专利名称：钎焊氮化硅陶瓷的钎料及以该钎料连接氮化硅陶瓷的方法
技术领域：
本发明涉及一种钎焊材料和以该钎料连接氮化硅陶瓷的工艺，具体涉及一种应用于氮化硅陶瓷连接的钎焊材料和以该钎料连接氮化硅陶瓷的工艺。
背景技术：
现代工业的发展对材料性能的要求越来越苛刻，在很多场合下金属材料已经不能满足需求。以涡轮转子为例，随着转子长期工作温度的不断提高，最近几十年努力发展的高温合金不断遇到越来越多的问题。与之相比，陶瓷材料具有一系列优良的物理和化学性能，如良好的高温强度、高硬度和优良的耐腐蚀性。由于材料科学界对陶瓷材料日益活跃的研究，使陶瓷，尤其是对连接技术最重要的结构陶瓷，近年来性能有了很大提高，同时这方面工业化的步伐也逐步加快。可以预测，作为本世纪的一个重要工业部门，陶瓷材料的发展将在国民经济的发展和国家工业化中具有举足轻重的地位。
由于陶瓷材料的本征脆性、不可变形性和加工性能差，使得结构复杂的陶瓷零件的一些尖角处易于出现很大的应力集中。这种应力集中不能期望像金属材料那样通过局部塑性变形的方式加以转移和松弛，故大尺寸和结构复杂的陶瓷零件，采用连接技术是不可避免的。通过陶瓷连接工艺可以实现低成本制造形状复杂、多组分部件，同时还可以提高陶瓷结构的可靠性，这种技术还可用于破损陶瓷件的修复。因此陶瓷材料的连接问题成为近30年来材料连接领域的一个热点研究课题。
氮化硅陶瓷是典型的共价键结合的陶瓷，Si-N之间结合相当牢固，这导致氮化硅具有高的本征强度、硬度、良好的耐腐蚀、耐磨损性能、优良的高温力学性能和低的热膨胀系数，是结构陶瓷中最有应用前景的材料之一。它可以用作热机的关键部件，并且在制造内燃机和热交换器部件等方面具有广阔的应用前景，是制造新型陶瓷发动机的重要材料。例如NGK Spark PlugCompany和Nissan Motor Company尝试连接Si3N4/钢涡轮增压器转子作为商品，Si3N4涡轮增压器比传统的金属增压器轻40％，并能经受1000℃的高温。
目前对氮化硅陶瓷连接的研究，所采用的方法是广泛的，其中包括氧化物玻璃连接、扩散连接、瞬时液态连接和活性钎焊技术等，一些新型连接技术也被用于陶瓷连接的探索。在这些连接方法中，活性金属钎焊法由于操作工艺简单、连接强度高、接头尺寸和形状适应性广而显示出强大的生命力，成为近年来人们研究的热点课题。
自从二十世纪70年代发现Ag-Cu-Ti钎料对氮化硅陶瓷具有良好的润湿性以来，经过科学工作者的不断努力，已将这种钎料发展成为钎焊氮化硅陶瓷的比较成熟的钎料，国外已有批量生产和销售，国内目前也在小批量生产。该钎料与其它钎料相比，其最大优点是可以直接冷轧成钎料片，无论对于氧化物陶瓷还是非氧化物陶瓷都具有优良的润湿性，具有中等的连接强度。但这种钎料的缺点是由于Ag的抗氧化性能较差，导致构件使用温度低(400℃以下)；另外接头的强度不高，限制了氮化硅陶瓷优异性能的充分发挥。因此，为了开发高性能的氮化硅陶瓷连接件，研制具有良好的润湿性以及高的连接性能的新型活性钎料是当务之急。
氮化硅陶瓷连接件的连接强度偏低，连接质量不稳定一直是限制其应用的主要因素。目前，国内外对氮化硅活性钎焊的研究，主要集中于为满足不同的使用要求而研制不同的钎料配方及相应的钎焊工艺上，并取得了许多成果。例如为提高接头的连接强度，在铜-钛钎料中填加铌、钼、铬、镓、钴、钯等合金元素，目的在于改善钎料对于Si3N4陶瓷的润湿性，降低连接温度，防止在过高的连接温度下Si3N4陶瓷分解；通过对连接界面应力场的计算与分析，了解界面残余应力的分布特点，提出相应的缓解连接界面的残余应力的措施；利用高倍率的电子显微镜观察连接界面的微观结构，了解反应产物的生成规律和生长特征，控制界面反应物的种类、数量、尺寸和分布等，来提高氮化硅连接件的使用性能。
发明内容
本发明为了解决目前氮化硅陶瓷连接中存在的连接温度较高，连接强度偏低的问题，提供一种钎焊氮化硅陶瓷的钎料及以该钎料连接氮化硅陶瓷的方法，它利用Cu-Zn-Ti钎料连接氮化硅陶瓷，通过调整钎料成分和焊接工艺参数，获得性能良好的氮化硅陶瓷接头。本发明的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％，以该钎料连接氮化硅陶瓷的方法是这样实现的a、用金刚石砂轮盘将待焊Si3N4陶瓷试样的表面分别按照30μm、15μm、3μm的顺序机械研磨至表面光洁度为3μm；b、将研磨合格的Si3N4试样与钎料金属箔一同放入溶剂中用超声波清洗20～30min，所述钎料由下述组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％；c、用有机胶将试样以Si3N4/钎料/Si3N4的形式固定在一起，放入钎焊炉中，控制机械压力为2×10-3～3×10-3Mpa；d、当钎焊炉的真空度达到1.33×10-3～6.7×10-3Pa时，以20～30K/min的加热速率将试样加热到500～600K，在该温度保温10min；e、然后以30～40K/min的加热速度将试样加热到1123～1323K钎焊15～45min，试样随炉冷却。由于Zn是高蒸气压的金属，我们在选择钎料的添加方式时，不能分别使用Cu、Zn、Ti箔，而是选择黄铜箔(铜和锌的重量百分比为65∶35)和Ti箔，这是由于Zn的熔点很低，只有693K，当使用单独的Zn箔时，在温度远未达到钎焊温度之前，Zn箔已处于液态，加热达到钎焊温度时，Zn已经蒸发殆尽，不能在钎焊过程中发挥作用，从而失去了添加的意义。根据Cu-Ti相图可知，Cu-Ti合金的共晶成分是22at.％Ti，其共晶温度为1148K，黄铜的熔点约1100K(Cu-Zn相图)。因此当加热温度达到1100K时，黄铜首先熔化，随着温度继续提高，达到Cu-Ti合金共晶温度1148K，Ti向液态Cu-Zn合金中溶解，形成Cu-Zn-Ti钎料，Ti与陶瓷作用，在界面产生反应层，在陶瓷之间形成牢固的连接。Zn的加入降低了钎料的熔点，在相同的连接温度下，Cu-Zn-Ti钎料的流动性更好。另外由于Cu-Zn-Ti钎料的熔点低，所以在达到与使用其他钎料同样的钎焊温度时，Cu-Zn-Ti钎料在液相停留的时间更长。这些因素都有利于Ti、N和Si等元素的扩散，因此在相同的连接规范时，使用Cu-Zn-Ti钎料所形成的Ti5Si3更细小弥散，既起到强化钎缝金属固溶体的作用，又降低了大块反应物带来脆性的不利影响。本发明可以将小尺寸Si3N4陶瓷连接接头的室温剪切强度，由原来使用Cu-Ti钎料连接时的223MPa提高到275MPa，这是目前文献所发表的氮化硅陶瓷连接接头的最高剪切强度，将连接强度提高了20％，而连接温度降低了100K。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％。
具体实施例方式
二本实施方式的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 55.8at.％、Zn 29.2at.％、Ti 15at.％。
具体实施例方式
三本实施方式的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 62.4at.％、Zn 32.6at.％、Ti 5at.％。
具体实施例方式
四本实施方式的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 59.1at.％、Zn 30.9at.％、Ti 10at.％。
具体实施例方式
五本实施方式的钎焊氮化硅陶瓷的钎料由以下组分组成Cu 52.5at.％、Zn 27.5at.％、Ti 20at.％。
具体实施例方式
六本实施方式的以钎焊氮化硅陶瓷的钎料连接氮化硅陶瓷的方法是这样实现的a、用金刚石砂轮盘将待焊Si3N4陶瓷试样的表面分别按照30μm、15μm、3μm的顺序机械研磨至表面光洁度为3μm；b、将研磨合格的Si3N4试样与钎料金属箔一同放入丙酮中用超声波清洗20min，所述钎料由下述组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％；c、为防止试样在安放进炉的过程中倾倒，用有机胶将试样以Si3N4/钎料/Si3N4的三明治形式固定在一起，放入钎焊炉中，控制机械压力为2×10-3～3×10-3Mpa；d、当钎焊炉的真空度达到1.33×10-3～6.7×10-3Pa时，以20～30K/min的加热速率将试样加热到500～600K，在该温度保温10min，使固定试样的有机胶充分挥发；e、然后以30～40K/min的加热速度将试样加热到1123～1323K钎焊15～45min，试样随炉冷却。
具体实施例方式
七本实施方式以无压烧结氮化硅陶瓷材料为例，a、用金刚石砂轮盘将待焊Si3N4陶瓷试样的表面分别按照30μm、15μm、3μm的顺序机械研磨至表面光洁度为3μm；b、将研磨合格的Si3N4试样与钎料金属箔一同放入丙酮中用超声波清洗20min；c、为防止试样在安放进炉的过程中倾倒，用有机胶将试样以Si3N4/钎料/Si3N4的三明治形式固定在一起，放入钎焊炉中，控制机械压力为2×10-3Mpa；d、当钎焊炉的真空度达到1.33×10-3～6.7×10-3Pa时，以20～30K/min的加热速率将试样加热到575K，在该温度保温10min，使固定试样的有机胶充分挥发；e、然后以30～40K/min的加热速度将试样加热到1123～1323K钎焊15～45min，试样随炉冷却，钎焊后接头的剪切强度见表1
表1
权利要求
1.钎焊氮化硅陶瓷的钎料，其特征在于它由以下组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％。
2.根据权利要求1所述的钎焊氮化硅陶瓷的钎料，其特征在于它由以下组分组成Cu 55.8at.％、Zn 29.2at.％、Ti 15at.％。
3.根据权利要求1所述的钎焊氮化硅陶瓷的钎料，其特征在于它由以下组分组成Cu 62.4at.％、Zn 32.6at.％、Ti 5at.％。
4.根据权利要求1所述的钎焊氮化硅陶瓷的钎料，其特征在于它由以下组分组成Cu 59.1at.％、Zn 30.9at.％、Ti 10at.％。
5.根据权利要求1所述的钎焊氮化硅陶瓷的钎料，其特征在于它由以下组分组成Cu 52.5at.％、Zn 27.5at.％、Ti 20at.％。
6.用权利要求1所述的钎料连接氮化硅陶瓷的方法，其特征在于它是这样实现的a、用金刚石砂轮盘将待焊Si3N4陶瓷试样的表面分别按照30μm、15μm、3μm的顺序机械研磨至表面光洁度为3μm；b、将研磨合格的Si3N4试样与钎料金属箔一同放入溶剂中用超声波清洗20～30min，所述钎料由下述组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％；c、用有机胶将试样以Si3N4/钎料/Si3N4的形式固定在一起，放入钎焊炉中，控制机械压力为2×10-3～3×10-3Mpa；d、当钎焊炉的真空度达到1.33×10-3～6.7×10-3Pa时，以20～30K/min的加热速率将试样加热到500～600K，在该温度保温10min；e、然后以30～40K/min的加热速度将试样加热到1123～1323K钎焊15～45min，试样随炉冷却。
全文摘要
钎焊氮化硅陶瓷的钎料及以该钎料连接氮化硅陶瓷的方法，它涉及一种钎焊材料和以该钎料连接氮化硅陶瓷的工艺。本发明的钎料由以下组分组成Cu 52.5～62.4at.％、Zn 27.5～32.6at.％、Ti 5～20at.％，连接氮化硅陶瓷的方法为a.用金刚石砂轮盘将待焊Si
文档编号C04B37/00GK1609059SQ20041004396
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月22日 优先权日2004年10月22日
发明者张 杰, 周玉, 方洪渊, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学