陶瓷与不锈钢的高温钎料及制备方法和钎焊工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及异种材料的连接，具体地说，是涉及一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的连接材料及钎焊工艺，属于焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]Si3N4陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀等独特性能，是一种很有前途的工程结构陶瓷材料，其主要应用在航空航天、国防军事、能源、电力等领域，在热机、耐磨部件以及热交换器等部件中广泛得到应用，但其脆性大、强度分散、加工困难等缺点，限制了它作为整体机构在工程中的应用。实现陶瓷与金属或陶瓷与陶瓷之间的可靠连接，扩展陶瓷的应用领域具有重要作用和意义。
[0003]陶瓷与金属的连接主要是活性钎焊和扩散焊。由于陶瓷和金属的物理化学性能存在较大差异，特别是两种材料间的热膨胀系数差别较大，接头在冷却过程中由于收缩不均匀造成较大的残余应力，使连接强度大大降低。严重则自行开裂，甚至成为结构损坏的直接或间接原因，由于金相组织的变化以及新生成的物相结构或化合物，可使焊接接头的性能恶化，接头力学性能较差，特别是脆性增大，室温强度降低。因此研制一种新的连接材料解决上述问题和工程实际应用问题，所以实现陶瓷与金属之间的可靠连接是Si3N4陶瓷得以广泛工业应用的重要前提和保证。
[0004]活性钎料的研宄与开发是发展陶瓷与金属或金属间化合物钎焊的一项重要内容。连接接头中的内应力问题，尤其是陶瓷和金属的接头中。由于陶瓷的脆性，因此在内应力作用下很易引起陶瓷的开裂，即使不开裂也会导致接头强度的明显下降。目前陶瓷的连接主要以Ag-Cu、Ag-Cu-Ti作为连接材料，但是其高温性能较差，大大限制了其使用范围，不能使陶瓷的优良性能充分得到发挥。对Si3N4陶瓷与不锈钢的钎焊能有效的提高钎焊接头的高温性能，其对钎焊连接材料的研宄具有重要理论和应用价值。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在Si3N4陶瓷与不锈钢连接所存在的残余应力过大、接头强度低等问题，本发明提供一种钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料。
[0006]本发明还提供了上述高温钎料的制备方法以及钎焊工艺。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明提供的一种钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料，所述钎料由以下重量百分比的组分组成:
Zr 12% ?15%，
Cu 14% ?18%，
Ni 12% ?14%，
V 6.0% ?10%，
Be 2.0% ?4.0%，Cr 3.0% ?5.0%，
Si 0.3% ?0.7%，
余量为Ti。
[0008]进一步地，所述纤料组分中每种组分的纯度为99.50%?99.90%。
[0009]优选地，所述钎料由以下重量百分比的组分组成:
13.5%Zr、
16%Cu、
13%N1、
8.0%V、
3.0%Be、
4.0%Cr、
0.5%Si，
其余为Ti。
[0010]进一步地，上述钎料采用真空熔炼及高真空甩带，将钎料制备成箔片状，厚度为
20-100 μπ?ο
[0011]本发明还提供了上述钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料的制备方法，
(1)按质量百分比称取海绵锆、铜块、镍颗粒、钒粉、铍粉、铬颗粒、海绵硅和海绵钛制得混合物；
(2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封，其中混合物与丙酮体积比为1: 10?20 ;
(3)对步骤(2)得到的装有悬浊液的容器在20?40°C条件下进行超声清洗，超声180?300s，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；
(4)将步骤(3)超声清洗后的混合物在室温到60°C的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；
(5)将混合物Zr、Cu、N1、V、Be、Cr、Si和Ti采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；
(6)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为l_2mm ；
(7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.SXKT1Pa,然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于3 X l(T4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至100_200mbar ；
(8)开启电机，使铜棍转速us=26-32m/s，开启高频电源电机，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，其熔喷温度T=1450-1550°C，保温过热熔体60_90s ；
(9 MfAr气气压调制P=25-65kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20?100 μ m，从而得到最终的钎料。
[0012]进一步地，所述步骤(5)中石英管喷嘴呈长方形，其长度为a=8_10mm宽度为b=0.4-1.0mnin
[0013]进一步地，所述步骤(8)中铜棍直径为230mm，铜棍宽度为45mm。
[0014]本发明还提供上述的钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料的钎焊工艺，包括以下步骤:
(I)准备阶段:先对待钎焊的Si3N4陶瓷和不锈钢试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，不锈钢用金相砂纸研磨，Si3N4陶瓷用不锈钢和金刚石研磨膏进行研磨，将Si3N4陶瓷、不锈钢及钎料箔带一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗10-15min ;
(2 )装配步骤:将清洗后的钎料箔带置于陶瓷与不锈钢待焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接上放置一小砝码，产生0.02-0.05MPa的恒定压力；
(3)钎焊连接:将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5X10-3Pa的钎焊设备中，首先以5-10°C /min的速率升温至500°C，保温30min，再以8_13°C /min的速率继续升温至钎焊温度850-950°C，保温时间15-45min，然后以5-8°C /min的速率冷却至300°C，随炉冷却至室温，取出被焊接即可
有益效果:本发明与现有技术相比较，所具有的优点和有益效果主要体现在以下几方面:
(I)采用本发明的钎料连接Si3N4陶瓷和不锈钢的钎焊工艺，通过真空钎焊连接，试样在加热过程中处于真空气氛中，不会出现氧化、污染等，其表面润湿铺展较好，有利于填充钎缝，提高接头强度，因而能获得稳定可靠的焊接接头。
[0015](2)本发明的钎料箔片，有利于加速高温连接过程中的原子扩散和界面反应，提高钎料的润湿能力，细化晶粒，减小接头中的残余应力，提高接头的力学性能和耐热性能。
[0016](3)本发明获得的钎料的制备方法，工艺简单，实施方便快捷，钎料的制备可重复再现，便于推广应用。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0018]实施例1:
Si3N4陶瓷与奥氏体不锈钢对接接头真空钎焊:Si 3N4陶瓷试样尺寸为20_X20_X5mm，奥氏体不锈钢为lCrl8Ni9Ti不锈钢，尺寸大小为20_X 20_X 5_，待纤焊面为20mm X 5mm截面。
[0019]钎料的成分及质量百分比配比为:Zr:12% ；Cu:14% ；N1:12% ；V:6.0% ；Be:2.0% ；Cr:3.0% ；Si:0.3% ;其余为Ti。钎料厚度为20 μm。
[0020]钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料的制备方法:
(1)按质量百分比称取海绵锆、铜块、镍颗粒、钒粉、铍粉、铬颗粒、海绵硅和海绵钛制得混合物；
(2)向装有混合物的容器中加入丙酮，搅拌得悬浊液，然后将容器密封，其中混合物与丙酮体积比为1:10 ；
(3)对步骤(2)得到的装有悬浊液的容器在20°C条件下进行超声清洗，超声180?300s，其中，超声清洗期间同时对混合物进行搅拌；
(4)将步骤(3)超声清洗后的混合物在室温到60°C的温度下烘干，得到混合干燥的混合物；
(5)将混合物Zr、Cu、N1、V、Be、Cr、Si和Ti采用真空熔炼的方法制备成急冷钎料的母合金，将该母合金粉碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内； (6)将石英玻璃管夹装在甩带机的感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为l_2mm ；
(7)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.SXKT1Pa,然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于3 X l(T4Pa，然后腔体充满高纯Ar气至10mbar ；
(8)开启电机，使铜棍转速us=26-32m/s，开启高频电源电机，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，其熔喷温度T=1450°C，保温过热熔体60s ；
(9)将Ar气气压调制P=25kPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到急冷钎料，厚度为20 μπι，从而得到最终的钎料。
[0021]钎焊工艺步骤为:
(O先将=Si3N4陶瓷与不锈钢的待焊接表面进行清理，除去表面的杂质、油污和氧化膜，ICrlSN1Ti不锈钢用金相砂纸研磨，Si3N4陶瓷用不锈钢和金刚石研磨膏进行研磨，将Si3N4陶瓷、lCrl8Ni9Ti不锈钢及钎料箔片一起置于纯丙酮中采用超声波方法清洗15min后烘干；
(2)将清洗后的钎料箔片置于Si3N4陶瓷与ICrlSN1Ti不锈钢待钎焊表面之间，并紧贴装配于钎焊夹具中，在焊接件上放置一小砝码，产生0.05MPa的恒定压力；
(3)将装配好的夹具整体置于真空度不低于1.5X 10?的钎焊设备中，首先以5°C /min的速率升温至500°C，保温30min，再以10°C /min的速率继续升温至钎焊温度850°C，保温时间45min，然后以5°C /min的速率冷却至300°C，随炉冷却至室温，取出被焊接即可。
[0022]结果:钎焊获得的Si3N4陶瓷与ICrlSN1Ti不锈钢接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，室温四点弯曲强度为165MPa。
[0023]实施例2:
Si3N4陶瓷与奥氏体不锈钢对接接头真空钎焊:Si 3N4陶瓷试样尺寸为20_X20_X5mm，奥氏体不锈钢为lCrl8Ni9Ti不锈钢，尺寸大小为20_X 20_X 5_，待纤焊面为20mm X 5mm截面。
[0024]钎料的成分及质量百分比配比为:Zr:15% ；Cu: 18% ；Ni: 14% ；V: 10% ；Be:4.0% ；Cr:5.0% ；Si:0.7% ;其余为 Ti。钎料厚度为 100 μπι。
[0025]钎焊Si3N4陶瓷与不锈钢的高温钎料的制备方法:
(1)按质量百分比称取海绵锆、铜块、镍颗粒、钒粉、铍粉、铬颗粒、海绵硅和海绵钛制得混合物；
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