CN113857605A - 一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法 - Google Patents

一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法 Download PDF

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Abstract

一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，涉及一种低碳钢与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法。本发明是要解决目前低碳钢和氧化铝在空气反应钎焊过程中较高的连接温度使低碳钢表面造成严重的氧化，导致连接失效的技术问题。本发明提供一种通过渗铝在低碳钢表面制备保护层的方法，该保护层在低碳钢和陶瓷空气反应钎焊过程中既很好的抑制了低碳钢的氧化，又能与钎料结合形成新的界面，得到了具有抗氧化性，力学性能优异的接头，拓宽了低碳钢/氧化铝陶瓷复合件的应用范围。

Description

一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的 方法
技术领域
本发明涉及一种低碳钢与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法。
背景技术
氧化铝(Al2O3)陶瓷由于具有良好的电气绝缘性能、机械强度和耐高温性，广泛应用于航空航天、微电子、电力行业等多个领域，尤其随着近年来我国电力建设输电工程，交、直流特高压输电技术迅猛发展，对以氧化铝陶瓷为主要构成材料的绝缘子需求量逐年提高。绝缘子一般主要由瓷质和金属组成，中间用水泥粘合剂胶合。
采用空气反应钎焊方法将两者连接，可以制造高可靠性的绝缘子连接件。对于低碳钢而言，在空气反应钎焊过程中较高的连接温度将使低碳钢表面造成严重的氧化，导致连接失效，需要采用表面处理的方法抑制其在空气钎焊过程中的氧化。
发明内容
本发明是要解决目前低碳钢和氧化铝在空气反应钎焊过程中较高的连接温度使低碳钢表面造成严重的氧化，导致连接失效的技术问题，而提供一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法。
本发明的低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法是按以下步骤进行的：
一、准备母材：将低碳钢切割成所需的尺寸，然后依次利用600#、800#和1000#的水砂纸对低碳钢待焊表面进行打磨，再依次使用600#和1000#的金相砂纸将低碳钢待焊表面打磨至无划痕为止，然后将其浸入无水乙醇中超声清洗3min；
切割Al2O3陶瓷成所需的尺寸，将其待焊面在1000#金刚石磨盘进行研磨至表面无切割痕迹，然后依次使用W3.5、W2.5和W1的研磨膏在玻璃板上研磨至Al2O3陶瓷待焊面为镜面光泽，然后将Al2O3陶瓷放入无水乙醇中进行超声波清洗；
二、低碳钢表面保护层的制备：将铝片打磨后用胶水固定粘在步骤一清洗后的低碳钢待焊面上，放入无水乙醇中进行超声波清洗，自然风干，然后放入石墨模具中，使用真空炉加热扩散，真空度为6×10-3Pa～6.2×10-3Pa，加热温度为610℃～900℃，保温时间为30min～90min，保温结束后降温到300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，取出试样，将试样表面粗糙的黑色部分打磨平整，得到表面渗铝的低碳钢；所述的铝片的厚度为200μm～500μm；
三、焊料的制备：将Ag粉和CuO粉混合在一起，加入酒精，使用研钵研磨均匀后放入烘干箱内，在100℃～105℃保温90min～100min，使用液压机将其压成片状，得到Ag-CuO钎料片；所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％～12％；
四、焊接试样装配：将步骤一中得到的Al2O3陶瓷、步骤二得到的表面渗铝的低碳钢和步骤三得到的Ag-CuO钎料片按照三明治装配方式进行装配，Ag-CuO钎料片放在中间，Ag-CuO钎料片使用502胶水和母材进行固定，得到装配完成的待焊样；
五、焊接过程：将步骤四得到的待焊样放入陶瓷模具中，然后将模具放入马弗炉中，将炉内温度以5℃/min～8℃/min的升温速率升温至连接温度并保温5min～30min，然后以5℃/min～8℃/min的降温速率降温至300℃～305℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。
本发明钎焊后的焊缝均无明显的缝隙、孔洞、裂纹等缺陷，连接情况良好；由能谱分析结果可知钎料中的CuO和渗铝低碳钢表面的氧化铝膜发生了反应，生成一层连续均匀的反应层CuAl2O4；低碳钢表面一定厚度内渗入了大量的铝元素，形成了金属间化合物FexAl。
本发明提供一种通过渗铝在低碳钢表面制备保护层的方法，该保护层在低碳钢和陶瓷空气反应钎焊过程中既很好的抑制了低碳钢的氧化，又能与钎料结合形成新的界面，得到了具有抗氧化性，力学性能优异的接头，拓宽了低碳钢/氧化铝陶瓷复合件的应用范围。
本发明具有以下的有益效果：
1、本发明操作简便，成本低廉，通过在低碳钢表面渗铝制备出抗氧化保护层Al/FexAl，有效的保护低碳钢在空气反应钎焊过程中不被氧化；
2、本发明得到了抗氧化的金属/陶瓷接头，拓宽了低碳钢/氧化铝陶瓷复合件的使用范围；
3、本发明得到了力学性能优异的金属/陶瓷接头，接头室温剪切强度可以达到72MPa，提高了低碳钢/氧化铝陶瓷复合件的使用寿命。
附图说明
图1为试验一得到的表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头微观组织背散射图；
图2为试验二得到的表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头微观组织背散射图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、准备母材：将低碳钢切割成所需的尺寸，然后依次利用600#、800#和1000#的水砂纸对低碳钢待焊表面进行打磨，再依次使用600#和1000#的金相砂纸将低碳钢待焊表面打磨至无划痕为止，然后将其浸入无水乙醇中超声清洗3min；
切割Al2O3陶瓷成所需的尺寸，将其待焊面在1000#金刚石磨盘进行研磨至表面无切割痕迹，然后依次使用W3.5、W2.5和W1的研磨膏在玻璃板上研磨至Al2O3陶瓷待焊面为镜面光泽，然后将Al2O3陶瓷放入无水乙醇中进行超声波清洗；
二、低碳钢表面保护层的制备：将铝片打磨后用胶水固定粘在步骤一清洗后的低碳钢待焊面上，放入无水乙醇中进行超声波清洗，自然风干，然后放入石墨模具中，使用真空炉加热扩散，真空度为6×10-3Pa～6.2×10-3Pa，加热温度为610℃～900℃，保温时间为30min～90min，保温结束后降温到300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，取出试样，将试样表面粗糙的黑色部分打磨平整，得到表面渗铝的低碳钢；所述的铝片的厚度为200μm～500μm；
三、焊料的制备：将Ag粉和CuO粉混合在一起，加入酒精，使用研钵研磨均匀后放入烘干箱内，在100℃～105℃保温90min～100min，使用液压机将其压成片状，得到Ag-CuO钎料片；所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％～12％；
四、焊接试样装配：将步骤一中得到的Al2O3陶瓷、步骤二得到的表面渗铝的低碳钢和步骤三得到的Ag-CuO钎料片按照三明治装配方式进行装配，Ag-CuO钎料片放在中间，Ag-CuO钎料片使用502胶水和母材进行固定，得到装配完成的待焊样；
五、焊接过程：将步骤四得到的待焊样放入陶瓷模具中，然后将模具放入马弗炉中，将炉内温度以5℃/min～8℃/min的升温速率升温至连接温度并保温5min～30min，然后以5℃/min～8℃/min的降温速率降温至300℃～305℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的低碳钢型号为Q235。其他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或二不同的是：步骤一中使用电火花数控线切割机将低碳钢切割成所需的尺寸。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中真空度为6×10-3Pa。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二加热温度为900℃。其他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一不同的是：步骤二中保温时间为30min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的铝片的厚度为200μm～500μm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中将炉内温度以5℃/min的升温速率升温至1050℃并保温15min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中以5℃/min的降温速率降温至300℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、准备母材：使用电火花数控线切割机将低碳钢切割成所需的尺寸，然后依次利用600#、800#和1000#的水砂纸对低碳钢待焊表面进行打磨，再依次使用600#和1000#的金相砂纸将低碳钢待焊表面打磨至无划痕为止，然后将其浸入无水乙醇中超声清洗3min；所述的低碳钢型号为Q235；
使用内圆切割机切割Al2O3陶瓷成所需的尺寸，将其待焊面在1000#金刚石磨盘进行研磨至表面无切割痕迹，然后依次使用W3.5、W2.5和W1的研磨膏在玻璃板上研磨至Al2O3陶瓷待焊面为镜面光泽，然后将Al2O3陶瓷放入无水乙醇中进行超声波清洗；
二、低碳钢表面保护层的制备：将铝片打磨后用胶水固定粘在步骤一清洗后的低碳钢待焊面上，放入无水乙醇中进行超声波清洗，自然风干，然后放入石墨模具中，使用真空炉加热扩散，真空度为6×10-3Pa，加热温度为900℃，保温时间为30min，保温结束后降温到300℃，随后随炉冷却至室温，取出试样，将试样表面粗糙的黑色部分打磨平整，得到表面渗铝的低碳钢；所述的铝片的厚度为200μm；所述的胶水为502胶水；
三、焊料的制备：将Ag粉和CuO粉混合在一起，加入酒精，使用研钵研磨均匀后放入烘干箱内，在100℃保温90min，使用液压机将其压成片状，得到Ag-CuO钎料片；所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％；
四、焊接试样装配：将步骤一中得到的Al2O3陶瓷、步骤二得到的表面渗铝的低碳钢和步骤三得到的Ag-CuO钎料片按照三明治装配方式进行装配，Ag-CuO钎料片放在中间，Ag-CuO钎料片使用502胶水和母材进行固定，得到装配完成的待焊样；
五、焊接过程：将步骤四得到的待焊样放入陶瓷模具中，然后将模具放入马弗炉中，将炉内温度以5℃/min的升温速率升温至1050℃并保温15min，然后以5℃/min的降温速率降温至300℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。
在电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，试验一所得的表面渗铝的低碳钢和氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头室温剪切强度为72MPa。
试验二：本试验与试验一不同的是：步骤二中所述的铝片的厚度为500μm。其它与试验一相同。
在电子万能试验机进行剪切测试，加载速度为0.5mm/min，试验二所得的表面渗铝的低碳钢和氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头室温剪切强度为22MPa。
图1为试验一得到的表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头微观组织背散射图，图2为试验二得到的表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷空气反应钎焊的接头微观组织背散射图，从图中可以看出焊缝均无明显的缝隙、孔洞、裂纹等缺陷，连接情况良好。由能谱分析结果可知钎料中的CuO和铝化后的Q235钢表面的氧化铝膜发生了反应，生成一层连续均匀的反应层CuAl2O4。Q235低碳钢表面一定厚度(试验一为119μm，试验二为136μm)内渗入了大量的铝元素，形成了金属间化合物FexAl。
本发明界面的典型结构为Al2O3/CuAl2O4/Ag/CuAl2O4/Al/FexAl/低碳钢。

Claims (10)

1.一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法是按以下步骤进行的：
一、准备母材：将低碳钢切割成所需的尺寸，然后依次利用600#、800#和1000#的水砂纸对低碳钢待焊表面进行打磨，再依次使用600#和1000#的金相砂纸将低碳钢待焊表面打磨至无划痕为止，然后将其浸入无水乙醇中超声清洗3min；
切割Al2O3陶瓷成所需的尺寸，将其待焊面在1000#金刚石磨盘进行研磨至表面无切割痕迹，然后依次使用W3.5、W2.5和W1的研磨膏在玻璃板上研磨至Al2O3陶瓷待焊面为镜面光泽，然后将Al2O3陶瓷放入无水乙醇中进行超声波清洗；
二、低碳钢表面保护层的制备：将铝片打磨后用胶水固定粘在步骤一清洗后的低碳钢待焊面上，放入无水乙醇中进行超声波清洗，自然风干，然后放入石墨模具中，使用真空炉加热扩散，真空度为6×10-3Pa～6.2×10-3Pa，加热温度为610℃～900℃，保温时间为30min～90min，保温结束后降温到300℃～320℃，随后随炉冷却至室温，取出试样，将试样表面粗糙的黑色部分打磨平整，得到表面渗铝的低碳钢；所述的铝片的厚度为200μm～500μm；
三、焊料的制备：将Ag粉和CuO粉混合在一起，加入酒精，使用研钵研磨均匀后放入烘干箱内，在100℃～105℃保温90min～100min，使用液压机将其压成片状，得到Ag-CuO钎料片；所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％～12％；
四、焊接试样装配：将步骤一中得到的Al2O3陶瓷、步骤二得到的表面渗铝的低碳钢和步骤三得到的Ag-CuO钎料片按照三明治装配方式进行装配，Ag-CuO钎料片放在中间，Ag-CuO钎料片使用502胶水和母材进行固定，得到装配完成的待焊样；
五、焊接过程：将步骤四得到的待焊样放入陶瓷模具中，然后将模具放入马弗炉中，将炉内温度以5℃/min～8℃/min的升温速率升温至连接温度并保温5min～30min，然后以5℃/min～8℃/min的降温速率降温至300℃～305℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤一中所述的低碳钢型号为Q235。
3.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤一中使用电火花数控线切割机将低碳钢切割成所需的尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤二中真空度为6×10-3Pa。
5.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤二加热温度为900℃。
6.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤二中保温时间为30min。
7.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤二中所述的铝片的厚度为200μm～500μm。
8.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤三中所述的Ag-CuO钎料片中CuO的摩尔分数为4％。
9.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤五中将炉内温度以5℃/min的升温速率升温至1050℃并保温15min。
10.根据权利要求1所述的一种低碳钢表面渗铝并与氧化铝陶瓷进行空气反应钎焊的方法，其特征在于步骤五中以5℃/min的降温速率降温至300℃，随炉冷却至室温，即完成了表面渗铝低碳钢与氧化铝陶瓷的空气反应钎焊连接。
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