陶瓷金属钎焊

本科课程论文题目陶瓷金属钎焊

院（系）化学学院

专业应用化学

课程材料化学

学生姓名金露

学号**********

指导教师王宏里

二○一三年十二月

陶瓷和金属钎焊技术

摘要：陶瓷与金属的钎焊技术是金属陶瓷材料得以发展和应用的关键技术之一。概述了陶瓷与金属钎焊的困难，阐述了陶瓷与金属钎焊的技术方法及其研究进展, 展望了陶瓷与金属钎焊技术的应用前景。

关键字：陶瓷金属钎焊

0 前言：

陶瓷材料具有优异的耐高温、耐磨损、抗腐蚀性能和密度低、绝缘性好的特点, 在汽车、军工、电子、航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而陶瓷塑性差、脆性高的特点一方面造成了形状复杂的陶瓷零件加工成型困难, 另一方面决定了其在单独使用过程中抵抗热应力和冲击载荷的能力差。根据使用要求选择有效的连接方法, 将陶瓷与金属连接起来获得陶瓷一金属复合构件, 能把二者的优点结合起来, 充分发挥陶瓷材料的优异性能并拓宽其应用范围。

其中钎焊就是把金属与陶瓷连接起来的一种方法。钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，如蜂窝结构板、透平叶片、硬质合金刀具和印刷电路板等。钎焊前对工件必须进行细致加工和严格清洗，除去油污和过厚的氧化膜，保证接口装配间隙。间隙一般要求在0.01～0.1毫米之间。

1 陶瓷与金属钎焊的困难

异种材料钎焊存在很多困难：线膨胀系数不同容易引起热应力，异种材料焊接热影响区力学性能较差，特别是塑性和韧性下降；一种材料焊接接头容易产生裂纹甚至发生断裂。陶瓷与金属钎焊时由于陶瓷材料与金属原子结构之间存在本质上的差别，加上陶瓷本身特殊的物理化学性能，因此，陶瓷与金属的钎焊存在不少问题。由于普通金属钎料在陶瓷表面润湿性很差。因此提高钎料在陶瓷表面的润湿性是保证钎焊质量的关键。此外，金属和陶瓷物理性能、力学性能的不匹配也是影响钎焊的重要因素。具体体现为以下几个方面：

（1）、陶瓷与金属钎料难润湿

熔点：陶瓷～2000℃；金属～1600℃

陶瓷sg 金属sg，sg sl

（2）、陶瓷与金属的物理化学性质差异大

陶瓷CTE ～2；金属CTE 13～24

（3）、陶瓷的线膨胀系数比较小，与金属的线膨胀系数相差较大，陶瓷与金属焊

接时接头区会产生残余应力。残余应力较大时还会导致接头处产生裂纹，甚至引起断裂破坏。

（4）、陶瓷熔点高, 硬度和强度高, 不易变形, 扩散连接时要求被连接体表面非常平整清洁。

（5）、大部分陶瓷导电性很差或基本不导电, 很难采用电焊方法连接。

2 陶瓷与金属钎焊技术

根据陶瓷-金属钎焊遇到的困难，得出陶瓷钎焊的研究主要集中在以下几方面：

(1) 活性钎料

(2) 特殊钎料

(3) 表面金属化处理

2.1活性钎料

活性钎焊不需对陶瓷表面预金属化, 工艺过程相对简单。采用活性钎焊时, 钎料中最常添加的活性元素是Ti, 其次是Zr、Cr、Ni等。钎焊过程中, 活性元素与陶瓷表面发生化学反应形成反应层。一方面反应层中的反应产物大都具有与金属相同或相似的结构, 可以被熔化的金属润湿另一方面界面反应在金属钎料与陶瓷间形成新的化学键, 强化了二者间的冶金接合。由于活性元素化学性质活跃, 高温下易与空气中的氧气等发生化学反应, 因此活性钎焊通常在真空或惰性气体保护下进行。

2.1.1 Ti活性钎料钎焊

(1)常用的是AgCuTi，其他的还有CuTi、CuSnTi、TiSi等。

(2)依靠活性元素与陶瓷之间的反应形成润湿结合。

(3)要真空或保护气氛下高温（900℃以上）完成。

2.1.2 Cr活性钎料钎焊

含有活性元素Cr的Cu基或CuNi基钎料，常需要在1150℃真空条件下进行。

如，在SiC陶瓷中，常用Cr活性钎料，发生Cr+SiC→Cr3C2+Si反应，反应层为Cr3C2，Cu和C混合物；

又如，在Si3N4陶瓷中，常用Ni22Cr活性钎料，发生Si3N4+Cr→CrN+Si 反应。

2.1.3Zr活性钎料钎焊

如，在Al2O3陶瓷中，常用含活性元素Zr的AgCuSn基钎料，在800℃真空条件下进行。发生Zr+Al2O3→ZrO2+Al反应，反应层主要是ZrO2和一些Ag 、Cu的小颗粒。

2.2特殊钎料

对于SiC陶瓷，高温下Ni能使得SiC分解，但润湿性不好。而加入适量的Si元素，能够抑制分解，且提高润湿性，但由于热膨胀系数的差异造成的开裂问题没有解决。所以常加入NiSi钎料，既可提高湿润效果，又可以解决由于热膨胀系数的差异造成的开裂问题。

2.3表面金属化钎焊

陶瓷表面预金属化处理---主要是指采用蒸镀等办法在陶瓷表面形成一层金属薄膜，然后把陶瓷与金属的润湿问题转化为金属与金属的润湿。表面金属化的配方和工艺比较多，常见的有电镀法、烧结金属粉末法、活性金属法和气相沉积

法。

SiC陶瓷表面镀Cu处理，800℃氩气保护，纯Al钎料。SiC表面镀Cu不仅改善纯Al钎料对SiC的润湿，还可以抑制界面Al4C3的形成。

Al2O3陶瓷表面镀Ni处理，800℃氩气保护，纯Al钎料，可以显著减小润湿角。采用离子注入的办法可以改善陶瓷表面的状态，例如在Al2O3陶瓷里注入Ti 或Ni元素，可使得陶瓷表面呈现出金属性，另外使陶瓷表面缺陷增多，提高表面能，从而促进润湿。

3 结束语

陶瓷与金属钎焊在低温（1000℃以下）条件下已经比较成熟，而在高温下这还不够完善。故高温下的陶瓷金属钎焊技术会是以后发展的重点。

陶瓷与金属的钎焊的界面反应涉及到很复杂的物理、化学等方面的问题，目前这方面还缺乏系统的理论，关于界面生成物的热力学、动力学数据都有待进一步补充和完善，这样才能为界面生成物的预测和反应过程动力学的研究奠定理论基础。

参考文献

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