CN106346168A - 304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料及制备和钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料及制备和钎焊方法，该钎料包含多元合金粉末、粘结剂和胶粘剂，粘结剂质量占总质量的质量分数为7.0％～10.0％，胶粘剂质量占总质量的质量分数为0.5％～2.5％，余量为多元合金粉末。多元合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Ag20.0％～25.0％，Cu5.0％～7.0％，Mn2.0％～5.0％，Nb3.0％～5.0％，余量为Zr。本发明的一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料钎焊温度在1000～1050℃，质地柔软，表面光洁，厚度可控制在0.5～1.0毫米，宽度可达50毫米，研制的钎料可冲裁成任意形状，有较窄的固液温度区间，熔化后无残留，并能得到优质的焊接接头。

Description

304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料及制备和钎焊方法

技术领域

本发明涉及304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料及制备和钎焊方法，属于钎焊领域。

背景技术

氧化铝陶瓷是一种以氧化铝(Al₂O₃)为主体的陶瓷材料，与高温合金相比，熔点比高温合金高500℃以上，有较好的传导性、机械强度和耐高温性。同时，密度也小于高温合金。高温合金性能和潜能已经被充分挖掘，故氧化铝陶瓷具有巨大的发展潜力和应用前景。

但是氧化铝陶瓷的塑性差，冷加工性能差，一般无法单独使用。氧化铝陶瓷和金属材料连接后能充分发挥各自的性能。氧化铝和304不锈钢的连接具有广阔的应用前景。

通常连接陶瓷活性钎料成型能力差，一般以粉末状态供应。而实际工程材料中陶瓷和不锈钢的连接形式多样，特别是对于蜂窝状、大面积等特殊结构零件的焊接而言，粉末状钎料带来添加不便，添加量难以掌握等诸多操作工艺的缺点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，同时在不降低钎料原有的力学性能条件下，本发明提出一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料及制备和钎焊方法，通过加入Cu、Mn、Ag、Zr等合金元素，改善了钎料的微观组织。该钎料质地柔软，表面光洁，厚度可控制在0.1～1.0毫米，宽度可达50毫米，研制的钎料可冲裁成任意形状，固液区间窄，有优异的熔化特性和润湿铺展性能，熔化后无残留，并能得到优质的焊接接头。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接粘带钎料包含合金粉末、粘结剂和胶粘剂，粘结剂质量占总质量的质量分数为7.0％～10.0％，胶粘剂质量占总质量的质量分数为0.5％～2.5％，合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Ag20.0％～25.0％，Cu5.0％～7.0％，Mn2.0％～5.0％，Nb3.0％～5.0％，余量为Zr。

作为优选，所述粘结剂包含苯乙烯共聚物、增稠树脂和有机溶剂二氯乙烷，其中苯乙烯共聚物质量分数为5.0％～7.0％，有机溶剂二氯乙烷质量分数为92.0％～94.0％，增稠树脂质量分数为1.0％。

作为优选，所述增稠树脂包含石油树脂、萜烯树脂和松香脂，三种成分的比例为1:1:1。

作为优选，所述胶粘剂为顺丁橡胶。

作为优选，所述合金粉末Ag的质量纯度为99.50％～99.90％，Cu的质量纯度为99.50％～99.90％，Zr的质量纯度为99.50％～99.90％，Mn的质量纯度为99.50％～99.90％，Nb的质量纯度为99.50％～99.90％，苯乙烯共聚物纯度为99.50％。

一种上述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法，包括以下步骤：

1)用真空气雾化制粉工艺生产高纯度、低氧含量的合金粉末；

2)苯乙烯共聚物粉与有机溶剂、增稠树脂根据所需配制重量按比例称出，放入密封玻璃瓶中，放置24～48小时，待苯乙烯共聚物粉充分溶解到溶剂中，变成粘稠的均匀的苯乙烯共聚物溶液，在溶解过程中，视情况，可用不锈钢棒或玻璃棒搅拌，使其均匀一致；

3)把合金粉末和粘结剂按比例混合均匀，并搅拌成黏土状的膏体；

4)在用辊轧机轧制粘带钎料，轧制成厚度均匀的带状钎料；

5)轧制得到的带状钎料在干燥柜25℃恒温干燥6～12个小时；

6)干燥后的带状钎料带再按设计好的规格尺寸进行裁剪；

7)在带状钎料上涂覆胶粘剂并用单面硅隔离纸进行盖面，最后将制作好的钎料放入聚乙烯薄膜中保存，也可卷曲放置。

一种上述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法包括以下步骤：

1)准备阶段：钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷。焊前，分别用玻璃和砂纸研磨95级氧化铝陶瓷和304不锈钢表面。用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗10～15min。随后用清洁布擦拭干净并常温干燥。

2)装配阶段：将304不锈钢、钎料、氧化铝陶瓷的顺序放入真空钎焊炉。

3)钎焊连接阶段：真空度优于3×10^-3Pa。先以8℃/min加热到100℃，然后以10～15℃/min的速率加热至600～800℃，保温10～15min后在加热至1000～1050℃，保温15～30min后，再以5～10℃/min的速率降温到300～400℃后随炉冷却至室温即可。

本发明提供的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料采用高纯度、低氧含量的多元合金粉末，相比于传统的Ag-Cu钎料，其中的Mn、Zr、Nb元素使钎料具有良好的钎焊方法性能，保证了焊接接头质量。具体表现在为，Mn与不锈钢的主要组成元素在物理、化学性质方面相似，具有较好的互溶性，Mn与Cu的高温混合液先于钎料向基体扩展，为母材的润湿创造了条件；Zr与Fe相互扩散，形成FeZr₂、Fe₂Zr等固溶体，与Cu形成Cu-Zr相，与C形成ZrC化合物,上述的固溶体和相分布在连接层和扩散层，比例均匀，组织紧密；Nb向液态钎料溶解、液态钎料在毛细作用下填充母材的孔洞并发生界面反应。Nb向钎料的溶解可以提高钎缝的塑性,钎料向母材孔洞的填充可以起到钉轧母材的作用，强化了焊缝。

粘结剂是制备304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的关键因素，对粘结剂的要求有：钎料固相线以下温度时必须挥发干净，无残留碳黑；不与钎料发生任何物理化学反应；粘结剂及其挥发物无腐蚀性及无毒性；用量足够少以保证粘带钎料的金属含量；具有足够的内聚力。基于以上要求，最终选择苯乙烯共聚物作为粘结剂主体，辅以增粘树脂和有机溶剂。

粘结剂干燥后具有较强的内聚力，增强钎料的凝聚力。在轧制过程中，轧制速度要适中。粘带钎料需要进行干燥，干燥的作用是将轧制的粘带钎料中的有机溶剂挥发干净，粘结剂必须经过固化作用才能形成足够的内聚力，干燥的温度和时间是影响粘带钎料质量的重要因素。干燥的温度和时间的控制必须要统一起来。干燥时间不足，有机溶剂挥发不干净，钎料内聚力差，合金粉成型差。干燥温度太高，有机溶剂挥发的太快，粘带钎料的脆性会变大。

本发明提供的粘带钎料经过粘结剂制备混料轧制干燥、裁剪、涂覆、胶粘剂包装等工序即可制成。

本发明提供的钎焊方法是将304不锈钢、95级陶瓷和粘带钎料的顺序放入真空钎焊炉中，通过真空度与温度的合理配合，使整个工件焊后变形小，无微观裂纹夹杂等缺陷。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明制作的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料质地柔软，表面光洁，厚度可达0.1～1.0毫米，宽度可达50毫米。

(2)该粘带钎料使用方便，可冲裁成任意形状，工程适应范围广，润湿铺展性优良，熔化后无残留。

(3)钎料成分低毒性，环境污染较小。

(4)钎焊方法性好，接头强韧性较好，高温性能优良。

(5)能够有效的连接不锈钢和陶瓷材料，充分的发挥各自的优势。

附图说明

图1为实施例1的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

选择制备厚度为0.5mm，宽度为10mm的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料钎料。钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷，尺寸为10mm×10mm×10mm。钎料中合金粉末各元素质量比为：Ag25.0％，Cu7.0％，Mn5.0％，Nb5.0％，余量为Zr。

粘结剂质量为钎料总质量的10.0％，胶粘剂质量为钎料总质量的2.5％。粘结剂中二氯乙烷质量分数为94.0％，苯乙烯共聚物质量分数为5.0％，增稠树脂质量分数为1.0％，结构如图1所示，一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料2的两面通过胶粘剂3覆盖有单面硅隔离纸1。

制作工艺步骤：

上述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法包括以下步骤：

1)用气雾化制粉工艺生产高纯度、低氧含量的多元合金，各合金元素质量比例如下：Ag25.0％，Cu7.0％，Mn5.0％，Nb5.0％，余量为Zr。

2)苯乙烯共聚物粉与有机溶剂、增稠树脂根据所需配制重量按比例称出，放入密封玻璃瓶中，放置48小时，待苯乙烯共聚物粉充分溶解到溶剂中，变成粘稠的均匀的苯乙烯共聚物溶液，在溶解过程中，视情况，可用不锈钢棒或玻璃棒搅拌，使其均匀一致；

3)把钎基焊粉和粘结剂按上述比例混合均匀(粘结剂质量为钎料质量的10％)，并搅拌成黏土状的膏体；

4)在用辊轧机轧制粘带钎料，轧制成厚度均匀的带状钎料；

5)轧制得到的带状钎料在干燥柜25℃恒温干燥12个小时；

6)干燥后的钎料带再按设计好的规格尺寸进行裁剪；

7)在钎料上涂覆胶粘剂并用单面硅隔离纸进行盖面，最后将制作好的钎料放入聚乙烯薄膜中保存，也可卷曲放置；

钎焊方法步骤为：

1)准备阶段：钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷。焊前，分别用玻璃和砂纸研磨95级氧化铝陶瓷和304不锈钢表面。用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min。随后用清洁布擦拭干净并常温干燥。

2)装配阶段：将304不锈钢、钎料、氧化铝陶瓷的顺序放入真空钎焊炉。

3)钎焊连接阶段：真空度优于3×10^-3Pa。先以8℃/min加热到100℃，然后以15℃/min的速率加热至800℃，保温15min后在加热至1050℃，保温30min后再以10℃/min的速率降温到400℃后随炉冷却至室温即可。随炉冷却至室温即可。

结果：钎焊获得的接头性能优良，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头抗剪强度最高可达89MPa。

实施例2

选择制备厚度为1.0mm，宽度为50mm的粘带钎料。钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷，尺寸为50mm×10mm×10mm。钎料中合金粉末各元素质量比为Ag20.0％，Cu5.0％，Mn2.0％，Nb3.0％，余量为Zr。

粘结剂质量为钎料质量的7.0％，胶粘剂质量为钎料质量的0.5％。粘结剂中二氯乙烷质量分数为92.0％，苯乙烯共聚物质量分数为7.0％。增稠树脂质量分数为1.0％。

制作工艺步骤：

上述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法包括以下步骤：

1)用气雾化制粉工艺生产高纯度、低氧含量的多元合金。各合金元素质量比例如下：Ag20.0％，Cu5.0％，Mn2.0％，Nb3.0％，余量为Zr。

2)苯乙烯共聚物粉与有机溶剂、增稠树脂根据所需配制重量按比例称出，放入密封玻璃瓶中，放置24小时，待苯乙烯共聚物粉充分溶解到溶剂中，变成粘稠的均匀的苯乙烯共聚物溶液。在溶解过程中，视情况，可用不锈钢棒或玻璃棒搅拌，使其均匀一致。

3)把钎基焊粉和粘结剂按上述比例混合均匀(粘结剂质量为钎料质量的7％)，并搅拌成黏土状的膏体。

4)在用辊轧机轧制粘带钎料，轧制成厚度均匀的带状钎料。

5)轧制得到的带状钎料在干燥柜25℃恒温干燥6个小时。

6)干燥后的钎料带再按设计好的规格尺寸进行裁剪。

7)在钎料上涂覆胶粘剂并用单面硅隔离纸进行盖面，最后将制作好的钎料放入聚乙烯薄膜中保存，也可卷曲放置。

钎焊方法步骤为：

1)准备阶段：钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷。焊前，分别用玻璃和砂纸研磨95级氧化铝陶瓷和304不锈钢表面。用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗15min。随后用清洁布擦拭干净并常温干燥。

2)装配阶段：将304不锈钢、钎料、氧化铝陶瓷的顺序放入真空钎焊炉。

3)钎焊连接阶段：真空度优于3×10^-3Pa。先以8℃/min加热到100℃，然后以10℃/min的速率加热至600℃，保温10min后在加热至1000℃，保温15min后再以5℃/min的速率降温到300℃后随炉冷却至室温即可。

结果：钎焊获得的接头性能优良，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头抗剪强度最高可达87MPa。

实施例3

选择制备厚度为0.7mm，宽度为30mm的粘带钎料。钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷，尺寸为30mm×10mm×10mm。钎料中合金粉末各元素质量比为Ag22.0％，Cu6.0％，Mn4.0％，Nb4.0％，余量为Zr。

粘结剂质量为钎料质量的9.0％，胶粘剂质量为钎料质量的2.0％。粘结剂中二氯乙烷质量分数为92.5％，苯乙烯共聚物质量分数为6.5％。增稠树脂质量分数为1.0％。

制作工艺步骤：

上述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法包括以下步骤：

1)用气雾化制粉工艺生产高纯度、低氧含量的多元合金。各合金元素质量比例如下：Ag22.0％，Cu6.0％，Mn4.0％，Nb4.0％，余量为Zr。

2)苯乙烯共聚物粉与有机溶剂、增稠树脂根据所需配制重量按比例称出，放入密封玻璃瓶中，放置18小时，待苯乙烯共聚物粉充分溶解到溶剂中，变成粘稠的均匀的苯乙烯共聚物溶液。在溶解过程中，视情况，可用不锈钢棒或玻璃棒搅拌，使其均匀一致。

3)把钎基焊粉和粘结剂按上述比例混合均匀(粘结剂质量为钎料质量的8％)，并搅拌成黏土状的膏体。

4)在用辊轧机轧制粘带钎料，轧制成厚度均匀的带状钎料。

5)轧制得到的带状钎料在干燥柜25℃恒温干燥8个小时。

6)干燥后的钎料带再按设计好的规格尺寸进行裁剪。

7)在钎料上涂覆胶粘剂并用单面硅隔离纸进行盖面，最后将制作好的钎料放入聚乙烯薄膜中保存，也可卷曲放置。

钎焊方法步骤为：

1)准备阶段：钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷。焊前，分别用玻璃和砂纸研磨95级氧化铝陶瓷和304不锈钢表面。用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗12min。随后用清洁布擦拭干净并常温干燥。

2)装配阶段：将304不锈钢、钎料、氧化铝陶瓷的顺序放入真空钎焊炉。

3)钎焊连接阶段：真空度优于3×10^-3Pa。先以8℃/min加热到100℃，然后以12℃/min的速率加热至700℃，保温12min后在加热至1030℃，保温20min后再以8℃/min的速率降温到350℃后随炉冷却至室温即可。

结果：钎焊获得的接头性能优良，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，接头抗剪强度最高可达90MPa。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料，其特征在于：该钎料包含多元合金粉末、粘结剂和胶粘剂，粘结剂质量占总质量的质量分数为7.0％～10.0％，胶粘剂质量占总质量的质量分数为0.5％～2.5％，余量为多元合金粉末，多元合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Ag20.0％～25.0％，Cu5.0％～7.0％，Mn2.0％～5.0％，Nb3.0％～5.0％，余量为Zr。

2.根据权利要求1所述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料，其特征在于：所述粘结剂包含苯乙烯共聚物、增稠树脂和有机溶剂二氯乙烷，其中苯乙烯共聚物质量分数为5.0％～7.0％，增稠树脂质量分数为1.0％，有机溶剂二氯乙烷质量分数为92.0％～94.0％。

3.根据权利要求2所述的一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料，其特征在于：所述增稠树脂包含石油树脂、萜烯树脂和松香脂，三种成分的比例为1:1:1。

4.根据权利要求1所述的一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料，其特征在于：所述胶粘剂为顺丁橡胶。

5.根据权利要求1所述的一种304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料，其特征在于：所述合金粉末Ag的质量纯度为99.50％～99.90％，Cu的质量纯度为99.50％～99.90％，Zr的质量纯度为99.50％～99.90％，Mn的质量纯度为99.50％～99.90％，Nb的质量纯度为99.50％～99.90％，苯乙烯共聚物纯度为99.50％。

6.根据权利要求1所述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用真空气雾化制粉工艺生产高纯度、低氧含量的多元合金粉末；

2)苯乙烯共聚物粉与有机溶剂、增稠树脂根据所需配制重量按比例称出，放入密封玻璃瓶中，放置24～48小时，待苯乙烯共聚物粉充分溶解到溶剂中，变成粘稠的均匀的苯乙烯共聚物溶液；

3)把多元合金粉末和粘结剂按比例混合均匀，并搅拌成黏土状的膏体；

4)在用辊轧机轧制粘带钎料，轧制成厚度均匀的带状钎料；

5)轧制得到的带状钎料在干燥柜25℃恒温干燥6～12个小时；

6)干燥后的带状钎料带再按设计好的规格尺寸进行裁剪；

7)在带状钎料上涂覆胶粘剂并用单面硅隔离纸进行盖面，最后将制作好的钎料放入聚乙烯薄膜中保存。

7.根据权利要求1所述的304不锈钢与氧化铝陶瓷连接的粘带钎料的钎焊方法，其特征在于所述的钎焊方法包括以下步骤：

1)准备阶段：钎焊设备采用WZB-20真空钎焊炉，钎焊选用304不锈钢和95级氧化铝陶瓷。焊前，分别用玻璃和砂纸研磨95级氧化铝陶瓷和304不锈钢表面。用酒精清洗后放入超声波清洗器中，加入丙酮，清洗10～15min。随后用清洁布擦拭干净并常温干燥。

2)装配阶段：将304不锈钢、粘带钎料、氧化铝陶瓷的顺序放入真空钎焊炉。

3)钎焊连接阶段：真空度优于3×10^-3Pa。先以8℃/min加热到100℃，然后以10～15℃/min的速率加热至600～800℃，保温10～15min后在加热至1000～1050℃，保温15～30min后，再以5～10℃/min的速率降温到300～400℃后随炉冷却至室温即可。