CN1721121A - 一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，主要特点是在陶瓷与钢待焊接触面之间添加活性中间合金，并将待焊陶瓷/钢工件用上、下压头压紧；置于真空室中进行真空扩散连接，工艺参数为：加热温度1060～1180℃，保温时间25～60min，压力8～16MPa，真空度为2.5×10^－4～1×10^－5Pa。本发明的方法有效实现了陶瓷与钢的扩散连接，能获得界面剪切强度达140MPa的陶瓷与钢扩散连接接头，可以满足陶瓷/钢复合结构的使用要求。本发明的陶瓷与钢连接方法具有成本低、工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。

Description

一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷与钢的扩散连接方法，尤其涉及一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，属于焊接技术领域。

背景技术

结构陶瓷具有优异的耐高温、抗腐蚀和化学稳定性，是一种很有发展前途的结构材料。由于陶瓷材料的本征脆性以及制备高性能构件的难度很大，将陶瓷与钢焊接在一起制备成复合结构，在能源、化工、电子、汽车和航空航天等领域有广泛的应用前景。

现有的陶瓷与金属的连接主要采用钎焊方法，包括陶瓷-金属化钎焊法和陶瓷-金属活性钎焊法等。采用钎焊方法连接陶瓷-金属虽然可以获得室温性能较好的接头，但钎焊接头的使用温度一般不超过300～500℃，不能充分发挥陶瓷材料的耐高温、抗氧化优势。如果要获得具有一定耐高温性能的陶瓷/钢接头，必须采用高温钎料在1000～1300℃下进行钎焊连接，一般是采用以贵金属为基的合金，如金、铂、镍等，而且对钎焊工艺参数的控制要求很严格。由于受焊接成本的影响，采用贵金属钎料钎焊陶瓷与钢异种材料的应用范围受到很大的限制。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，针对Al₂O₃陶瓷、TiC陶瓷、SiC和Si₃N₄等陶瓷，提出一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，以实现陶瓷与钢(低碳钢、不锈钢和工具钢等)的扩散连接。

本发明的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，由下述步骤组成：

(1)焊前清理陶瓷与钢的待焊表面，并拭净、吹干；

(2)在陶瓷与钢待焊接触面之间添加活性中间合金，并将待焊工件用上、下压头压紧；

(3)将陶瓷与钢待焊工件置于真空室中，进行真空扩散焊，工艺参数为：加热温度1060～1180℃，保温时间25～60min，压力8～16MPa，真空度为2.5×10^-4～1×10^-5Pa；

(4)真空室通过水循环冷却，待焊接完成到并冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却6～10h后，取出陶瓷/钢工件。

其中，上述步骤(1)所述的焊前清理包括机械清理和化学清理，机械清理是指用金相砂纸打磨钢的待焊表面，使其表面粗糙度达到Ra 1.6～6.4μm；化学清理是指采用体积百分比为10％的硫酸或10％～15％的盐酸或75％～100％的酒精对待焊工件表面的清洗；其中，酸洗时间5～10min；酸洗后，清水冲洗、用酒精将待焊工件表面擦拭干净、吹干。

其中，上述步骤(2)所述的活性中间合金是指铜箔与钛箔或钛粉，它们以顺序为陶瓷-钛箔+铜箔+钛箔-钢或陶瓷-钛粉+铜箔+钛粉-钢的方式夹放在陶瓷与钢工件之间。

其中，上述的活性中间合金铜箔与钛箔或钛粉的纯度大于99％。

其中，钛粉的粒度大于200目。

其中，上述钛箔的厚度为10～20μm，铜箔的厚度为80～140μm。

其中，上述钛粉的添加量为铜箔质量的10％～25％。

其中，上述步骤(3)所述真空扩散焊接工艺参数优选是：加热温度1080～1120℃，保温时间40～60min，压力12～15MPa，真空度为2.5×10^-4～4.5×10^-4Pa。

本发明的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，原理是通过添加活性钛箔和铜箔(或铜箔+钛粉)，在焊接过程中活化陶瓷与钢的待焊接触表面，实现陶瓷与钢的扩散连接。钛箔和铜箔(或铜箔+钛粉)的活化温度范围低于钢的软化温度。扩散连接时，活性中间合金首先发生活化反应，分解出Ti、Cu等活性原子并迅速扩散到陶瓷和钢的接触表面。这一活化过程一方面激活陶瓷-钢接触表面的原子，另一方面活性原子Ti、Cu与陶瓷/钢界面处原子发生扩散反应，生成新的物相结构。活性原子Ti、Cu在陶瓷/钢界面之间形成的扩散反应新相结构有利于促进陶瓷/钢界面形成良好的扩散结合，提高陶瓷/钢扩散焊接头的结合强度性能。

本发明中采用的钛箔和铜箔(或铜箔+钛粉)活性中间合金，熔点较低，焊接过程中在较低温度下即可熔化成液态金属，润湿陶瓷与钢的接触表面，提高陶瓷与钢的界面润湿能力，促进两者之间原子的扩散并发生扩散反应；加之经过设定的保温时间，扩散反应可持续进行，加速了陶瓷与钢之间的扩散结合。

焊前将活性钛箔和铜箔(或铜箔+钛粉)夹放在陶瓷与钢件之间，将添加活性中间合金的陶瓷与钢组合件用上、下压头压紧。在扩散连接过程中施加压力，可以减小陶瓷、活性中间合金与钢之间的微观间隙，增大陶瓷和钢与中间合金的接触面积，促进Ti、Cu与陶瓷/钢界面处的原子扩散，有利于扩散反应，提高连接界面的结合强度。

采用本发明的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，在活性钛箔和铜箔(或铜箔+钛粉)的作用下，完全实现了陶瓷与钢的扩散连接。并且，结合本发明方法中给出的优化真空扩散焊接参数，能够获得剪切强度达140MPa的陶瓷与钢的扩散连接接头，可以满足陶瓷/钢复合结构的使用要求。本发明的陶瓷与钢的连接方法具有成本低、工艺简单方便，适用性强、便于推广应用等优点。

本发明的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法的提出，特别是方法中涉及的添加活性中间合金成分及扩散连接工艺，在陶瓷与钢异种材料焊接方面是一个重要的突破。该焊接工艺可以确保陶瓷与钢界面的充分扩散结合。通过采用活性中间合金(钛箔、铜箔、钛粉)有效解决了陶瓷与钢之间难以扩散结合的技术难题，提高了陶瓷与钢扩散连接接头的界面结合强度。利用本发明的方法尤其适用于陶瓷-钢复合刀具的制备，也可应用于其他陶瓷-钢复合结构件的制造。

具体实施方式

实施例1：直径φ50mm×3mm陶瓷与直径φ50mm×2mm高速工具钢的扩散连接。

具体工艺步骤如下：

(1)将直径φ50mm×2mm的高速工具钢待焊表面用10％的硫酸进行酸洗8～10min，清水洗净，吹干；用金相砂纸打磨钢的待焊表面，使其表面粗糙度达到Ra 2.5～5.2μm；再用酒精将表面擦拭干净，吹干。另用酒精将直径φ50mm×3mm陶瓷待焊表面进行擦洗，吹干。

(2)在陶瓷与钢的待焊接触面之间，以陶瓷-钛箔+铜箔+钛箔-高速工具钢的顺序夹放厚度为15μm钛箔和厚度为110μm铜箔活性中间合金，并用上、下压头压紧。

(3)将夹有活性中间合金层的陶瓷与高速工具钢组合件置于真空扩散焊设备的真空室中进行真空扩散焊，扩散焊工艺参数为：加热温度1100～1160℃，保温时间50min，压力13～15MPa，真空度为4.5×10^-4Pa。

(4)待焊接保温50min后，真空室通过水循环冷却，冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却6～7h后，取出陶瓷/钢工件，制得陶瓷与高速工具钢扩散焊接头。经测试，该陶瓷/高速工具钢界面的剪切强度达120MPa。

实施例2：100mm×40mm×5mm陶瓷板与100mm×40mm×5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢板材的扩散连接。

具体工艺步骤如下：

(1)将1Cr18Ni9Ti不锈钢片表面用15％的盐酸进行酸洗6～9min，清水洗净，吹干；用金相砂纸打磨不锈钢的待焊表面，使其表面粗糙度达到Ra 2.5～4.0μm；，再用酒精将表面擦拭干净，吹干。另用酒精将陶瓷待焊表面进行擦洗，吹干。

(2)在陶瓷与不锈钢待焊接触面之间，以陶瓷-钛箔+铜箔+钛箔-不锈钢的顺序夹放厚度为10μm钛箔和厚度为120μm铜箔活性中间合金，并用上、下压头压紧。

(3)将夹有活性中间合金层的陶瓷与不锈钢组合件置于真空扩散焊设备的真空室中进行真空扩散焊，扩散焊工艺参数为：加热温度1080～1120℃，保温时间55min，压力12～14MPa，真空度为2.5×10^-4Pa。

(4)待焊接保温55min后，真空室通过水循环冷却，冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却6～8h后，取出陶瓷/钢工件，制得陶瓷与不锈钢扩散焊接头。经测试，该陶瓷/不锈钢界面的剪切强度达140MPa。

实施例3：直径φ30mm×2mm陶瓷圆片与直径φ30mm×2mm高速工具钢圆片的扩散连接。

具体工艺步骤如下：

(1)将直径φ30mm×2mm的高速工具钢圆片待焊表面用10％的盐酸进行酸洗5～8min，清水洗净，吹干；用金相砂纸打磨钢的待焊表面，使其表面粗糙度达到Ra 2.0～3.0μm；，再用酒精将表面擦拭干净，吹干。另用酒精将直径φ30mm×2mm陶瓷圆片待焊表面进行擦洗，吹干。

(2)在陶瓷与钢待焊接触面之间，以陶瓷-钛粉+铜箔+钛粉-高速工具钢的顺序夹放纯度为99.9％，粒度为200～250目的钛粉和厚度为100μm铜箔活性中间合金，其中，钛粉的添加量为铜箔质量的20％，并将工件用上、下压头压紧。

(3)将夹有活性中间合金层的陶瓷与高速工具钢组合件置于真空扩散焊设备的真空室中进行真空扩散焊，扩散焊工艺参数为：加热温度1100～1140℃，保温时间45min，压力10～12MPa，真空度为4.5×10^-4Pa。

(4)放有陶瓷/钢工件的真空室通过水循环冷却，待扩散焊完成并冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却6～8h后，取出陶瓷/钢工件，制得陶瓷与高速工具钢扩散焊接头。经测试，该陶瓷/高速工具钢界面的剪切强度达120MPa。

Claims (7)

1、一种添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，由下述步骤组成：

(1)焊前清理陶瓷与钢的待焊表面，并拭净、吹干；

(2)在陶瓷与钢待焊接触面之间添加活性中间合金，并将工件用上、下压头压紧；

(3)将陶瓷与钢待焊工件置于真空室中，进行真空扩散焊，工艺参数为：加热温度1060～1180℃，保温时间25～60min，压力8～16MPa，真空度为2.5×10^-4～1×10^-5Pa；

(4)扩散焊完成后通过水循环冷却，待真空室冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却6～10h后，取出陶瓷/钢工件。

2、根据权利要求1所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，步骤(1)所述的焊前清理包括机械清理和化学清理，机械清理是指用金相砂纸打磨钢的待焊接触表面，使其表面粗糙度达到Ra 1.6～6.4μm；化学清理是指采用体积百分比为10％的硫酸或10％～15％的盐酸或酒精对待焊接触表面的清洗；其中，酸洗时间5～10min；酸洗后，清水冲洗，用酒精将待焊工件表面擦拭干净。

3、根据权利要求1所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，步骤(2)所述的活性中间合金是指铜箔、钛箔或钛粉，它们以顺序为陶瓷-钛箔+铜箔+钛箔-钢或陶瓷-钛粉+铜箔+钛粉-钢的方式夹放在陶瓷与钢工件之间。

4、根据权利要求3所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，所述的活性中间合金铜箔、钛箔或钛粉的纯度大于99％；其中，钛粉的粒度大于200目。

5、根据权利要求3或4所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，所述的钛箔的厚度为10～20μm，所述的铜箔的厚度为80～140μm。

6、根据权利要求3或4所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，所述钛粉的添加量为铜箔质量的10％～25％。

7、根据权利要求1所述的添加活性中间合金扩散连接陶瓷与钢的方法，其特征在于，步骤(3)所述真空扩散焊接工艺参数是：加热温度1080～1120℃，保温时间40～60min，压力12～15MPa，真空度为2.5×10^-4～4.5×10^-4Pa。