CN102357696A - 一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件及连接方法，其中间层组件依顺序由Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔和Ag-Cu钎料箔紧贴组成。本发明的连接方法是先将待连接的Si3N4陶瓷试样和中间层组件磨平、磨光和清洗；然后按Si3N4陶瓷、Ti、Ag-Cu、Ni、Ag-Cu、不锈钢的顺序紧接安装并置于真空炉中进行钎焊。本发明能缓解陶瓷与不锈钢接头残余应力，提高接头强度，工艺简单，实施方便。
Description
技术领域：
本发明涉及异种材料的连接，更具体地说，是涉及一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件及连接方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
结构陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐腐蚀等独特性能，但其脆性大、强度分散和加工困难等缺点，限制了它作为整体机构在工程中的应用。实现结构陶瓷与金属的连接，对扩展陶瓷的应用领域具有重要意义。
陶瓷与金属的连接主要是活性钎焊和扩散焊，此外还有部分瞬间液相连接和二次PTLP等新方法。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。
严重者自行开裂，甚至成为结构损坏的直接或间接原因，因此，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。
活性钎料的研究与开发是发展陶瓷/金属钎焊的一项重要内容。国内熊柏青、楚建新等研究表明添加中间层可有效控制残余热应力对Si3N4/金属钎焊接头性能的影响；翟阳、任家烈等使用非晶态合金作中间层扩散连接Si3N4与40Cr钢，但连接强度不高；何鹏、冯吉才、钱乙余等研究了Si3N4陶瓷与不锈钢材料扩散连接接头的残余应力的分布特征及中间层的作用，但接头强度较低。以上对Si3N4与金属的连接能有效减低接头残余应力，但均存在接头强度低而无法满足工程实际应用的要求。
发明内容：
技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，解决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，提供一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件及连接方法。本发明是使用Ag-Cu钎料箔、Ti箔、Ni箔作为复合中间层组件，在真空中钎焊连接。本发明能缓解陶瓷与不锈钢接头残余应力，提高接头强度。
技术方案：为了实现上述目的，本发明解决问题所采取的技术方案是：
一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件，依顺序由Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔和Ag-Cu钎料箔紧贴组成，其中，所述的Ti箔的纯度为99.8％以上，厚度为5-10μm的工业级产品；所述的Ag-Cu钎料箔按质量百分比含量由组分：Ag为72.0％，Cu为28.0％组成，厚度为100-150μm的工业级产品；所述的Ni箔的纯度为99.8％以上，厚度为600-800μm的工业级产品。
为了实现上述目的，本发明解决问题所采取的另一个技术方案是：
一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件的连接方法，包括如下步骤：
1、准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔和不锈钢用5号金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
2、装配步骤：将经磨光的Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔、不锈钢和经磨平的Si3N4陶瓷按Si3N4陶瓷、Ti、Ag-Cu、Ni、Ag-Cu、不锈钢的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.020-0.029MPa的压力；
3、连接阶段：将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以10-15K/min的速率升温至923K，保温30min；再以10-15K/min的速率升温至1113-1153K，保温10-30min；然后以6-10K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa；自然冷却至室温时开炉门取样。
上述所述不锈铜为1Cr18Ni9Ti。
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：
(1)由于Ti箔、Ag-Cu钎料箔对陶瓷表面的润湿性能好，所以陶瓷与不锈钢连接强度高。
(2)由于本发明中采用的中间层材料中Ni箔没有完全熔化，起到了梯度作用，缓解了接头中存在的内应力，接头不会出现开裂现象；
(3)本发明获得的Si3N4陶瓷与不锈钢接头性能稳定可重复再现；
(4)本发明工艺简单、实施方便、解决了陶瓷连接钎料的成型问题，与Ti-Zr-Ni-Cu、41Ni-34Cr-25Pd和Au-Ni-Cr-Fe-Mo等钎料相比成本低。
附图说明
图1为本发明的一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件的构造示意图。
图2为本发明的一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的工艺曲线图。
图1中：1.Si3N4陶瓷，2.Ti箔，3.Ag-Cu箔，4.Ni箔，5.不锈钢。
具体实施方式：
下面结合附图1和附图2，通过具体实施方式对本发明的一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件及连接方法作进一步详细说明。
实施例1：
一、中间层组件的选用：
1、Ti箔2的纯度为99.7％，厚度10μm；
2、Ag-Cu钎料箔3的组分和含量按质量百分比为：Ag：72.0％，Cu：28.0％，厚度为150μm；
3、Ni箔4的纯度为99.9％，厚度600μm。
二、连接步骤及方法：
(1)将待连接的Si3N4陶瓷1试样端面用3.5um金刚石研磨膏磨平，并将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4和不锈钢5用5号金相砂纸磨光。然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
(2)将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、不锈钢5和Si3N4陶瓷1按Si3N4陶瓷1、Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、Ag-Cu钎料箔3、不锈钢5的顺序紧贴安装在专用夹具中，如图1所示；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.029MPa的压力；
(3)将安装好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以10-15K/min的速率升温至923K，保温30min；再以10-15K/min的速率升温至1153K，保温30min；然后以6-10K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa，如图2所示；自然冷却至室温时开炉门取样。
本实施例采用的中间层组件连接Si3N4与不锈钢的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，接头室温四点弯曲强度为283MPa。
实施例2：
一、中间层组件的选用：
1、Ti箔2的纯度为99.7％，厚度5μm；
2、Ag-Cu钎料箔3的组分和含量按质量百分数比为：Ag：72.0％，Cu：28.0％，厚度为100μm；
3、Ni箔的纯度为99.7％，厚度800μm。
二、连接步骤及方法：
(1)将待连接的Si3N4陶瓷试样端面用3.5um金刚石研磨膏磨平，并将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4和不锈钢5用5号金相砂纸磨光；然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
(2)将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、不锈钢5和Si3N4陶瓷1按Si3N4陶瓷1、Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、Ag-Cu钎料箔3、不锈钢5的顺序紧贴安装在专用夹具中，如图1所示；同时在焊接件上放置一小砝码以产生0.020MPa的压力；
(3)将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以10-15K/min的速率升温至923K，保温30min；再以10-15K/min的速率升温至1113K，保温10min；然后以6-10K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa，如图2所示；自然冷却至室温时开炉门取样。
本实施例采用的中间层组件连接Si3N4与不锈钢的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，获得的接头其室温强度为267MPa。
实施例3：
一、中间层组件的选用：
1、Ti箔2的纯度为99.7％，厚度8μm；
2、Ag-Cu钎料箔3的组分和含量按质量百分比为：Ag：72.0％，Cu：28.0％，厚度为120μm；
3、Ni箔的纯度为99.7％，厚度600μm。
二、连接步骤及方法：
(1)将待连接的Si3N4陶瓷试样端面用3.5um金刚石研磨膏磨平，并将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4和不锈钢5用5号金相砂纸磨光；然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
(2)将Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、不锈钢5和Si3N4陶瓷1按Si3N4陶瓷1、Ti箔2、Ag-Cu钎料箔3、Ni箔4、Ag-Cu钎料箔3、不锈钢5的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在焊接件上放置一小砝码以产生0.027MPa的压力；
(3)将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以10-15K/min的速率升温至923K，保温30min；再以10-15K/min的速率升温至1133K，保温30min；然后以6-10K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa，如图2所示；自然冷却至室温时开炉门取样。
本实施例采用的中间层组件连接Si3N4与不锈钢的接头未出现由于残余应力导致的开裂现象，获得的接头其室温强度为273MPa。
Claims (6)
1.一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件，其特征在于：该中间层组件依顺序由Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔和Ag-Cu钎料箔紧贴组成。
2.根据权利要求1所述的连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件，其特征在于：所述的Ti箔的纯度为99.8％以上，厚度为5-10μm的工业级产品；
3.根据权利要求1所述的连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件，其特征在于：所述的Ag-Cu钎料箔按质量百分比含量由组分：Ag为72.0％，Cu为28.0％组成，厚度为100-150μm的工业级产品。
4.根据权利要求1所述的连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件，其特征在于：所述的Ni箔的纯度为99.8％以上，厚度为600-800μm的工业级产品。
5.一种如权利要求1所述的连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件的连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备阶段：先将待连接的Si3N4陶瓷试样端面用金刚石研磨膏磨平，再将Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔和不锈钢用5号金相砂纸磨光，然后一起置于丙酮中进行超声波清洗10分钟；
(2)装配步骤：将经磨光的Ti箔、Ag-Cu钎料箔、Ni箔、不锈钢和经磨平的Si3N4陶瓷按Si3N4陶瓷、Ti、Ag-Cu、Ni、Ag-Cu、不锈钢的顺序紧贴安装在专用夹具中；同时在待连接件上放置一小砝码以产生0.020-0.029MPa的压力；
(3)连接阶段：将装配好的专用夹具置于真空炉中进行钎焊，真空炉先以10-15K/min的速率升温至923K，保温30min；再以10-15K/min的速率升温至1113-1153K，保温10-30min；然后以6-10K/min的速率冷至873K；真空度小于10-3Pa；自然冷却至室温时开炉门取样。
6.根据权利要求5所述一种连接Si3N4陶瓷与不锈钢的中间层组件的连接方法，其特征在于，所述不锈钢为1Cr18Ni9Ti。
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