CN1077151A

CN1077151A - 可焊陶瓷的Sn基活性软钎料

Info

Publication number: CN1077151A
Application number: CN 92106127
Authority: CN
Inventors: 冼爱平; 斯重遥
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 1992-04-11
Filing date: 1992-04-11
Publication date: 1993-10-13
Anticipated expiration: 2007-04-11
Also published as: CN1027626C

Abstract

本发明属于焊接技术领域，即提供了一种适用于陶瓷材料与金属材料直接焊接的Sn基活性钎料，本发明提出的钎料合金的配方如下(原子百分比)：

活性元素第三组元 Sn

0.5～10 0～40％余量其中活性元素指Ti，Zr，V，Hf或其复合，第三组元指 Ag，Cu，Ni，In或其复合。本发明可用于氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷与金属的直接钎焊，且所获接头连接牢固，残余应力较低。

Description

本发明属于焊接技术领域，具体地说就是提供了一种Sn基活性钎料，适用于各种陶瓷材料与金属的直接钎焊。

软钎焊是一种用途很广的实用技术，十分适用于制造对接头强度和使用温度要求不太高的中、小金属零件，特别是金属导线的连接，普通的软钎料，如Sn-Pb，Sn-Bl等合金的一个主要缺点，是它们在金属氧化物表面均既不润湿也不粘附。而一般金属表面在空气中氧化速度极快，所以实际使用这些钎料钎焊时常常需要采用合适的钎剂，如加无机盐或无机酸（包括氯化锌、氯化铵、氯化亚锡、氯化钠和氯化钾、氯化钾、氟硼酸等），以及有机钎剂如松香等除去金属表面的一层薄氧化膜并加以保护新鲜表面，才能使钎料在金属表面发生很好的润湿和粘附。这些钎剂不但腐蚀工件、污染环境，而且也增加了焊后处理的困难。特别地，由于普通软钎料在陶瓷上根本不润湿，所以采用这些钎料钎焊陶瓷材料是不可能的，一种间接钎焊技术，即陶瓷表面采用物理或化学方法预镀一层金属膜层，例如EP016030lA2所提供的技术，可以实现金属与陶瓷的钎焊，这种技术路线的缺点是显而易见的，即不但技术上十分复杂，而且生产成本也迅速提高。一种金属与陶瓷直接钎焊的技术，即采用如GB2066291A、EP1044623A2和EP0135603A1所提供的活性金属钎料，由于这些钎料可在陶瓷表面上润湿和粘附，所以它们能够对未金属化的陶瓷直接进行钎焊，在技术上的优点是显而易见的，但这些技术的一个重要缺陷是由于这些钎料具有较高的熔点和强度，所以其所焊接的金属/陶瓷接头中残余应力很高，在这一高残余应力作用下，接头附近的陶瓷材料损伤严重，所焊接头常常在陶瓷一侧低应力破断。在某些场合，甚至接头焊后冷却中，接头附近的陶瓷中即产生开裂而自行破断。为了避免高的残余应力，GB2151173A提出采用一层软性夹层来松弛可能的残余应力。然而，由于中间层的插入，使接头设计复杂化，连接界数增加，并由此而产生一系列附加的焊接冶金问题。

本发明的目的在于提供一种软性的活性金属钎料，使得在无钎剂和陶瓷表面不予先金属化的情况下这些钎料能直接在陶瓷上润湿和粘附，并保持接头有较低的焊接残余应力，以方便的制造适合各种目的金属与陶瓷焊接接头。

本发明的特征为一种以Sn为主的二元或三元合金，Sn的含量在59at%以上，配方如下（原子百分比）：

其中活性元素指Ti，Zr，V，Hf或它们的复合，其含量范围分述如下：

Ti 1～10%，以3～5%最佳;Zr 1～10%，以2～5%最佳;

V 1～8%以2～5%最佳;Hf 0.5～8%，以2～5%最佳。

当活性元素为几种元素的复合时，添加总量的上限不大于其中单一元素含量最低的上限。第三组元指Ag，Cu，Ni，In其中的一种或它们的复合，含量范围分述如下：

Ag 0～30%，以5～10%最佳;Cu 0～40%，以5～10%最佳;

Ni 0～8%，以0.5～2%最佳;In 0～30%，以5～10%最佳。

当第三组元为几种元素的复合时，添加总量的上限应不大于其中单一元素含量最高的上限。

本发明提供的钎料可以采用合适的方法，如真空熔炼或氩气保护下的钨弧熔炼加以制备，当本钎料用于陶瓷的钎焊时，需在真空或惰性气体保护条件下进行，温度范围为：1000K～1300K。

本钎料在多种陶瓷表面有良好的可润湿性，对未经预先金属化处理的陶瓷表面，钎料的润湿角可低于20度以下，同时钎料在陶瓷上有很好的连接强度，用小接头（3×4×40）四点弯曲法测定，一般可达40MPa，在某些情况下最高可达150MPa。本发明提供的钎料对陶瓷材料有较广的适应性，包括氧化物陶瓷，例如氧化铝、刚玉、氧化镁、莫来石、氧化锆、石英等，及非氧化物陶瓷如金刚石、石墨、氮化硅、塞隆和碳化硅等，下面详述实施例。

实施例1

配制一种成份为5%Ti，5%Cu其余为Sn的合金，在真空中熔炼均匀，冷却后得到一种延性良好的三元活性钎料，这种钎料可以用普通的机械加工方法制成钎料片。

取一片钎料片置于塞隆陶瓷（Sl₃N₄+少量Al₂O₃和Y₂O₃）之间，真空下加热到1100K保温20mln，钎料在陶瓷表面润湿良好，其均匀的填满钎缝，形成钎脚，并得到了牢固的焊接接头。

实施例2

配制一种成份为4%Hf，0.36Ni，其余为Sn的合金，在Ar气保护下，用钨电弧熔炼均匀。取一小块钎料置于棕刚玉陶瓷（Al₂O₃+3wt%Cr₂O₃）上，在真空下加热至1200K保温20mln后，钎料在陶瓷表面润湿性良好，并实现牢固的粘附。

Claims

1、一种Sn基二元或三元活性软钎料，特别适用于金属与陶瓷的直接焊接，其特征在于Sn含量大于59at%，同时添加有活性元素和第三组元，钎料的配方如下(原子百分比)：

活性元素第三组元 Sn

0.5～10 0～40% 余量

2、按权利要求1所述的活性软钎料，其特征在于活性元素指下列一种元素、或几种元素的复合：Ti，Zn，V，Hf。

3、按权利要求2所述活性软钎料，其特征在于活性元素单独添加时其范围如下：

Ti 1～10% Zr 1～10%

V 1～8% Hf 0.5～8%

4、按权利要求2所述活性软钎料，其特征在于活性元素单独添加时其最佳范围如下：

Ti 3～5% Zr 2～5%

V 2～5% Hf 2～5%

5、按权利要求2所述活性软钎料，其特征在于活性元素为几种复合添加时，总量的上限不大于其中一种元素单独添加时最低的上限。

6、按权利要求1所述活性软钎料，其特征在于第三组元为下列一种元素，或几种元素的复合：Ag，Cu，Ni，In。

7、按权利要求6所述活性软钎料，其特征在于第三组元单独添加时，其含量范围如下：

Ag 0～30% Cu 0～40%

Ni 0～8% In 0～30%

8、按权利要求6所述的活性软钎料，其特征在于第三组元为几种元素复合添加时，其加入总量的上限应不大于其中一种元素单独添加时最高值的上限。

9、按权利要求1、2、6所述活性软钎料，其特征在于所述钎料用于陶瓷焊接时，需在真空或保护性气氛中进行，钎焊温度在1000～1300K范围内。