专利名称：表面合金化陶瓷的应用方法
技术领域：
本发明表面合金化陶瓷的应用方法涉及陶瓷表面改性技术和复合材料制备
背景技术：
陶瓷材料具有许多优点，如耐高温、耐腐蚀、高硬度、耐磨损以及电绝缘性好等，因此，陶瓷材料得到了广泛应用。但由于陶瓷具有不可避免的缺点，如性脆、强度分散和加工性能差等，限制了陶瓷的进一步使用。将陶瓷表面合金化，形成表面合金化陶瓷是扬长避短扩大陶瓷应用的主要途径。因而，表面合金化陶瓷具有广阔的应用前景。
陶瓷表面金属化的最大困难是由于陶瓷材料与金属材料的键合机理不同，陶瓷材料是共价键，而金属材料是金属键，因此金属很难在陶瓷材料表面润湿铺展。因此也就产生了许多陶瓷表面金属化的方法，其中Mn-Mo法和气相沉积法是最常用的方法。Mn-Mo法是在复杂的烧结工艺过程中，将Mn和Mo粉末材料烧结在陶瓷表面，这样的金属化过程使陶瓷表面光洁度下降，性能降低；气相沉积金属化法的特点是陶瓷不经受高温，可保证零件的尺寸精度，金属化膜连续致密、导热性好，高频损耗小，强度高，但仅能沉积单一金属元素，所以只能称其为陶瓷表面金属化方法，此外由于没有活性元素的作用，金属层与陶瓷的结合强度较低。
基于活性元素钛与陶瓷化学反应的有利作用，本申请者曾进行过陶瓷表面的加弧辉光渗钛，但这样的方法仅使陶瓷表面实现了钛金属化，金属元素单一，适应性能较差，而且由于钛的亲氧能力较强，金属钛层容易被大气氧化，形成氧化膜不利于后续的应用过程。如在此基础上的陶瓷与金属的连接，由于陶瓷表面渗镀的钛层在钎焊过程中很难全部与钎料发生反应和混合，在陶瓷与金属连接接头的陶瓷侧保留了一层钛层，影响了钎料与陶瓷的润湿和反应，直接影响了陶瓷与金属的连接强度，接头中陶瓷侧大量的金属间化合物的存在使接头脆性增加，在残余应力作用下容易出现开裂。
因此为了进一步扩大陶瓷的应用范围，找出一种方便快捷的表面合金化陶瓷制备方法，是势在必行的。
发明内容
本发明表面合金化陶瓷的应用方法的目的是利用现有普通陶瓷来制备表面合金化陶瓷，普通陶瓷通过本发明所设计的复合靶和工艺方法后，使普通陶瓷表面渗镀一层含有活性金属钛、锆或铪和所需金属材料铁、铬、镍、锰、钼、铜、铝或银中的一种或一种以上的具有所需成分性能的合金层，表面合金化陶瓷在其表面具有导电、导热性等金属性能。在此基础上进一步利用表面合金化陶瓷，实现陶瓷与金属的高质量钎焊连接。
表面合金化陶瓷，其特征在于是一种利用复合靶在加弧辉光炉中对普通陶瓷表面进行合金化处理，使普通陶瓷表面渗镀一层含有活性金属钛、锆或铪和所需金属材料铁、铬、镍、锰、钼、铜、铝或银中的一种或一种以上的合金层，其表面具有导电、导热性金属性能的表面合金化陶瓷。
上述表面合金化陶瓷的制备方法，其特征在于利用本发明设计的复合靶，在加弧辉光炉中对普通陶瓷进行表面合金化，复合靶在电弧热的作用下蒸发或熔化，金属离子在高电场的作用下高速撞击在陶瓷表面，并经过扩散和化学冶金反应渗镀在陶瓷表面，陶瓷表面获得由这些金属元素组成的合金层，制备工艺参数为极限真空度小于6Pa，工作气压10～20Pa，工作介质氩气，辉光电压300～900V，电弧电流40～100A，渗镀时间10～50min，这种方法可实现多种类型表面合金化陶瓷和叠层复合材料的制备。
上述表面合金化陶瓷的制备方法，其特征在于所述的复合靶由活性金属钛、锆或铪和其它所需金属材料铁、铬、镍、锰、钼、铜、铝或银中的一种或几种按比例机械组合，从使用面积计算，金属钛、锆或铪所占的比例为10～40％，其它金属元素所占比例分别因合金成分不同而各异。
本发明一种表面合金化陶瓷的应用方法，其特征在于是一种表面合金化后的陶瓷与金属的连接方法，采用表面合金化陶瓷制备方法制成的Si3N4、ZrO2、Al2O3或SiC表面合金化陶瓷与铝箔、碳钢或表面合金化后的异种陶瓷进行连接，不需要钎剂，使用Ag-Cu钎料，其工艺参数为极限真空度小于6Pa，工作气压10～20Pa，辉光电压300～900V，钎焊温度750～900℃，保温时间5～15min，工作介质氩气，在加弧辉光炉中，实现Si3N4、ZrO2、Al2O3或SiC表面合金化陶瓷与金属的连接，其界面结合强度大于180MPa。
制备表面合金化陶瓷的目的就是为了与金属材料钎焊连接，在复合靶的选择上也可以特别考虑，如选择Cu和Ti二元复合靶或Ag、Cu和Ti三元复合靶，在陶瓷表面形成Cu-Ti二元合金或Ag-Cu-Ti三元合金，这两种材料本身就是很好的钎料，因而有利于表面合金化陶瓷/金属的钎焊连接。这样不仅节省钎料，而且可以在多种环境条件下(大气条件下)对其进行钎焊。
采用本制备方法也可对片状陶瓷两面进行表面合金化，可以形成双面合金化陶瓷。也可以把双面合金化陶瓷叠加并焊接在一起，形成叠层复合材料，如附5所示。
本制备方法与现有陶瓷金属化方法、陶瓷/金属钎焊方法相比具有以下优点1.有利于陶瓷表面的金属化和合金化，形成表面合金化陶瓷，进一步拓宽了陶瓷的应用范围。
2.避免了单一渗钛层阻碍和脆化影响，有利于合金层与陶瓷的化学反应，提高界面结合强度，降低了界面应力集中程度；3.复合渗镀合金层不易被大气氧化。
4.表面合金化陶瓷可以在较低的真空度条件下，甚至可以在大气环境中实现钎焊连接；利用普通钎料进行钎焊，可获得优良的焊接接头。
5.制备速度快，效率高。
四
图1为本发明表面合金化陶瓷及制备方法所用加弧辉光真空炉设备示意图。1为冷却循环水；2为阳极靶即复合靶；3是炉壁为夹套形式，内部通冷却水1；4为附加阴极，起加热保温作用；5为阴极台座；6为密封垫圈；7陶瓷工件；8为引弧钩，用于点燃电弧和维持电弧；9为电弧电源；10为辉光电源。
图2为本发明的表面合金化陶瓷及制备方法中采用的复合金属靶的结构剖面图。
图3为本发明的表面合金化陶瓷及制备方法中采用的复合金属靶的仰视图。根据所需合金化的组分不同，材料11、12、13、14可以为钛、锆或铪活性元素材料和铁、铜、镍、铬、锰、铝、钼等中的一种或一种以上，一般情况下，从经济角度考虑，最外圈为较便宜的材料，最内圈为贵重的材料。对于陶瓷材料而言，活性元素是不可少的，因为它们可以与陶瓷进行一定的化学反应。11、12、13、14材料所占比例按面积计算，因陶瓷材料不同和所需合金层组分不同而各异。
图4为本发明的钎焊方法示意图。15为表面合金化陶瓷，16为合金层，17为钎料，18为金属(或表面合金化陶瓷)。把表面合金化陶瓷15、钎料17和金属18组装好，放入辉光钎焊炉或真空炉中，然后按着上述规定的工艺参数进行钎焊连接。
图5为陶瓷/金属叠层复合材料。19为陶瓷；20为金属材料；五具体实施方式
实施方式1表面合金化Al2O3陶瓷的制备，目的用于表面导电。
陶瓷为Al2O3，复合靶采用钛、铜、铝三种组分，由外至内布置为铜、铝、钛材料，面积比例为30～40％、30～40％、20～40％。陶瓷表面合金化的工艺参数为极限真空度6Pa辉光电压600V电弧电流 60A渗镀时间30min工作介质 氩气Al2O3陶瓷表面合金层厚度为20μm，具有良好的导电性能。
实施方式2表面合金化陶瓷用于微连接陶瓷材料为Al2O3，金属为15μm后的铝箔，复合靶采用铝、钛两种成分，采用铝为外圈，钛为内圈，复合靶中铝、钛的面积比例为60～80％、20～40％。表面合金化陶瓷与金属及钎料放入真空炉中进行连接。
陶瓷表面合金化及其与金属的钎焊的工艺参数为极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 700V 电弧电流60A渗镀时间 50min钎焊温度500℃保温时间 10min工作介质氩气
Al2O3陶瓷表面渗合金层厚度为10～20μm，钎焊结果表明Al2O3陶瓷/金属铝箔接头无裂纹，整个结合面无不连接处，钎焊接头抗剪强度为100MPa。
实施方式3表面合金化陶瓷与金属的低真空钎焊，用于陶瓷/金属连接陶瓷材料为Si3N4，金属材料为碳钢Q235，复合靶采用铜、钛、铁三种成分，采用铜为外圈，钛铜为内圈，铜、钛、铁的面积比例为40～60％、20～40％、10～40％，表面合金化陶瓷与金属及Ag-Cu钎料放入真空炉中进行钎焊。
陶瓷表面合金化及其与金属的钎焊的工艺参数为极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 700V 电弧电流60A渗镀时间 50min钎焊温度850℃钎焊真空度5×10-2Pa保温时间10min工作介质 氩气陶瓷表面合金层厚度为30μm，钎焊接头质量良好，Si3N4陶瓷无裂纹，整个结合面无不连接处，钎焊接头抗剪强度为300MPa。
实施方式4Si3N4与ZrO2陶瓷表面合金化后的低真空钎焊陶瓷为Si3N4和ZrO2，Si3N4陶瓷表面合金化时复合靶采用铜、钛、镍三种元素，采用铜为外圈，镍为内圈，铜、钛、镍比例分别为40～60％、20～40％、10～40％，ZrO2陶瓷表面合金化时复合靶选用锆、铬、镍三种元素，锆、铬、镍分别占的比例为20～40％、40～60％、15～30％，表面合金化后的陶瓷钎料放入真空炉中进行钎焊。其工艺参数为极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 800V 电弧电流60A渗镀时间 40min钎焊温度930℃钎焊真空度0.5Pa保温时间10min工作介质 氩气陶瓷表面合金层厚度为30μm，钎焊结果获得性能良好的接头，Si3N4及ZrO2陶瓷接头无裂纹，整个结合面无不连接处，钎焊接头抗剪强度为230MPa。
实施方式5
Al2O3陶瓷表面合金化后与金属的加弧辉光钎焊陶瓷为Al2O3，金属为碳钢Q235B，复合靶采用钛、镍、铝三种成分，采用钛为外圈，钛、铁、铝分别占的比例为20～40％、20～40％、30～50％，合金化后的陶瓷与金属及钎料放入辉光炉中进行辉光钎焊。陶瓷表面合金化及其与金属的辉光钎焊的工艺参数为极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 600V 电弧电流60A渗镀时间 40min钎焊温度900℃保温时间 10min工作介质氩气陶瓷表面渗层厚度为35μm左右，钎焊结果获得性能良好的接头，Al2O3陶瓷无裂纹，整个结合面无不连接处，钎焊接头抗剪强度为210MPa。
实施方式6ZrO2陶瓷表面合金化后与金属在大气条件下钎焊陶瓷为ZrO2，金属为碳钢Q235B，复合靶采用锆、铁、镍三种成分，采用镍、为外圈，锆、铁、镍分别占的比例为20～40％、40～60％、15～20％，表面合金化后的陶瓷与金属在大气条件下进行钎焊。陶瓷表面合金化及其与金属的钎焊工艺参数为极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 700V 电弧电流60A渗镀时间 20min钎焊温度920℃保温时间 10min工作介质氩气陶瓷表面渗层厚度为30μm左右，钎焊结果获得性能良好的接头，ZrO2陶瓷无裂纹，整个结合面无不连接处，钎焊接头抗剪强度为180MPa。
实施方式7Al2O3陶瓷叠层材料制备陶瓷为片状Al2O3，复合靶采用钛、铜、铝、银四种成分，采用铜为外圈，钛、铜、铝、银分别占的比例为20～40％、40～60％、15～20％，5～10％对片状Al2O3双面表面合金化，然后把3片双面合金化陶瓷叠放在一起，在真空炉中进行钎焊。
陶瓷表面合金化及其与金属的钎焊工艺参数为
极限真空度6Pa 工作气压20Pa辉光电压 700V 电弧电流60A渗镀时间 20min钎焊温度920℃保温时间 10min工作介质氩气钎焊真空度0.5Pa陶瓷表面渗层厚度为40μm左右，结合面无不连接处。
权利要求
1.一种表面合金化陶瓷的应用方法，其特征在于是一种表面合金化后的陶瓷与金属的连接方法，采用表面合金化陶瓷制备方法制成的Si3N4、ZrO2、Al2O3或SiC表面合金化陶瓷与铝箔、碳钢或表面合金化后的异种陶瓷进行连接，不需要钎剂，使用Ag-Cu钎料，其工艺参数为极限真空度小于6Pa，工作气压10～20Pa，辉光电压300～900V，钎焊温度750～900℃，保温时间5～15min，工作介质氩气，在加弧辉光炉中，实现Si3N4、ZrO2、Al2O3或SiC表面合金化陶瓷与金属的连接，其界面结合强度大于180MPa。
全文摘要
一种表面合金化陶瓷的应用方法涉及到陶瓷表面改性技术和复合材料制备领域。其特征在于是利用本发明方法设计的复合靶，在加弧辉光炉中对普通陶瓷进行表面合金化，复合靶由活性金属钛(或锆、铪)和其它所需金属材料(如铁、铬、镍、锰、钼、铜、铝、银等)一种或几种按一定比例机械组合，复合靶在电弧热的作用下蒸发或熔化，金属离子在高电场的作用下高速撞击在陶瓷表面。其优点是渗镀速度快，结合强度高，合金层厚度可达100μm以上。这种方法可实现多种类型表面合金化陶瓷和层状复合材料的制备。
文档编号B23K35/30GK1919515SQ200610125848
公开日2007年2月28日 申请日期2004年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者王文先, 张红霞, 崔泽琴, 马丽莉 申请人:太原理工大学