CN104387118A - 一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用 - Google Patents

一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于钎焊的预处理材料。为解决采用现有氧化锆陶瓷与金属材料的钎焊方法所得器件不适于在恶劣环境中工作，金属化层导电性能不高等问题，本发明提供了一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用。该配方包括粉料、溶剂、添加剂和铂粉；将该配方混合后研磨可制成浆料；将所得浆料印刷或涂覆在氧化锆素坯表面进行共烧结，制得金属化层。所得金属化层附着力高，能够长期应用于腐蚀性气氛的高温环境，抗氧化能力强，性能稳定，导电性能良好，金属化效果优异，显著扩展了氧化锆陶瓷与金属材料钎焊器件的应用范围，为高性能陶瓷器件的研制提供了可靠保障。

Description

一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种用于钎焊的预处理材料，特别涉及一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用。
背景技术
氧化锆陶瓷材料具有多方面的优异性能，由其制备的耐磨器件、结构器件、传感器等广泛应用于原子能、电力、汽车、冶金、环保、化工等各领域。如增韧氧化锆陶瓷，其具有很高的机械强度和优异的耐磨性能，可用于制造机械零件、耐磨结构器件等；又如功能氧化锆陶瓷，其在一定温度下具有氧离子的传导性能，可用来制备固体电解质燃料电池、氧泵、汽车氧传感器、氧化锆氧分析仪等。
在实际应用中，氧化锆陶瓷常用于复合陶瓷器件的制备。制备时，需要先将氧化锆粉料制成一定形状的素坯，然后将素坯放入高温炉内烧结。当需要制备的器件形状较为复杂时，如带有突出的尖角等结构，此时若采用此种工艺将氧化锆素坯直接烧结为所需器件，则常会出现明显的应力集中问题，并且这种应力集中无法像金属那样通过局部塑性变形得以转移和释放。
为解决这一问题，本领域中通常将外形结构相对简单的氧化锆陶瓷与金属材料钎焊在一起形成完整的器件，充分发挥两种材料的优点，弥补各自的不足，这对于改善器件内部应力分布状态、降低制造成本、拓宽氧化锆陶瓷材料的应用范围等都具有重要意义。
当前，对于氧化锆陶瓷与金属材料的钎焊，国内主要采用钼锰金属化法或钨金属化法，所得金属化层导电性能一般，适用于中、低温钎焊，钎料以银基钎料为主。但如果器件的工作环境较为恶劣，如需要长时间在较高温度、腐蚀性气氛等条件下使用，或者对金属化层导电性能要求较高时，则包括钼锰金属化法或钨金属化法等常用方法难以胜任。
发明内容
为解决采用现有氧化锆陶瓷与金属材料的钎焊方法所得器件不适于在恶劣环境中工作，金属化层导电性能不高等问题，本发明提供了一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方、制备方法及应用。
所述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方组成如下：
粉料：Mn粉：0～10％，Al粉：0～10％，Mg粉：0～10％，CaO粉：0～10％，Al2O3粉：1～10％，MgO粉：0～10％，MnO粉：1～10％，ZrO2粉：0～10％，SiO2粉：1～10％；
溶剂：乙醇：1～15％，丙酮：1～15％，辛烯：1～10％，甲基乙基酮：1～10％，异丙醇：1～10％，松油醇：1～10％；
添加剂：桉叶油：1～15％，桉叶油醇：1～15％，蓖麻硬化油：1～15％，蓖麻油脂肪酸：1～15％，吹制油：0～15％，已二酸二甲酯：0～15％，二乙二醇丁醚醋酸酯：0～15％，松香：0～15％，甲基纤维素：0～15％，邻苯二甲酸二乙酯：0～15％，聚乙烯醇：0～15％，甲基丙烯酸酯：0～15％；
上述所有组分的含量所采用的百分比均为相应组分占浆料配方总量的重量百分比；
所述粉料、溶剂和添加剂的用量还应满足以下要求：即粉料、溶剂和添加剂占浆料配方总量的重量百分比分别为3～20％、6～20％、5～30％；
余量为平均粒径0.1～10μm的超细铂粉。
所述粉料占浆料配方总量的重量百分比优选为3～8％。
所述溶剂占浆料配方总量的重量百分比优选为6～15％。
所述添加剂占浆料配方总量的重量百分比优选为20～30％。
所述超细铂粉的平均粒径优选为0.5～5μm。
所述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的制备方法包括以下步骤：将前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方混合后研磨制成浆料。
前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的制备方法中，在研磨前对混合的配方进行超声分散为优选。
一种所述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的应用，即将其应用于钎焊用氧化锆陶瓷金属化层的制备，具体包括以下步骤：
(一)将由前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的制备方法制得的浆料印刷或涂覆在氧化锆素坯表面；
(二)对印刷或涂覆有浆料的氧化锆素坯进行共烧结，首先以0.5～5℃/min的升温速率加热至80～120℃内的某温度，保温60～120min；接着以0.5～3℃/min的升温速率加热至300～600℃内的某温度，保温60～120min；然后以0.5～3℃/min的升温速率加热至700～1200℃内的某温度，保温60～120min；最后以0.5～3℃/min的升温速率加热至1250～1700℃内的某温度，保温60～120min后自然冷却至常温，制得金属化层。
对于氧化锆陶瓷与金属材料钎焊工艺来说，其关键点主要在于氧化锆陶瓷表面的金属化，其中金属化层的附着力、耐高温性能和导电性能等是金属化效果的关键因素。本发明的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方以铂为基料，合理搭配多种无机和有机组分，通过较为简单的研磨混合等操作制成浆料，而后将浆料印刷或涂覆在氧化锆素坯表面并与之共烧结，从而得到覆有金属化层的氧化锆陶瓷。所得覆有金属化层的氧化锆陶瓷与金属材料钎焊后的检测表明：该金属化层附着力高，大于14N/mm2；能够长期应用于500～1000℃腐蚀性气氛的高温环境，抗氧化能力强，性能稳定；导电性能良好，表面电阻小于0.8Ω，表明本发明具有优异的金属化效果，显著扩展了氧化锆陶瓷与金属材料钎焊器件的应用范围，能够更为充分的体现出氧化锆陶瓷与金属材料各自的优越性能，为高性能陶瓷器件的研制提供了可靠保障。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1
一、钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方组成如下：
粉料：Mn粉：0.2％，Al粉：0.5％，Mg粉：0.1％，CaO粉：0.4％，Al2O3粉：1％，MnO粉：1％，SiO2粉：1％；
溶剂：乙醇：2.8％，丙酮：2.4％，辛烯：1.3％，甲基乙基酮：1.6％，异丙醇：1.2％，松油醇：2.0％；
添加剂：桉叶油：4.5％，桉叶油醇：2.4％，蓖麻硬化油：2.8％，蓖麻油脂肪酸：1.5％，吹制油：2.4％，二乙二醇丁醚醋酸酯：2.1％，松香：1.6％，甲基纤维素：1.2％，聚乙烯醇：0.9％，甲基丙烯酸酯：1.7％；
上述所有组分的含量所采用的百分比均为相应组分占浆料配方总量的重量百分比；
余量为平均粒径0.3μm的超细铂粉。
二、将前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方混合后进行超声分散，然后研磨制成浆料。
三、制备钎焊用氧化锆陶瓷金属化层，具体采用以下步骤：
(一)将制得的浆料印刷在氧化锆素坯表面；
(二)对印刷有浆料的氧化锆素坯进行共烧结，首先以1.0℃/min的升温速率加热至90℃，保温80min；接着以1.0℃/min的升温速率加热至550℃，保温110min；然后以1.0℃/min的升温速率加热至790℃，保温70min；最后以1.0℃/min的升温速率加热至1600℃，保温90min后自然冷却至常温，制得金属化层。
实施例2
一、钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方组成如下：
粉料：Al粉：0.9％，Mg粉：0.4％，CaO粉：1.2％，Al2O3粉：2.7％，MgO粉：0.7％，MnO粉：1.8％，ZrO2粉：0.9％，SiO2粉：1.5％；
溶剂：乙醇：3.2％，丙酮：2.1％，辛烯：1.4％，甲基乙基酮：1.8％，异丙醇：1.2％，松油醇：2.0％；
添加剂：桉叶油：3.5％，桉叶油醇：1.6％，蓖麻硬化油：2.4％，蓖麻油脂肪酸：1.8％，已二酸二甲酯：1.5％，二乙二醇丁醚醋酸酯：2.1％，松香：0.8％，邻苯二甲酸二乙酯：1.4％，聚乙烯醇：2.0％；
上述所有组分的含量所采用的百分比均为相应组分占浆料配方总量的重量百分比；
余量为平均粒径2.0μm的超细铂粉。
二、将前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方混合后研磨制成浆料。
三、制备钎焊用氧化锆陶瓷金属化层，具体采用以下步骤：
(一)将制得的浆料涂覆在氧化锆素坯表面；
(二)对涂覆有浆料的氧化锆素坯进行共烧结，首先以4.0℃/min的升温速率加热至120℃，保温80min；接着以2.0℃/min的升温速率加热至450℃，保温85min；然后以1.0℃/min的升温速率加热至900℃，保温100min；最后以1.0℃/min的升温速率加热至1400℃，保温120min后自然冷却至常温，制得金属化层。
实施例3
一、钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方组成如下：
粉料：Al2O3粉：2.7％，MnO粉：2.2％，SiO2粉：1.5％；
溶剂：乙醇：2.7％，丙酮：3.0％，辛烯：1.6％，甲基乙基酮：1.8％，异丙醇：1.2％，松油醇：1.4％；
添加剂：桉叶油：5.5％，桉叶油醇：2.4％，蓖麻硬化油：3.8％，蓖麻油脂肪酸：1.8％；
上述所有组分的含量所采用的百分比均为相应组分占浆料配方总量的重量百分比；
余量为平均粒径3.0μm的超细铂粉。
二、将前述钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方混合后研磨制成浆料。
三、制备钎焊用氧化锆陶瓷金属化层，具体采用以下步骤：
(一)将制得的浆料印刷在氧化锆素坯表面；
(二)对印刷有浆料的氧化锆素坯进行共烧结，首先以3.0℃/min的升温速率加热至80℃，保温70min；接着以3.0℃/min的升温速率加热至350℃，保温110min；然后以3.0℃/min的升温速率加热至1150℃，保温90min；最后以3.0℃/min的升温速率加热至1550℃，保温95min后自然冷却至常温，制得金属化层。
由实施例1-3制得的金属化层微观结构致密，晶界明显，附着力在14.7-16.3N/mm2范围内，表面电阻在0.63-0.78之间，证明附着力和导电性能均十分良好。

Claims (8)

1.一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，其特征在于该配方组成如下：
粉料：Mn粉：0～10％，Al粉：0～10％，Mg粉：0～10％，CaO粉：0～10％，Al2O3粉：1～10％，MgO粉：0～10％，MnO粉：1～10％，ZrO2粉：0～10％，SiO2粉：1～10％；
溶剂：乙醇：1～15％，丙酮：1～15％，辛烯：1～10％，甲基乙基酮：1～10％，异丙醇：1～10％，松油醇：1～10％；
添加剂：桉叶油：1～15％，桉叶油醇：1～15％，蓖麻硬化油：1～15％，蓖麻油脂肪酸：1～15％，吹制油：0～15％，已二酸二甲酯：0～15％，二乙二醇丁醚醋酸酯：0～15％，松香：0～15％，甲基纤维素：0～15％，邻苯二甲酸二乙酯：0～15％，聚乙烯醇：0～15％，甲基丙烯酸酯：0～15％；
上述所有组分的含量所采用的百分比均为相应组分占浆料配方总量的重量百分比；
所述粉料、溶剂和添加剂的用量还应满足以下要求：即粉料、溶剂和添加剂占浆料配方总量的重量百分比分别为3～20％、6～20％、5～30％；
余量为平均粒径0.1～10μm的超细铂粉。
2.如权利要求1所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，其特征在于：所述粉料占浆料配方总量的重量百分比为3～8％。
3.如权利要求1所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，其特征在于：所述溶剂占浆料配方总量的重量百分比为6～15％。
4.如权利要求1所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，其特征在于：所述添加剂占浆料配方总量的重量百分比为20～30％。
5.如权利要求1所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，其特征在于：所述超细铂粉的平均粒径为0.5～5μm。
6.一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的制备方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料配方，将配方混合后研磨制成浆料。
7.如权利要求6所述的钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的制备方法，其特征在于：在研磨前对混合的配方进行超声分散。
8.一种钎焊用氧化锆陶瓷金属化浆料的应用，其特征在于：将权利要求6制成的浆料应用于钎焊用氧化锆陶瓷金属化层的制备，具体包括以下步骤：
(一)将浆料印刷或涂覆在氧化锆素坯表面；
(二)对印刷或涂覆有浆料的氧化锆素坯进行共烧结，首先以0.5～5℃/min的升温速率加热至80～120℃内的某温度，保温60～120min；接着以0.5～3℃/min的升温速率加热至300～600℃内的某温度，保温60～120min；然后以0.5～3℃/min的升温速率加热至700～1200℃内的某温度，保温60～120min；最后以0.5～3℃/min的升温速率加热至1250～1700℃内的某温度，保温60～120min后自然冷却至常温，制得金属化层。
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