CN101920364B

CN101920364B - 通过反应钎焊进行装配的方法和使用该方法装配的真空盒体

Info

Publication number: CN101920364B
Application number: CN201010207238.3A
Authority: CN
Inventors: 玛丽-弗朗索瓦·德维斯梅斯; 多米尼克·玛祖齐; 汉斯·谢里肯斯; 奥尔加·科兹洛瓦
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2011051015A; EP2390037A1; EP2263820B1; US20100316885A1; CN101920364A; EP2263820A1; RU2536840C2; RU2010123963A

Abstract

本发明涉及装配方法，该方法为通过称作填充合金的合金对第一金属元件如真空弹盒A的末端盖板(5、6)和第二元件如所述真空弹盒A的圆筒体(4)进行反应钎焊，所述的第二元件至少在表面上含有离子‑共价氧化物，所述的合金设计用来构成液体钎焊合金(1)，该液体钎焊合金设计用来润湿上述两个元件的两个分别为金属和离子‑共价氧化物的表面，所述钎焊合金包含钛，所述金属元件包含镍。

Description

通过反应钎焊进行装配的方法和使用该方法装配的真空盒体

技术领域

本发明涉及装配方法(assembly method)，该方法通过用称为填充合金(addedalloy)的合金对第一金属元件和第二元件进行反应钎焊(reactivebrazing)，第二元件至少在表面上含有离子-共价氧化物(ion-covalent oxide)，该合金设计用来构成液体钎焊合金，该液体钎焊合金(liquid brazing alloy)设计用来润湿上述两个元件的待装配的两个分别为金属和离子-共价氧化物的表面，所述钎焊合金包含钛，所述金属元件(metallicelement)包含镍。

背景技术

众所周知的是，钎焊技术是通过金属或称作“填充合金”的合金装配两种材料，该金属或合金的熔点低于待装配的材料。为了得到紧密密封的连接，液态钎焊合金必须润湿待装配的两个表面。润湿性以润湿角θ为特征。假如θ＜40°，则润湿是好的，且在待装配的两种材料之间可以形成紧密连接。如果θ＞55°，则润湿是差的，在界面的任何位点上不能形成原子尺度上的紧密连接。

制备真空盒体(vacuum cartridge)的陶瓷是Al₂O₃氧化铝，所述的Al₂O₃氧化铝是离子-共价氧化物，离子-共价氧化物例如有氧化锆(ZrO₂)、氧化镁(MgO)等且具有非常稳定的电子结构，这种稳定的电子结构几乎不或完全不适合于在界面上与金属相形成强键。非活性液态金属合金形成的钎料在这些陶瓷上的润湿角大于90°，这是显著差的润湿性。

因此，为了通过钎焊对陶瓷元件与金属元件进行装配，需要对需钎焊表面进行预金属化或者使用反应钎焊合金。对需钎焊表面进行预金属化是最常用的方法，且用于真空盒体氧化铝。它多数时侯包括下列步骤：在氧化铝上沉积几十微米的钼-锰第一层，接着在潮湿氢气中于高温(大约1500℃)进行烧结，然后在第一层上沉积第二层的镍，然后在氢气气氛中于大约950℃进行烧结。氧化铝金属化操作从而包括两个沉积操作和两个烧结操作，是复杂且昂贵的。

上述第二个方法包括使用含有对氧化铝呈化学反应性的元素的钎料，从而在钎焊时形成可润湿的反应产物。开发出的在陶瓷氧化物(如氧化铝)和金属之间进行钎焊的反应性合金主要基于AgCu，且时常包含钛作为反应元素，但是也可以使用钒、锆或铌。钎焊合金对氧化铝的润湿的改善是显著的。

然而，在氧化铝和金属(如在真空盒体中使用的)之间的不均匀钎料的情况中，如果钎料组合物非常不适合于待装配的金属，反应钎焊合金的使用则会出现很多问题。

虽然钎料的反应性成分与金属的化学活性强于钎料的反应性成分与氧化铝的化学活性，但是事实上仍存在如下的风险：在氧化铝上不形成连续的金属层，并因此产生润湿性差的区域。这些在陶瓷上的润湿性差的区域会导致很多可见的缺陷，这些缺陷会在需要紧密密封的装配情况中产生密封问题。另外，所实现的装配比通过金属化的氧化铝实施的装配强度更低。

因此可以从上文中得出如下的结论：反应钎焊不适合用于所有类型的装配，并且在某些情况中优选使用金属化方法。

发明内容

本发明解决了这些问题，并提出了一种通过反应钎焊进行的装配方法，该方法可以适用于过去优选金属化方法的各情形，从而在这些具体的情形下得到润湿性好的钎焊合金和强度好的装配。

为了这个目的，本发明旨在提供上述方式的装配方法，该方法的特征在于，当金属元件中可以与钛形成金属间化合物(intermetallic compound)的合金元素(alloyelement)含量小于20重量％时，钎焊合金中的钛含量为2重量％～5重量％，当金属元件中可以与待装配钛形成金属间化合物的合金元素含量为20重量％～50重量％时，该钛含量选择为5％～10％，当金属元件中可以与钛形成金属间化合物的合金元素含量大于50重量％时，该钛含量选择为2％～5％且Ag小于60重量％，从而通过在第二元件的界面上形成足够厚且稳定的反应层(reactional layer)而最小化在离子-共价氧化物形成的第二元件表面上的非润湿性区域，以及最小化在钎焊连接处的金属间化合物的形成。

根据一个具体的特征，所形成的反应层的厚度大于3μm。

根据另一个特征，上述离子-共价氧化物是陶瓷。

根据另一个特征，上述陶瓷是氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)和氧化镁(MgO)中的一种。

根据另一个特征，钎焊合金包含AgCuTi。

根据一个具体的实施方式，金属元件包含CuNi，其中Ni浓度为小于20重量％，钛浓度为2重量％～5重量％。

根据另一个实施方式，金属元件包含CuNi，其中Ni浓度为20重量％～50重量％，钛浓度为5重量％～和10重量％。

根据另一个实施方式，金属元件包含FeNi，其中Ni浓度为小于8重量％，钛浓度为大于2重量％并小于5重量％。

根据另一个特征，金属元件包含FeNi，其中Ni浓度为大于28重量％，钛浓度为大于2重量％并小于5重量％，钎料中的Ag浓度为小于60重量％。

根据另一个特征，金属元件包含不锈钢，其中Ni浓度为8重量％～18重量％，钛浓度为大于2重量％并小于5重量％。

根据另一个特征，钛以沉积物(deposition)的形式添加到包含离子-共价氧化物的表面上或在金属表面上，以层(sheet)的形式沉积在所述表面上或在金属上，或者以粉末或微粒的形式引入至填充合金中。

根据另一个特征，当金属元件中可以与钛形成金属间化合物的合金元素含量为20重量％～50重量％时，Ag为60重量％～71重量％，Cu为26重量％～36重量％，Ti为5重量％～10重量％。

根据另一个特征，当金属元件中可以与钛形成金属间化合物的合金元素含量大于50重量％时，Ag为小于60重量％，Ti为2重量％～5重量％。

本发明还旨在提供用于真空开关(vacuum switch)的真空盒体，其包括圆筒体(cylindrical body)和两个末端盖板(end cover plate)，这种真空盒体的特征在于两个末端盖板中的至少一个通过包括单独的或组合的上述特征的方法装配到弹盒的圆筒体。

附图说明

通过如下的关于附图的详细说明，本发明的其他的优势和特征将明显更加清楚，附图仅为了非限制性实例的目的而给出，其中：

图1是说明通过反应钎焊装配金属元件和陶瓷元件的示意图，

图2与前图一致，但是是说明根据本发明方法的几个具体实施方式的示意图，

图3是以y轴的反应层厚度对x轴的Ti重量百分比进行说明的图表，

图4是真空盒体的轴向截面图，该真空盒体包括两个根据本发明方法固定在盒圆筒部分的末端盖板，

图5是以y轴为断裂可能性和x轴为断裂强度F(N)对含有3重量％的Ti和含有5重量％的Ti的AgCuTi(72％Ag，28％Cu)钎料的两个组合物进行说明的图表。

具体实施方式

图1示意图表示金属元件2和陶瓷元件3之间形成的反应钎料1。

图2已经示出了本方法的几个具体实施方式，其中金属元件2为CuNi、FeNi或不锈钢。钎焊合金1是AgCuTi，其具有依赖于Ni百分比和Fe百分比的Ti百分比以及依赖于Ni百分比和Fe百分比的Ag百分比。离子-共价氧化物3是由氧化铝Al₂O₃形成的陶瓷。

根据本发明，该方法包括通过含钛的反应钎料在含Ni金属元件和在表面上包含离子-共价氧化物的元件之间形成反应钎料，以及调整钛的重量含量，使得在包含离子-共价氧化物的元件上形成足够厚且稳定的反应层，从而最小化离子共价氧化物上的非润湿性区域。

也对Ti含量进行调节从而将形成的金属间化合物的百分比保持低于一个确定值，该金属间化合物的百分比影响所形成的钎料的强度。

根据本发明一个具体的实施方式，金属元件CuNi(Ni＜20重量％)。在这种情况中，将Ti含量调节至大于2重量％且小于5重量％。

当金属元件是CuNi，其中Ni为20重量％～50重量％时，钛含量将大于5重量％且小于10重量％。

当金属元件是FeNi，其中Ni小于8重量％时，钛含量将大于2重量％且小于5重量％。

当金属元件是FeNi，其中Ni约为30重量％时，钛含量将大于2重量％且小于5重量％，钎料的Ag含量将小于60重量％。

当金属元件是不锈钢，其中Ni为8重量％～18重量％时，钛含量将大于2重量％且小于5重量％。

根据一个具体的实施方式，钎焊合金是AgCuTi且离子-共价氧化物是氧化铝。

在图3中，该图表解释了对于离子-共价氧化物和金属之间(这里例如在氧化铝(Al₂O₃)和铜(Cu))之间)的装配，所形成的反应层厚度(μm)对合金中的Ti含量(X Ti重量％)的关系。

因此可以看到，当Ti为2重量％～5重量％时，得到的反应层的厚度将为3μm～6μm。同样地，当Ti为5重量％～10重量％时，得到的反应层的厚度将为5μm～7μm。

该厚度取决于Ni的含量，或者取决于金属元件中所含的与钎料的反应性成分呈化学活性的元素的含量。

在图4中已经示出了真空盒体A，其包括陶瓷制成的圆筒体4，在圆筒主4上已经通过反应钎焊固定了两个末端盖板5、6。

在图5中，可以看出钎料断裂可能性的程度取决于钛在钎料材料中的重量百分比。

因此，对于5重量％的钛，其断裂可能性会大于与3％重量的钛所相关的断裂可能性。

因此，根据本发明，已经实现了通过离子-共价氧化物和金属的反应钎焊的装配方法，而无需进行昂贵的预金属化步骤，甚至当待装配的金属在很大程度上与钎料里的反应成分反应时，也可以使用这个办法。

本发明应用于任何形式的要求在整个待装配元件使用期内的紧密性好和/或机械强度增强的装配，例如将真空盒体的末端盖板装配到盒的圆筒部分。

本发明应用于任何由离子-共价氧化物形成的材料和含Ti金属的装配，条件是Ti-O键是可能的。

离子-共价氧化物可以例如由陶瓷(如铝土、氧化锆、氧化镁等)构成。

Claims

1.一种装配方法，该方法通过用称为填充合金的合金对第一金属元件和第二元件进行反应钎焊，所述的第二元件至少在表面上含有离子-共价氧化物，所述的合金设计用来构成液体钎焊合金，该液体钎焊合金设计用来润湿上述两个元件的分别为金属和离子-共价氧化物两个表面，所述钎焊合金包含钛，所述金属元件包含镍，

其中，当所述金属元件中能与待装配钛形成金属间化合物的合金元素含量为20重量％～50重量％时，该钛含量选择为5％～10％，当所述金属元件中能与钛形成金属间化合物的合金元素含量大于50重量％时，该钛含量选择为2％～5％且Ag小于60重量％，从而通过在第二元件的界面上形成足够厚且稳定的反应层而最小化在离子-共价氧化物形成的第二元件表面上的非润湿性区域，以及最小化在钎焊连接处的金属间化合物的形成，和

所述金属元件包含CuNi，其中Ni浓度为20重量％～50重量％，或者

所述金属元件包含FeNi，其中Ni浓度为大于28重量％。

2.根据权利要求1所述的装配方法，其特征在于，所形成的反应层的厚度大于3μm。

3.根据权利要求1或2所述的装配方法，其特征在于，上述离子-共价氧化物是陶瓷。

4.根据权利要求3所述的装配方法，其特征在于，上述陶瓷是氧化铝(Al₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)和氧化镁(MgO)中的一种。

5.根据权利要求1或2所述的装配方法，其特征在于，所述钎焊合金包含AgCuTi。

6.根据权利要求1或2所述的装配方法，其特征在于，Ti以沉积物的形式添加到包含离子-共价氧化物的表面上或金属表面上，以层的形式沉积在所述表面上或在所述金属表面上，或者以粉末或微粒的形式引入至填充合金中。

7.根据权利要求1或2所述的装配方法，其特征在于，当所述金属元件中能与钛形成金属间化合物的合金元素含量为20重量％～50重量％时，Ag为60重量％～71重量％，Cu为26重量％～36重量％，Ti为5重量％～10重量％。

8.用于真空开关的真空盒体，包括圆筒体(4)和两个末端盖板(5、6)，其特征在于，所述两个末端盖板(5、6)中的至少一个通过根据前述权利要求中任一项的方法装配到所述真空盒体的圆筒体(4)上。