CN102873469B - 一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，包括基础材料铝粉，其还含有强氧化剂和合金化组分，所述强氧化剂的用量为铝粉质量的0.1—5%，所述合金化组分与铝粉的质量比为1.5—3.5：1。所述强氧化剂为KClO₃，Ca(ClO)₂和KMnO₄中的一种或两种以上的混合物。所述合金化组分由主材和辅料组成，辅料含量不高于主材质量的20%；所述主材选自与待焊接金属材料同质的金属的氧化物，所述辅料为金属Fe、Cr、Mn、Cu、V、Ni、Ti、Mo、Sn及Zn的氧化物的任意组合；所述低温铝热焊料中含有不超过铝粉质量35%的α-Al₂O₃。该焊料可以实现不同材质金属和陶瓷之间的低温紧密复合焊接，焊接效果好。

Description

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，适用于金属与陶瓷或耐火材料之间的复合加工。

背景技术

金属和陶瓷是两类常用的结构材料，其性能各有优缺点。陶瓷材料通常具有耐高温、耐磨损和耐化学腐蚀等性能特点，但韧性差，易破碎，不耐冲击。而金属的性能则正好相反。因此，采用合适的方法把两者复合在一起制成金属陶瓷复合材料，就可以发挥两者的优点，满足更多的工程需要。目前，金属陶瓷复合材料在航空、航天、电子、电力、冶金、机械、能源、化工和环保等领域都有广泛应用。

常用的金属与陶瓷的复合方法有：采用有机胶黏剂可以很好地将金属和陶瓷工件复合在一起，且具有较高的结构强度，但不适合在高温条件下使用。采用陶瓷孔板与金属电焊连接的方法，受力点小，陶瓷与金属非整体结合，耐冲击强度较低。真空管壳等电子器件常采用陶瓷表面预先金属化涂层再真空烧结焊接，其它方法如高频真空扩散连接、场致焊接、金属玻璃粉熔焊等因成本及对焊接环境条件要求较高，不便于现场施工。此外，大型工程装备的加工需要快速简便和低成本的复合焊接技术及材料。因此，目前的复合技术还不能完全满足需求。

铝热反应指金属铝和/或没有铝活泼的其它金属或氧化物在氧化剂存在的条件下用镁条等引燃的一系列反应。其中铝和Fe₂O₃最具有代表性，目前已经成功应用于无缝钢轨等材料的连接施工上，但目前尚未见将其应用于金属和陶瓷焊接的相关报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，该焊料可以实现不同材质金属和陶瓷之间的低温紧密复合焊接，焊接效果好。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，包括基础材料铝粉，其中，该低温铝热焊料还含有强氧化剂和合金化组分，所述强氧化剂的用量为铝粉质量的0.1—5%，所述合金化组分与铝粉的质量比为1.5—3.5：1。

具体的，所述强氧化剂为KClO₃，Ca(ClO)₂和KMnO₄中的一种或两种以上的混合物。

所述合金化组分由主材和辅料组成，辅料含量不高于主材质量的20%；所述主材选自与待焊接金属材料同质的金属氧化物（如：若待焊接金属为碳钢板或不锈钢板，则主材可以为Fe₂O₃ 、Fe₃O₄或FeO粉；若待焊接金属为铜板，则主材可以为CuO或Cu₂O粉），所述辅料为金属Fe、Cr、Mn、Cu、V、Ni、Ti、Mo、Sn及Zn的氧化物的任意组合。

较好的，该低温铝热焊料还含有陶瓷化组分添加剂，所述陶瓷化组分添加剂用量不高于铝粉质量的20%。所述陶瓷化组分添加剂为金属Mg、Si、Ca和K或金属氧化物及B₂O₃和CaF₂中的一种或两种以上的混合物。

此外，该低温铝热焊料中还可以添加不超过铝粉质量35%的高温氧化铝陶瓷粉末（即α-Al₂O₃），用来调整铝热焊料的粘度和流动性，以适应不同焊接方式的要求。

本发明所述低温铝热焊接材料利用铝热反应原理，根据不同金属和陶瓷材料的性质以及被焊接金属和陶瓷材料熔点来选取铝热焊剂的组分比例，在传统铝热焊剂基础上，选用铝粉作为基材，与合金化组分（包括主材和辅料）和强氧化剂按比例混合而成。此外，还可以根据待焊接陶瓷的表面性质添加适量陶瓷化组分添加剂，以获得较好的焊接效果。各原料可以单独粉磨（目数以不低于80目为宜）后包装，使用前按比例混合即可（比较优选的混料顺序为：先加合金化组分，再加入基材铝粉和陶瓷化组分添加剂充分混匀，使用前添加强氧化剂）；或者按比例分类粉磨（如基材铝粉与陶瓷化组分添加剂混合粉磨，合金化组分的主材和辅料混合粉磨，强氧化剂手工单独轻磨，或在氩气或氮气保护下机械研磨，以防燃烧或爆炸）。

本发明所述低温铝热焊料的使用方法为：在焊接前先将金属和陶瓷表面打磨或清理干净，周围用石墨或石棉围封，把按比例配好的焊料均匀填充或铺设于金属与陶瓷接触面之间，并预置引燃用镁条或钨丝，为便于引燃，在镁条或钨丝周围撒少许氧化剂粉末。将待焊接金属与陶瓷两面施加适当压力，明火或通电引燃即可实现自动焊接。

本发明所述低温铝热焊料通过调整不同组分的配比，可以实现不同材质金属和陶瓷之间的低温焊接，通过添加陶瓷化组分添加剂，可以使焊料适应不同金属和陶瓷材料之间的紧密复合焊接，且焊接效果好。

具体实施方式

以下通过优选实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例 1

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的40g铝粉、100g Fe₂O₃粉和1 g KMnO₄粉组成。

该焊料的焊接使用方法：将碳钢板和刚玉陶瓷板表面打磨清理干净，把制备好的焊料均匀铺设于水平放置的碳钢板表面，周围用石墨或耐火棉围封，预置两根引燃用的镁条，在镁条周围撒少许KClO₃粉末，将刚玉陶瓷板放置在焊料上面，上面放置铁块施加适当压力，用酒精灯引燃镁条，即实现自动焊接。经检测，焊接后室温抗拉强度为617 MPa，四点弯曲强度为520 MPa；700℃时的四点弯曲强度为172 MPa。

实施例 2

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的铝粉40g、Fe₂O₃粉100g、金属硅粉1 g、CaF₂粉0.5 g、α-Al₂O₃粉5g和KMnO₄粉1 g组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1。经检测，焊接后室温抗拉强度为635 MPa，四点弯曲强度为531 MPa；700℃时的四点弯曲强度为191 MPa。

实施例 3

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的40g铝粉、95g Fe₃O₄粉、3g Cr₂O₃粉、2g MoO₃粉、5 g金属镁粉、1 g金属硅粉（单质硅又叫金属硅，下同）、0.5 g CaF₂粉和Ca(ClO)₂粉1 g组成。

该焊料的焊接使用方法：将不锈钢板表面打磨清理干净，与氧化铝刚玉陶瓷板用夹具树立固定，周围用石墨或耐火棉围封，把制备好的焊料均匀填充于不锈钢板与陶瓷板缝隙中，预置两根引燃用镁条，在两根镁条之间放置一个钨丝回路，镁条周围撒少许KClO₃粉末，钨丝通电后引燃镁条，实现自动焊接。经检测，焊接后室温抗拉强度为660 MPa，四点弯曲强度为557 MPa；700℃时的四点弯曲强度为215MPa。

实施例 4

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的40g铝粉、95g Fe₂O₃粉、2g Cr₂O₃粉、2g MnO₂粉、1g V₂O₅粉、5 g金属镁粉、1 g金属硅粉、0.5 g CaF₂粉和1.5 g KMnO₄粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1。经检测，室温抗拉强度为667 MPa，四点弯曲强度为565 MPa；700℃时的四点弯曲强度为221 MPa。

实施例 5

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的35g铝粉、95g Fe₂O₃粉、1g Cr₂O₃粉、2g Ni₂O₃粉、1g TiO₂粉、1g MoO₃粉、4 g金属镁粉、2 g金属硅粉、0.5 g B₂O₃粉和1.5g Ca(ClO)₂粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1，其中用不锈钢板替代碳钢板，用氧化锆陶瓷板替代刚玉陶瓷板。经检测，室温抗拉强度为697 MPa，四点弯曲强度为568 MPa；700℃时的四点弯曲强度为226MPa。

实施例 6

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的30g铝粉、98g Fe₂O₃粉、1g Cr₂O₃粉、1g TiO₂粉、3 g金属镁粉、2 g金属硅粉、0.5 g CaF₂粉、5g α-Al₂O₃粉和1.2g Ca(ClO)₂粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1，其中用不锈钢板替代碳钢板。经检测，室温抗拉强度为612 MPa，四点弯曲强度为552 MPa；700℃时的四点弯曲强度为212 MPa。

实施例 7

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的30g铝粉、98g Fe₂O₃粉、0.5g TiO₂粉、3 g金属镁粉、2 g金属硅粉、0.5 g CaF₂粉、0.5 g B₂O₃粉、10g α-Al₂O₃粉和1.5g Ca(ClO)₂粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例3，其中用碳钢板替代不锈钢板。经检测，室温抗拉强度为618 MPa，四点弯曲强度为509 MPa；700℃时的四点弯曲强度为182 MPa。

实施例 8

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的50g铝粉、75g Fe₂O₃粉、1g TiO₂粉、3 g金属镁粉、5g金属硅粉、0.5 g CaF₂粉、0.5 g B₂O₃粉、5g α-Al₂O₃粉和1.5g KClO₃粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1，其中用铝合金板替代碳钢板，用氧化锆陶瓷板替代刚玉陶瓷板。经检测，室温抗拉强度为522 MPa，四点弯曲强度为467 MPa；700℃时的四点弯曲强度为102 MPa。

实施例 9

一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，由研磨后过100目的35g铝粉、90g CuO粉、7g SnO₂粉、3g ZnO粉、4 g金属镁粉、2 g金属硅粉、0.5 g CaF₂粉、0.2g B₂O₃粉、5g α-Al₂O₃粉和1.5gCa(ClO)₂粉组成。

该焊料的焊接使用方法参见实施例1，其中用铜板替代碳钢板，用氧化锆陶瓷板替代刚玉陶瓷板。经检测，室温抗拉强度为569 MPa，四点弯曲强度为501 MPa，700℃时的四点弯曲强度为131MPa。

Claims (5)

1.一种用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，包括基础材料铝粉，其特征在于，还含有强氧化剂和合金化组分，所述强氧化剂的用量为铝粉质量的0.1—5%，所述合金化组分与铝粉的质量比为1.5—3.5：1；所述合金化组分由主材和辅料组成，辅料含量不高于主材质量的20%；所述主材选自与待焊接金属材料同质的金属的氧化物，所述辅料为金属Fe、Cr、Mn、Cu、V、Ni、Ti、Mo、Sn及Zn的氧化物的任意组合。

2.如权利要求1所述用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，其特征在于，所述强氧化剂为KClO₃，Ca(ClO)₂和KMnO₄中的一种或两种以上的混合物。

3.如权利要求1或2所述用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，其特征在于，还含有陶瓷化组分添加剂，所述陶瓷化组分添加剂用量不高于铝粉质量的20%。

4.如权利要求3所述用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，其特征在于，所述陶瓷化组分添加剂为金属Mg、Si、CaF₂和B₂O₃组成的混合物。

5.如权利要求4所述用于焊接金属和陶瓷的低温铝热焊料，其特征在于，该低温铝热焊料中含有不超过铝粉质量35%的α-Al₂O₃。