CN1146390A - 粗真空条件下焊接陶瓷的锡基活性钎料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粗真空条件下焊接陶瓷的锡基活性钎料，基本由(原子百分比)活性金属：1-10，锡：余量组成，其中活性金属指钛、锆、铪、钒或它们的复合，其特征在于：还含有2-30的挥发性组元，挥发性组元系指铅、锌、磷、锰或它们的复合。本发明提供的Sn基活性钎料可以在机械泵提供的粗真空下使用，因而便于推广应用。
Description
本发明属于特种焊接技术领域，具体地说就是提供一种特种活性钎料，其适用于在机械真空泵提供的粗真空条件下实施陶瓷与陶瓷焊接或陶瓷与金属的焊接，在焊接前陶瓷表面不需要预先进行金属化处理。
近一时期以来，由于各国科学界和工业界的共同努力，使传统的陶瓷材料性能发生了根本性的变化，精细陶瓷材料的生产已成为一个新兴的工业部门，其产品已进入实用化阶段。然而，当这种新材料由材料研究、制备转入实际产品制造的过程中，如同其它材料一样，可靠的连接技术是必须首先被解决的技术关键之一。
已有多种金属与陶瓷的连接技术，如机械连接，有机粘接，无机粘接，固态反应焊接，摩擦焊，激光焊接，陶瓷表面金属化后，间接钎焊，活性金属法直接钎焊等等。每一种技术都有一定的适用范围和优缺点，如机械连接不可靠，且使结构复杂化，有机粘接的耐温性很低，无机粘接的粘接强度低，且密封性差和易于水解。固态反应焊接的焊接热应力很大且焊接成本高，生产率低，摩擦焊只适用于特定的材料配合而且必须是形状简单的零件，激光焊接只适用于有确定熔点的氯化物陶瓷之间的焊接，陶瓷表面金属化后钎焊不但增加了生产工艺的复杂性，而且由于表面金属化工艺的波动，易于生产中间废品，最终增加生产成本等缺陷。作为对比，一般认为对于接头质量要求较高，且生产批量较大的情况下，活性金属法直接钎焊技术最具有竞争力，它最主要的优点是生产率高，适应范围广连接质量可靠，综合生产成本较低，而这一技术的核心是提供一种能够直接去陶瓷表面上润湿，铺展和粘附的活性金属钎料。
有几种不同体系的活性金属钎料用于陶瓷焊接，如欧共体专利EP 0104623(1983)提供的金基或钯基活性钎料，日本专利昭62-16896(1987)提供的银基活性钎料，英国专利GB2066291(1981)提供的铜基活性钎料和中国专利ZL 92106103.X(1995)提供的一种耐氧化型活性金属钎料等，这些活性金属钎料在高真空条件下(＜10-4Toor)能有效的润湿和焊接多种陶瓷材料，然而这些活性钎料的共同缺点是钎料本身的熔点较高，焊接结束以后的冷却过程中，由于金属与陶瓷材料的热膨胀差别，焊接接头中将形成很大的焊接残余热应力，这种残余应力过高时，常常导致焊接接头附近的陶瓷材料自行开裂。
为了降低焊接热应力，有必要发展一种低熔点的活性金属钎料，由于金属在完全凝固以前不可能传递应力，因此钎料的最终熔点越低，则意味着焊后残余热应力越小，这对成功的焊接一些自身强度较低的功能陶瓷材料尤为重要，目前已有几种专利技术提供以锡为基础成份的低熔点活性钎料如中国专利ZL 92106127.7(1995)；德国专利DE3641679A1(1987)和日本专利平1-95893(1989)，这些专利技术提供的钎料配方一般由三种成份组成，即
(1)基础成份Sn
(2)活性元素Ti，Zr或Hf
(3)第三组元Ag，Cu，Ni，In
这种低熔点活性钎料可以成功的焊接以往技术难以焊接的一些大尺寸陶瓷元件，同时它也可以焊接某些对热应力十分敏感的低强度功能陶瓷。然而这些活性钎料共同的缺点是，焊接一般要求在较高的真空度(＜10-4Toor)下进行，这就意味着焊接生产中要求使用价格昂贵的焊接设备，要消耗更多的时间用于获得真空和破坏真空，由设备漏气导致焊接质量不良等由此导致高的生产成本。
本发明的目的在于提供一种可以在粗真空条件下使用的Sn基活性钎料。
本发明提供了一种粗真空条件下焊接陶瓷的锡基活性钎料，基本由(原子百分比)
活性金属 1-10
锡 余量
组成，其中活性金属指钛、锆、铪、钒或它们的复合，其特征在于：还含有2-30的挥发性组元，挥发性组元系指铅、锌、磷、锰或它们的复合。
在上述钎料的基础上还可添加1-30的第三组元，第三组元系指银、铜、镍、铟或它们的复合。
本发明提供的活性钎料可以选择一种普通冶炼的方法进行合金化，然后用常规的加工方法将钎料制成合适的产品形状，如钎料片或钎料丝等。
一般地说，基体金属锡的作用是保证钎料有较低的最终熔点，以减小焊接应力；活性金属的作用是通过它们与陶瓷的界面反应，达到使活性钎料在陶瓷上润湿和粘附的目的；第三组元的作用是改善和调整活性钎料的强度，润湿性和钎料的其它综合性条件；本发明的实质是在原有的Sn基活性钎料配方中添加一些蒸汽压较高的焊发性元素，利用这些元素在高温下强烈焊发的特性，破坏液态金属表面已形成的连续氧化膜层，使新鲜的活性金属钎料与陶瓷表面接触并发生化学反应，达到在粗真空下实施陶瓷焊接的目的。与原有技术相比，本发明最主要的优点是可以在粗真空条件下使用，这种粗真空可以由普通机械泵所获得(10-1-10-2Torr)而原有技术一般要求由油扩散泵提供的中等真空度(10-4-10-5Torr)，这样本发明不但大大简单化了陶瓷焊接的要求的焊接设备的复杂程度，而且大大减小了为了获得高真空以及为取出焊接零件而破坏真空所必须耗费的生产时间。因此本发明提供的优点不但有利于该技术在普通工厂中实施使用，而且也将大大节省生产成本，提高产品的质量，另外由于采用铅、锌等贱金属进行合金化，也有助于进一步减小钎料本身的制造成本。下面通过实施例详述本发明。
实施例1
配制5％Cu，5％Ti，5％Zn，其余为Sn的活性钎料，采用钨电极氩气保护熔炼方法进行合金化，熔炼过程中采用电磁场搅拌，以保证合金成份均匀化，冷却后分次逐渐冷轧成钎料片备用。Sialon陶瓷棒待焊端面经仔细研磨和清洗后，置于一焊接夹具上，按Sialon/钎料/Sialon顺序装配后，将该夹具置于一普通真空炉中，封闭炉腔后，用机械真空泵抽真空，达到(10-2Torr)真空后，对陶瓷及钎料进行加热，升温至900℃后，保温20分钟，然后关闭加热电源，并随炉冷却，冷至室温后，获得连接牢固的焊接接头。
实施例2
配制3％Ag，4％Ti，2％Hf，25％Pb其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所述的程序制备钎料，并实施焊接，陶瓷材料为钛酸钡陶瓷真空度0.1Torr，冷却后获得了牢固的焊接接头。
实施例3
本制10％Cu，2％Ti，2％Zr，2％P其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所示的程序制备钎料，并实施焊接，材料为氧化铝陶瓷真空度为10-1Torr，冷却后，获得了牢固的焊接接头。
实施例4
配制3％Cu，3％Ag，4％Hf，25％Pb，5％Zn其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所示的程序制备钎料并实施焊接，材料为氮化硅陶瓷，真空度为10-2Torr冷却后，获得了牢固的焊接接头。
实施例5
配制1％Ni，3％Cu，2％Ti，1.5％Zr，15％Pb，2％Mn其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所示的程序制备钎料并实施焊接，材料为碳化硅陶瓷，真空度为0.1Torr冷却后，获得了牢固的焊接接头。
实施例6
配制5％Ti，10％Pb其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所示的程序制备钎料并实施焊接，材料为Sialon陶瓷，真空度为0.1Torr，冷却后获得了牢固的焊接接头。
实施例7
配制4％Ti，2％Hf，20％Pb其余为Sn的活性钎料，采用如实施例1所示的程序制备钎料并实施焊接，材料为氧化铝陶瓷，真空度为0.1Torr，冷却后获得了牢固的焊接接头。
实施例8及比较例
(试验条件：Sialon/Sialon陶瓷，900℃×30min，四点弯曲强度
| 合金成份 | 焊接真空度 | |
| 9.2Toor | 8.1Toor | |
| 原有技术Sn-5Cu-5Ti本发明Sn-5Cu-5Ti-25Pb | 未焊上25-47MPa | 未焊上57-94MPa |
Claims (2)
1.一种粗真空条件下焊接陶瓷的锡基活性钎料，基本由(原子百分比)
活性金属 1-10
锡 余量
组成，其中活性金属指钛、锆、铪、钒或它们的复合，其特征在于：还含有2-30的挥发性组元，挥发性组元x系指铅、锌、磷、锰或它们的复合。
2.按权利要求1所述粗真空条件下焊接陶瓷的锡基活性钎料，其特征在于：可添加1-30的第三组元，第三组元系指银、铜、镍、铟或它们的复合。
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