多由活性元素Ti和Ni、Fe、Cr、Cu、Al等遷移性元素以及Si、B、P等非金屬元素所構(gòu)成， 這類合金都很脆，很難制成箔狀，往往用線切割等制成片狀或直接采用疊層狀，使用起來非 常不便，而且調(diào)整釬料成分也十分困難。而非晶型箔狀材料只需按設(shè)計(jì)成分配制好成分比 例的母合金在非晶態(tài)制取裝置上重熔，直接噴制而成，制成的釬料箔具有較好的柔韌性；b) 潤濕性好由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在接近熔化時(shí)，有析出晶體的傾向，故在熔化瞬間 會(huì)放出大量的熱。在這放熱反應(yīng)的影響下，釬料中的原子移動(dòng)加劇，從而提高了釬料的潤濕 能力；c)釬焊后接頭的耐熱溫度不降低由于非晶態(tài)箔一旦熔化，再冷凝時(shí)仍將生成通常 的合金結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此.釬接層不會(huì)像非晶型箔那樣，在較低溫度下熔化。因此非晶釬料箔 對于Si3N4陶瓷的高溫釬焊，具有重要的意義；d)提高釬焊接頭性能非晶態(tài)釬料化學(xué)成分 均勻，雜質(zhì)含量少，既無晶粒，又無共晶相析出，熔化均勻，合金元素的擴(kuò)散能力強(qiáng)，容易形 成均勻的釬縫。另外，非晶態(tài)釬料可使釬接間隙進(jìn)一步減小，熔化溫度范圍極窄，熔化時(shí)間 短，因而具有良好的瞬間流動(dòng)性，能充分發(fā)揮毛細(xì)吸附功能，從而可獲得釬接層致密的高強(qiáng) 度接頭。(2)活性元素Ti是Si3N4陶瓷釬焊所必須的，合金元素&作為活性元素其活性不 如Ti，但加入&可以大大提高合金的非晶形成能力。通過加入合金元素Cu改善釬料流動(dòng) 性和塑性，和Ti-&-Ni-Cu系釬料相比，由于沒有合金元素Ni，避免了 Ni-Ti脆性化合物的 形成，提高了合金元素Ti的活度，在相同的活性元素鈦含量下，Ti-&-Cu釬料在Si3N4陶瓷 上的潤濕性和室溫接頭強(qiáng)度要優(yōu)于Ti-&-Ni-Cu釬料。(3)釬料中加入的微量B可以進(jìn)一步提高釬料的潤濕性和高溫性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 組分配方釬料的組分和含量按質(zhì)量百分比為Ti為40. 0% ；Zr為25% ;B為 0.2% ；其余為Cu。制備方法(1)將電解銅塊(Cu)，海綿鈦(Ti)，海綿鋯(Zr)和銅硼合金等原材料粉碎后，在電 子天平上按照上述配方稱量原材料；(2)將按上述配方的配料置于WK型高真空Ar氣氛保護(hù)非自耗電弧爐中，電弧爐共 有5個(gè)銅坩堝，其中一個(gè)坩堝中放一塊純Ti試樣，其余四個(gè)坩堝可同時(shí)放四種同配方或不 同配方的配料；(3)熔煉前，爐內(nèi)先抽真空至10_2Pa，充氬氣洗爐3_4次后，抽真空至10_2Pa，再次 充氬氣至-0. 06MPa ；(4)正式熔煉前，反復(fù)熔煉一塊純Ti試樣，以進(jìn)一步去除氣氛中殘留的氧；(5)熔煉試樣時(shí)，為了使鑄態(tài)合金均勻，水冷銅坩堝內(nèi)的樣品在電磁攪拌作用下反 復(fù)熔煉3-4次，并使用攪拌棒翻轉(zhuǎn)試樣；(6)電弧熔煉后，對樣品進(jìn)行秤重，發(fā)現(xiàn)樣品的失重在0. 以內(nèi)，可以認(rèn)為合金 實(shí)際成分與名義成分基本一致，熔煉后的試樣即是制備非晶釬料的母合金；(7)將母合金粉碎后，裝入HVDS-II高真空單輥甩帶機(jī)的石英玻璃管內(nèi)。石英管噴嘴呈長方形，其長度為a = 6-8mm;寬度b = 0. 5-lmm ；(8)將石英玻璃管夾裝在甩帶機(jī)的感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào) 整成bn = 0. 8-1. 5mm,以保證噴射在銅輥上的液體是平板流，而形成穩(wěn)定流狀態(tài)；(9)關(guān)閉爐門，采用機(jī)械泵抽真空至6. 5X10’^分子泵抽高真空至7. 5X10_4Pa， 然后腔體充滿高純Ar氣至100-200mbar ；(10)開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后， 其熔噴溫度T = 1273-1573K，保溫過熱熔體0. 5 1分鐘；(11)開啟電機(jī)，使銅輥轉(zhuǎn)速us = 32-40m/s (銅輥直徑為230mm，銅輥寬度為 40mm)；(12)將Ar氣壓力調(diào)至p = 48kPa，用高壓氬氣將石英玻璃管內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴 射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬由于受到急冷而成箔帶狀，從而得到本發(fā)明非晶 釬料。該釬料的熔化溫度范圍為1125 1188K，采用該非晶釬料真空釬焊Si3N4陶瓷接 頭室溫彎曲強(qiáng)度為245MPa ；高溫彎曲強(qiáng)度為145MPa(673K)。實(shí)施例2 組分配方釬料的組分和含量按質(zhì)量百分比為Ti為35. 0% ；Zr為30% ;B為 0.3% ；其余為Cu。制備方法與實(shí)施例1制備方法相同。該釬料的熔化溫度范圍為1102 1130K，采用該非晶釬料真空釬焊Si3N4陶瓷接 頭室溫彎曲強(qiáng)度為184MPa ；高溫彎曲強(qiáng)度為123MPa(673K)。實(shí)施例3 組分配方釬料的組分和含量按質(zhì)量百分比為Ti為45. 0% ；Zr為20% ;B為 0. 1% ；其余為Cu。制備方法與實(shí)施例1制備方法相同。該釬料的熔化溫度范圍為1109 1139K，采用該非晶釬料真空釬焊Si3N4陶瓷接 頭室溫彎曲強(qiáng)度為201MPa ；高溫彎曲強(qiáng)度為136MPa(673K)。
權(quán)利要求
一種釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征在于該釬料的組分及含量(按質(zhì)量百分比)為Ti35.0～45.0％；Zr20～30％；B0.1～0.3％；其余為Cu，總量為100％。
2.如權(quán)利要求1所述的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征在于所述的Cu為電 解銅，其純度在99. 9%以上。
3.如權(quán)利要求1所述的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征在于所述的Ti為海 綿鈦，其純度在99. 9%以上。
4.如權(quán)利要求1所述的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征在于所述的ττ為海 綿鋯，其純度為99. 99%。
5.如權(quán)利要求1所述的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，其特征在于所述的B為工業(yè) 級(jí)的銅硼合金，其中B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13. 45%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料，屬于釬焊材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的釬焊Si3N4陶瓷的高溫非晶釬料的組分和含量按質(zhì)量百分比為Ti35.0～45.0％；Zr20～30％；B0.1～0.3％；其余為Cu。該釬料的熔化溫度范圍為1100～1200K，釬焊溫度為1223～1373K。采用快速凝固技術(shù)制備的Ti-Zr-Cu-B高溫活性非晶釬料真空釬焊Si3N4陶瓷，其室溫強(qiáng)度最高達(dá)245MPa；高溫性能大大高于Ag-Cu-Ti釬料和Ti-Zr-Ni-Cu釬料，在測試溫度為673K時(shí)，接頭高溫彎曲強(qiáng)度為165.5MPa。
文檔編號(hào)B23K35/24GK101823188SQ20101016749
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者汪成龍, 王超, 許祥平, 趙其章, 鄒家生 申請人:江蘇科技大學(xué)