CN101439982A - 陶瓷-不锈钢的封接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷—不锈钢的封接工艺，该方法包括以下步骤：陶瓷片和不锈钢片的处理；粘结剂的配制；玻璃膏剂的制备；膏剂的涂敷；不锈钢片的氧化处理；封接。本发明的效果是该方法通过改进低温氧化物焊料法工艺使其适应于陶瓷—不锈钢的封接，从玻璃膏剂对95氧化铝瓷片和不锈钢片的浸润性和不锈钢片的氧化物膜的厚度对封接性能的影响以及封接件的界面情况，该方法具有较好的封接性和气密性以及封接强度，不锈钢表面适当厚度的氧化物膜对封接更为有利。

Description

陶瓷—不锈钢的封接工艺

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，特别是一种陶瓷—不锈钢的封接工艺。

背景技术

在今天功能陶瓷、工程陶瓷，高温结构陶瓷以及生物陶瓷等迅速发展的情况下，氧化铝陶瓷仍然有一席之地，目前还看不出有什么材料能大量代替它的可能性。特别是在真空开关、微波管、电力电子以及放电管管壳等应用领域中更是如此。

20多年来，高氧化铝瓷在配方和组分上没有太大的变化和改进，尽管近几年来，国内外一些专家在添加剂上作了些探讨，而且在性能上或烧结温度上也有所得益，但毕竟是有限的。

目前金属化温度有两种倾向，一是美、英、德国家多采用高温金属化，一般温度为1500—1550℃；一是日、韩等国家多采用低温金属化，一般温度为1300—1400℃，低温金属化的优点是节约能源，瓷件不容易变形，而且金属化温度和釉成熟温度比较好处理，而欧美国家则认为高温金属化会提高封接强度，从而采用高温釉或釉、金属化一次烧结的工艺路线。

目前常用的封接工艺是金属粉末法，这种封接法的封接质量较高，但封接成本很高、封接质量难以控制。低温氧化物焊料法一般常用于玻璃与玻璃的封接，若能通过改进其工艺使其适应于陶瓷—不锈钢的封接将是具有非常急需。由于高氧化铝瓷具有高机械强度，低高频损耗，高绝缘电阻和良好的热性能，特别是原料丰富、工艺成熟、价格低廉，所以应用领域十分宽广，市场前景依然看好。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷—不锈钢的封接工艺，其制备方法工艺简单，有利于实现对水环境污染状况的改善。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种陶瓷—不锈钢的封接工艺，该方法包括以下步骤：

(1)陶瓷片和不锈钢片的处理

配制清洗液：碳酸钠10g、磷酸三钠6g、OP乳化剂1.2g和水40ml；把陶瓷片和不锈钢片放入装有上述清洗液的烧杯中，在超声波清洗器中清洗30min，在70—80℃中浸泡10min；再用蒸馏水清洗陶瓷片3—5次，然后再用无水乙醇进行清洗，最后烘干，即将洗过的陶瓷片防入烘箱中在120℃下进行烘干；

(2)粘结剂的配制

将6％的乙基纤维素、94％的松油醇加热混合均匀，放入玻璃瓶中备用；

(3)玻璃膏剂的制备

将普通窗玻璃粉碎后在行星球磨机上进行湿磨，湿磨的条件为料：球：水＝1：2：1，湿磨后，在电热恒温鼓风干燥箱内进行干燥，温度为120℃，经过激光粒度分析仪分析玻璃粉的平均粒径为5μm以下，存放备用，用高温物性测定仪测定玻璃的熔融温度范围为680—790℃；将制备好的一定量的玻璃粉倒入玛瑙研钵中，缓慢加入上述粘结剂中，然后充分研磨均匀备用；

(4)膏剂的涂敷

用毛笔沾取上述玻璃膏剂，均匀地涂抹在上述陶瓷片表面，涂完后将瓷片放入烘箱中烘干，将温度控制在120℃左右，保持涂层表面质量，直到膏剂完全干透取出，在烘干后的陶瓷片表面再均匀涂一层上述玻璃膏剂，再烘干；

(5)不锈钢片的氧化处理

在封接前对上述清洗过的不锈钢片进行氧化处理，使其表面形成一层鼠灰色带金属光泽的氧化物膜，氧化方法是将不锈钢片放在不锈钢盒内，置于700℃的马弗炉内，保温10min-30min后，取出晃动空冷至室温；

(6)封接

将氧化处理的不锈钢片放在涂有玻璃膏剂的陶瓷片上，在其压一重物进行烧结；然后，升温到封接温度后保温，再随炉冷却。

本发明的效果是该方法通过改进低温氧化物焊料法工艺使其适应于陶瓷—不锈钢的封接，研究一种低成本、性能高的封接工艺。研究了玻璃釉料对95氧化铝瓷片和不锈钢片的浸润性，不锈钢片的氧化物膜的厚度对封接性能的影响以及封接件的界面情况。此玻璃釉料对改***具有较好的封接性，不锈钢表面适当厚度的氧化物膜对封接是有利。本实验以玻璃釉料为封接焊料，得到了有一定封接强度和气密性的封接件。

附图说明

图1为本发明的玻璃膏剂对陶瓷片的润湿情况；

图2为本发明的玻璃膏剂对不锈钢片的润湿情况；

图3为本发明的不锈钢片进行氧化处理的氧化表面情况；

图4为本发明的氧化层/玻璃膏剂/不锈钢的界面情况；

图5为本发明的封接件中玻璃膏剂层的能谱图。

具体实施方式

结合附图对本发明的陶瓷—不锈钢的封接工艺加以详细说明：

本发明的技术解决方案是提供一种陶瓷—不锈钢的封接工艺，该方法包括以下步骤：以95氧化铝陶瓷片和1Cr18Ni9Ti不锈钢片为例

(1)陶瓷片和不锈钢片的处理

把95氧化铝陶瓷片和1Cr18Ni9Ti不锈钢片放入装有清洗液的烧杯中，在超声波清洗器中清洗30min。清洗液的配方：碳酸钠10g，磷酸三钠6g，OP乳化剂1.2g，水40ml，在70—80℃中浸泡10min。再用蒸馏水清洗陶瓷片3—5次，然后再用无水乙醇进行清洗。最后烘干，即将洗过的陶瓷片防入烘箱中在120℃下进行烘干。

(2)粘结剂的配制

6％的乙基纤维素、94％的松油醇加热混合均匀放入玻璃瓶中备用。

(3)玻璃膏剂的制备

将普通窗玻璃粉碎后在行星球磨机上进行湿磨(料：球：水＝1：2：1)，湿磨后，在电热恒温鼓风干燥箱内进行干燥，温度120℃，经过激光粒度分析仪分析玻璃粉的平均粒径为5μm以下，存放备用。用高温物性测定仪测定玻璃的熔融温度范围为680—790℃。将制备好的一定量的玻璃粉倒入玛瑙研钵中，缓慢滴入粘结剂(可以适当加热再滴)，然后充分研磨均匀。

(4)膏剂的涂敷

用毛笔沾取玻璃膏剂，尽可能均匀地涂抹在95氧化铝陶瓷片表面，涂完后将瓷片放入烘箱中烘干(温度控制在120℃左右，注意不要触碰到涂层面)直到膏剂完全干透取出，备用。因为涂层厚度对封接质量有一定的影响，尤其是涂层太薄时，界面不完整，强度为降低，因此本实验涂两层，即在烘干后再均匀涂一层膏剂，再烘干。

(5)不锈钢片的氧化处理

在封接前必须对清洗过的不锈钢片进行氧化处理，使其表面形成一层鼠灰色带金属光泽的氧化物膜，氧化方法是将零件放在不锈钢盒内，置于700℃的马弗炉内，保温10min，20min，30min后，取出迅速晃动空冷至室温。

(6)封接

将不锈钢片放在涂有玻璃膏剂的瓷片上，在压一重物即可进行烧结。开始升温速度不宜太快，以保证低熔点玻璃膏中的松油醇、乙基纤维素缓慢充分挥发，然后，按一定的速度升温到低熔点玻璃的封接温度后保温一定时间，再随炉冷却。

1、玻璃膏剂对95Al₂O₃瓷片和1Cr18Ni9Ti不锈钢片的润湿性

为使封接工艺简单易行，封接强度高、气密性好，对玻璃焊料的一般基本要求是：能够在900℃以下的低温下熔融，以保证不锈钢件(热变形温度一般>1000℃)的精密尺寸和尽量降低封接的能耗；另一方面，玻璃釉料必须对瓷件和不锈钢件都具有润湿性这样，玻璃膏剂熔融液才能容易地流到各部件的间隙中去，在适当的冷却速度下形成致密的玻璃层。

制备玻璃膏剂的原料在高温下一般都会放出一定量的水分和气体，如果把原料混合直接进行封接，不仅不容易润湿陶瓷件和金属表面，而且玻璃膏剂层也容易形成气孔，导致封接强度的降低，因此一般都先制备玻璃碎粉，再球磨制成玻璃釉粉。本实验用的是普通的窗玻璃经球磨制成玻璃粉。以下是玻璃膏剂对95Al₂O₃瓷和1Cr18Ni9Ti不锈钢片的润湿情况。

从图1和图2可看出，此玻璃膏剂对95Al₂O₃瓷的润湿性非常好，而且粘结强度也非常高，而玻璃膏剂对预先经过氧化处理的1Cr18Ni9Ti不锈钢片的润湿性就较差，它们间的粘结强度也较低。这主要是因为玻璃膏剂与95Al₂O₃的化学成分非常接近，根据相似相容原理，在一定的温度内它们的成分之间会相互渗透，形成结合紧密的过渡层。而1Cr18Ni9Ti不锈钢片尽管经过了氧化处理，表面已附有一层以Fe₂O₃为主的金属氧化物膜，但氧化物膜薄，成分与玻璃釉料的成分也有一定的差别，因此它们间的相互渗透较差，润湿性较差，粘结强度较低。

2、氧化膜厚度对封接性能的影响

所谓氧化物是指金属在封接前的处理，在金属表面形成一层氧化物膜，玻璃金属的封接，主要是利用玻璃低价氧化物和玻璃熔封，因此对金属进行洁净后还要进行热处理，使金属表面形成一层氧化物而达到润湿的效果。

预热的金属表面会形成金属氧化物层，而金属基体的表面低价氧化物从化学键类型角度来看，它接近于金属，因此能与金属牢固地结合；而氧化程度较高的外表层氧化物的化学键与玻璃相似，故能与玻璃结合，因此，这一过度层对玻璃—金属封接至关重要。

表1  不锈钢氧化物处理的时间对封接性能的影响

 

不锈钢氧化物处理的时间(min)	10	20	30
				封接强度(MPa)	5.6	12	10
气密性	漏气较大	漏气最小	漏气较小

从表1可看出，当氧化膜太厚时，氧化膜就很容易全部溶解到玻璃体中，因而影响到强度和气密性；当氧化膜太薄时，这两者间的润湿性就会很差，不能形成良好的封接。

3、封接件界面的微观结构

从图3和图4可看出，在封接前后，氧化铝陶瓷没发生明显的变化，在陶瓷片与不锈钢片间有明显的封接层，但陶瓷片与氧化物玻璃膏剂间和不锈钢片与氧化物玻璃膏剂间的界面都有较好的相互渗透，界面较完整。因此强度和气密性都较好。从图5中可看出，在玻璃膏剂封接层的中间部位，还是保持玻璃的组分，不锈钢和陶瓷件中组分向玻璃膏剂层的渗透不明显。

Claims (1)

1、一种陶瓷—不锈钢的封接工艺，该方法包括以下步骤：

(1)陶瓷片和不锈钢片的处理

配制清洗液：碳酸钠10g、磷酸三钠6g、OP乳化剂1.2g和水40ml；把陶瓷片和不锈钢片放入装有上述清洗液的烧杯中，在超声波清洗器中清洗30min，在70—80℃中浸泡10min；再用蒸馏水清洗陶瓷片3—5次，然后再用无水乙醇进行清洗，最后烘干，即将洗过的陶瓷片防入烘箱中在120℃下进行烘干；

(2)粘结剂的配制

将6％的乙基纤维素、94％的松油醇加热混合均匀，放入玻璃瓶中备用；

(3)玻璃膏剂的制备

将普通窗玻璃粉碎后在行星球磨机上进行湿磨，湿磨的条件为料：球：水＝1：2：1，湿磨后，在电热恒温鼓风干燥箱内进行干燥，温度为120℃，经过激光粒度分析仪分析玻璃粉的平均粒径为5μm以下，存放备用，用高温物性测定仪测定玻璃的熔融温度范围为680—790℃；将制备好的一定量的玻璃粉倒入玛瑙研钵中，缓慢加入上述粘结剂中，然后充分研磨均匀备用；

(4)膏剂的涂敷

用毛笔沾取上述玻璃膏剂，均匀地涂抹在上述陶瓷片表面，涂完后将瓷片放入烘箱中烘干，将温度控制在120℃左右，保持涂层表面质量，直到膏剂完全干透取出，在烘干后的陶瓷片表面再均匀涂一层上述玻璃膏剂，再烘干；

(5)不锈钢片的氧化处理

在封接前对上述清洗过的不锈钢片进行氧化处理，使其表面形成一层鼠灰色带金属光泽的氧化物膜，氧化方法是将不锈钢片放在不锈钢盒内，置于700℃的马弗炉内，保温10min-30min后，取出晃动空冷至室温；

(6)封接

将氧化处理的不锈钢片放在涂有玻璃膏剂的陶瓷片上，在其压一重物进行烧结；然后，升温到封接温度后保温，再随炉冷却。

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