CN102699574A - Si3N4与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法 - Google Patents

Abstract

Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法，它涉及陶瓷与金属的连接钎料和钎焊连接方法，本发明要解决现有的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法所得到的焊接接头产生高残余应力，导致接头强度低的问题。Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料由混合粉末和复合相组成。本发明中Si₃N₄与42CrMo钢钎焊连接方法通过下列步骤实现：一、称量金属粉末混合后得到混合粉末；二、将复合相加入到混合粉末中，球磨后得到复合连接钎料；三、将Si₃N₄与42CrMo钢抛光和清洗；四、将复合连接钎料调制成膏状与Si₃N₄与42CrMo钢组成待焊件；五、钎焊连接。本发明用于陶瓷与金属的钎焊连接工程领域。

Description

Si3N4与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法

技术领域

本发明涉及陶瓷与金属的连接钎料和钎焊连接方法。

背景技术

先进结构陶瓷材料作为一种新型结构材料，以其耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀以及低热导等独特的优异性能，在国防、能源、航空航天、机械、石化、冶金、电子等行业，正日益显示出其广阔的应用前景，引起各工业发达国家的广泛重视，各国竞相投入大量的人力、物力予以研究。

在结构陶瓷中，氮化硅陶瓷(Si₃N₄)是当今工程结构新材料中的重要组成部分。Si₃N₄陶瓷是典型共价键结合的陶瓷，Si与N之间结合相当牢固，这导致Si₃N₄陶瓷具有一系列优异的物理、化学及力学性能，如抗氧化，耐高温，耐腐蚀，高的本征强度、硬度、耐磨损性能、以及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，也是发展十分迅速的一类新型高温结构材料。但Si₃N₄陶瓷也具有脆性大、延性低、难以变形和切削加工困难等陶瓷固有的缺点，另外，陶瓷材料固有的脆性，导致了极小的临界裂纹，增大了陶瓷构件在制作加工中的难度，使得陶瓷材料难以制造成复杂形状的构件，妨碍了其在工程结构中的应用。另一方面，金属材料具有较好的塑性和韧性，但其高温性能、硬度、耐腐蚀等性能较差。在实际工程中，可以根据具体的要求，合理地把金属和陶瓷结合为一体，即可充分发挥两者的优势，获得综合性能良好的零部件。由此可见，陶瓷与金属的连接成为众多研究者关注的热点。

目前，活性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等优点成为连接Si₃N₄陶瓷与金属的首选，各国材料工作者在连接陶瓷的钎料选择上进行了大量研究，发展比较成熟的主要是Ag-Cu-Ti钎料，该钎料显示了对大部分陶瓷材料良好的润湿能力，但始终未能很好解决在从钎焊温度冷却到室温过程中钎料和陶瓷间由于热膨胀系数差异导致的较大残余应力问题。

发明内容

本发明是要解决采用现有的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法所得到的焊接接头产生高残余应力，导致接头强度低的问题，而提出Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法。

本发明的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料由混合粉末和复合相组成，其中混合粉末按质量百分比由66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）。

本发明中的使用Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料进行钎焊连接方法是通过下列步骤实现的：

一、按质量百分比称取66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、按复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）的比例称取复合相TiN颗粒，然后将此TiN颗粒加入到步骤一中得到的混合粉末中，再一起放入球磨机中，在球磨机转速为150r/min~250r/min的条件下，粉磨1.5h~2.5h后，得到复合连接钎料，其中，TiN颗粒的粒径为5μm~50μm，球磨时的球料比为5:1；

三、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为100W~150W的条件下，清洗25min~35min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

四、步骤二中得到的复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（5~20）:1:（50~200）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤三处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；

五、将步骤四中得到待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至0.8×10⁴Pa~1.2×10⁴Pa，当抽真空至1.0×10^-3Pa~3.0×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到280℃~320℃并保温25min~35min，然后以10℃/min的速率升温到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到850℃~950℃，连接时间为5min~60min，接着以5℃/min的速度降温至280℃~320℃，然后随炉冷却至室温，即完成Si₃N₄和42CrMo钢的钎焊连接。

本发明的机理是通过在Ag-Cu-Ti合金钎料中复合一定体积比的高温合金、碳纤维、陶瓷颗粒等低热膨胀系数材料制备成复合钎料，能显著降低钎料的热膨胀系数，从而在一定程度上有效地缓解接头中的残余应力。但由于Ti元素十分活泼，在钎焊条件下会和大部分添加相发生作用，使得参与界面层反应的Ti元素减少，在低含量添加相条件下也会在接头中形成大量的Cu-Ti脆性相，不利于接头性能的提高。考虑到TiN为Ag-Cu-Ti合金钎料与Si₃N₄陶瓷的反应产物，并且钎料对TiN有很好的润湿作用，本发明在Ag-Cu-Ti粉末钎料内复合一定体积比的TiN颗粒组成Ag-Cu-Ti+TiN复合钎料，并采用该复合钎料钎焊连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢。钎料内复合一定体积比例的低热膨胀系数TiN颗粒（其热膨胀系数仅为9.35×10^-6K^-1），可有效降低母材和钎料合金之间的热膨胀系数错配（Si₃N₄的热膨胀系数为3.2×10^-6K^-1；42CrMo钢的热膨胀系数为11.1×10^-6K^-1；而Ag-Cu-Ti钎料的热膨胀系数为19×10^-6K^-1），达到缓解接头内残余应力的目的，最终获得高质量的Si₃N₄陶瓷-42CrMo钢接头。本发明提出了Ag-Cu-Ti+TiN复合钎料的制备方法。通过改变钎焊工艺及钎料内TiN增强相的含量，以控制接头内反应层厚度和反应相的分布，进而达到优化接头组织和性能的目的。

本发明的有益效果如下：

1、钎料内复合一定体积比例的低热膨胀系数TiN颗粒，可有效降低母材和钎料合金之间的热膨胀系数错配。

2、当在900℃的钎焊温度条件下保温5min，添加的TiN颗粒体积百分数为5%时，得到最高的连接强度376.11MPa，到达了Si₃N₄陶瓷母材强度的80%左右，并且该强度相比仅使用Ag-Cu-Ti合金钎料得到的钎焊接头强度提高了近一倍。

3、通过改变钎焊工艺及钎料内TiN增强相的含量，以控制接头内反应层厚度和反应相的分布，进而达到优化接头组织和性能的目的。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料由混合粉末和复合相组成，其中混合粉末按质量百分比由66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）。

钎料内复合一定体积比例的低热膨胀系数TiN颗粒，可有效降低母材和钎料合金之间的热膨胀系数错配。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述混合粉末按质量百分比由66.5%~70%的Ag粉末、25%~30%的Cu粉末和3.5%~5.5%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（2~14）:（86~98）。其它成份和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述混合粉末按质量百分比由69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为5:95。其它成份和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式为使用具体实施方式一所述的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料进行钎焊连接方法，Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法是按以下步骤进行的：

一、按质量百分比称取66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、按复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）的比例称取复合相TiN颗粒，然后将此TiN颗粒加入到步骤一中得到的混合粉末中，再一起放入球磨机中，在球磨机转速为150r/min~250r/min的条件下，粉磨1.5h~2.5h后，得到复合连接钎料，其中，TiN颗粒的粒径为5μm~50μm，球磨时的球料比为5:1；

三、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为100W~150W的条件下，清洗25min~35min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

四、步骤二中得到的复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（5~20）:1:（50~200）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤三处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；

五、将步骤四中得到待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至0.8×10⁴Pa~1.2×10⁴Pa，当抽真空至1.0×10^-3Pa~3.0×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到280℃~320℃并保温25min~35min，然后以10℃/min的速率升温到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到850℃~950℃，连接时间为5min~60min，接着以5℃/min的速度降温至280℃~320℃，然后随炉冷却至室温，即完成Si₃N₄和42CrMo钢的钎焊连接。

通过改变钎焊工艺及钎料内TiN增强相的含量，以控制接头内反应层厚度和反应相的分布，进而达到优化接头组织和性能的目的；当在900℃的钎焊温度条件下保温5min，添加的TiN颗粒体积百分数为5%时，得到最高的连接强度376.11MPa，到达了Si₃N₄陶瓷母材强度的80%左右，并且该强度相比仅使用Ag-Cu-Ti合金钎料得到的钎焊接头强度提高了近一倍。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中混合粉末按质量百分比由69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末组成。其它步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤二中按复合相与混合粉末的体积比为5:95的比例称取复合相TiN颗粒。其它步骤和参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤三中在超声功率为110W~140W的条件下，清洗28min~32min。其它步骤和参数与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤四中复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（6~18）:1:（60~180）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料。其它步骤和参数与具体实施方式四至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤五中在待焊件两端加压至0.9×10⁴Pa~1.1×10⁴Pa，当抽真空至1.5×10^-3Pa~2.5×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到290℃~310℃并保温28min~32min。其它步骤和参数与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤五中再以5℃/min的升温速率加热到880℃~920℃，连接时间为10min~50min。其它步骤和参数与具体实施方式四至九之一相同。

为验证本发明的有益效果进行了以下实验：

实验一：仅使用Ag-Cu-Ti合金钎料的钎焊连接方法是按以下步骤进行的：

一、按质量百分比称取69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为120W的条件下，清洗30min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

三、步骤一中得到的混合粉末、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为15:1:100的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤二处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；

四、将步骤三中得到待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至1×10⁴Pa，当抽真空至1.0×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到300℃并保温30min，然后以10℃/min的速率升温到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到900℃，连接时间为5min，接着以5℃/min的速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温，即完成Si₃N₄和42CrMo钢的钎焊连接。

用四点弯曲强度评价接头性能，实验一条件下最高的连接强度为187.98MPa，

实验二：本发明中的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法是按以下步骤进行的：

一、按质量百分比称取69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、按复合相与混合粉末的体积比为5:95的比例称取复合相TiN颗粒，然后将此TiN颗粒加入到步骤一中得到的混合粉末中，再一起放入球磨机中，在球磨机转速为200r/min的条件下，粉磨2h后，得到复合连接钎料，其中，TiN颗粒的粒径为5μm~50μm，球磨时的球料比为5:1；

三、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为120W的条件下，清洗30min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

四、步骤二中得到的复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为15:1:100的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤三处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；

五、将步骤四中得到待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至1×10⁴Pa，当抽真空至1.0×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到300℃并保温30min，然后以10℃/min的速率升温到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到900℃，连接时间为5min，接着以5℃/min的速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温，即完成Si₃N₄和42CrMo钢的钎焊连接。

用四点弯曲强度评价接头性能，实验二条件下最高的连接强度为376.11MPa，到达了Si₃N₄陶瓷母材强度的80%左右，并且该强度相比实验一仅使用Ag-Cu-Ti合金钎料得到的钎焊接头强度提高了近一倍。

Claims (10)

1.Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料，其特征在于它由混合粉末和复合相组成，其中混合粉末按质量百分比由66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）。

2.根据权利要求1所述的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料，其特征在于其中混合粉末按质量百分比由66.5%~70%的Ag粉末、25%~30%的Cu粉末和3.5%~5.5%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（2~14）:（86~98）。

3.根据权利要求1所述的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料，其特征在于其中混合粉末按质量百分比由69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为5:95。

4.使用权利要求1所述的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料进行钎焊连接方法，其特征在于它是通过以下步骤实现的：

一、按质量百分比称取66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、按复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）的比例称取复合相TiN颗粒，然后将此TiN颗粒加入到步骤一中得到的混合粉末中，再一起放入球磨机中，在球磨机转速为150r/min~250r/min的条件下，粉磨1.5h~2.5h后，得到复合连接钎料，其中，TiN颗粒的粒径为5μm~50μm，球磨时的球料比为5:1；

三、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为100W~150W的条件下，清洗25min~35min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

四、步骤二中得到的复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（5~20）:1:（50~200）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤三处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；

五、将步骤四中得到待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至0.8×10⁴Pa~1.2×10⁴Pa，当抽真空至1.0×10^-3Pa~3.0×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到280℃~320℃并保温25min~35min，然后以10℃/min的速率升温到700℃，再以5℃/min的升温速率加热到850℃~950℃，连接时间为5min~60min，接着以5℃/min的速度降温至280℃~320℃，然后随炉冷却至室温，即完成Si₃N₄和42CrMo钢的钎焊连接。

5.根据权利要求4所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤一中混合粉末由质量百分比为69%的Ag粉末、27%的Cu粉末和4%的Ti粉末组成。

6.根据权利要求4所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤二中按复合相与混合粉末的体积比为5:95的比例称取复合相TiN颗粒。

7.根据权利要求4、5或6所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤三中在超声功率为110W~140W的条件下，清洗28min~32min。

8.根据权利要求7所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤四中复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（6~18）:1:（60~180）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料。

9.根据权利要求8所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤五中在待焊件两端加压至0.9×10⁴Pa~1.1×10⁴Pa，当抽真空至1.5×10^-3Pa~2.5×10^-3Pa时，以10℃/min的升温速率将试样加热到290℃~310℃并保温28min~32min。

10.根据权利要求9所述的Si₃N₄与42CrMo钢的钎焊连接方法，其特征在于步骤五中再以5℃/min的升温速率加热到880℃~920℃，连接时间为10min~50min。