陶瓷与金属的焊接技术

陶瓷与金属的焊接技术
王仲礼
山东济南山东轻工业学院(250100)
摘要 陶瓷与金属的焊接是扩大陶瓷应用领域的关键技术之一。

本文介绍了陶瓷与金属焊接的技术方法及其最新进展,阐述了陶瓷与金属焊接技术的应用前景。

关键词 陶瓷　金属　焊接技术
近几年发展起来的高性能陶瓷具有金属材料无法比拟的耐热、耐腐蚀、耐磨等优良性能,其应用范围日益扩大。

但陶瓷的塑性较差,难以制作复杂结构件,且冷加工困难。

因此,在许多场合下,陶瓷材料不能单独使用,而是同其它类型的材料(如金属材料)组合在一起,以连接体的形式使用,更好地发挥陶瓷作为结构材料及电绝缘材料的优越性能。

为此,提供牢固而可靠的连接技术是十分必要的,这一领域已成为当今世界各国研究的热点课题。

大部分陶瓷性脆质硬,熔点比金属的高,其线膨胀系数与金属的相差较大,使焊后接头中的残余应力很高。

加之陶瓷与金属的相容性差,因此金属与陶瓷的焊接性很差,用电弧焊或电阻焊不能获得满意的焊接接头,粘接和机械连接的应用范围也很小,生产中通常采用钎焊和扩散焊。

随着研究的不断深入,又出现了许多新方法。

1　工业上陶瓷与金属焊接的方法111　钎焊
钎焊可分为两步法钎焊和一步法钎焊。

两步法是先在陶瓷表面预金属化,然后再进行钎焊,关键是陶瓷表面的预金属化,目前有如下方法:
(1)M n 2M o 法。

将M nO 2与M o 的粉末(颗粒大小约1～2Λm )用粘接剂粘到陶瓷表面,随后在1000
～1800℃的氮或氢气氛中烧结,在表面形成玻璃相,并
且部分金属氧化物得到还原,产生金属表面层。

然后在预金属化的表面涂一层金属(一般涂镍)。

(2)使用活性金属及难熔金属盐,将金属盐如碳酸
银等涂在陶瓷表面,最终还原成金属。

(3)PVD 法。

通常在真空中于陶瓷表面镀上一层
钛,再用银铜钎料(如A g 230Cu 210Sn )将镀钛的陶瓷与金属钎焊起来。

这种方法也称为活化基材法(A SP 法)。

(4)CVD 法。

使用化学方法在陶瓷表面沉积一层
钛,然后用银铜钎料将镀钛的陶瓷与金属钎焊起来,这也是A SP 法的一种。

(5)热喷涂、等离子弧喷涂等。

一步法陶瓷钎焊也称直接钎焊法,它是在钎料中加入一些T i 、Zr 等活性元素(其含量通常在5%以下,如A g 228Cu 212In 21T i )将金属与陶瓷直接钎焊起来,这一方法也称为活性钎料法。

近年来还利用非晶技术研制成功了新的含钛合金系,如Cu 2T i 、N i 2T i 合金,可以直接用来钎焊陶瓷与金属,其接头的工作温度比用银铜钎料钎焊的要高得多。

两步法钎焊在电子工业中得到广泛应用,但其工序较多,工艺较复杂,成本高。

而一步法钎焊工艺简单,成本低,在结构件制作中应用较广。

焊接缺陷。

(2)对焊缝进行100%超声波探伤,按GB 1135-89进行评定, 级合格。

6　结论
(1)铸钢件裂纹采用合理的焊接工艺和焊前、焊后
热处理等工艺措施后,缺陷消除,补焊质量符合要求,说明补焊修复方案是可行的。

(2)铸钢件补焊后,经切削加工并交用户使用近2
年,未发现任何问题,厂方表示满意。

证明用
H 08M n 2Si A 焊丝进行CO 2气保焊对中碳铸钢件进行
补焊的工艺是合理的。

参考文献
　1　周振丰等.焊接冶金及金属焊接性.机械工业出版社,1988.　2　田锡唐.焊接结构.机械工业出版社,1982.
　3　斯重遥.焊接手册.材料的焊接.机械工业出版社,1992.　4　王建安.金属学及热处理(下册).机械工业出版社,1980.
(收稿日期:1996-02-12)
7
1W elding T echno logy №5　1996・工艺与应用・
112　扩散焊
扩散焊包括没有中间层的扩散焊和有中间层的扩散焊,有中间层的扩散焊是普遍采用的方法。

使用中间层合金可以降低焊接温度和压力,降低焊接接头中的总应力水平,从而改善接头的强度性能。

如在连接钼与氧化铝时,在氧化铝表面用等离子弧喷涂一层95%N b +5%N i的中间层合金,可以获得性能优良的接头。

此外,还可以使用多层中间合金层,在氧化铝表面首先预金属化一层85%M o210%M n25%T i,经高温烧结后,再烧结一层80%M o220%合金。

这种多层结构在膨胀系数的匹配方面比单层的更好一些。

另外,为降低接头应力,除采用多层中间层外,还可使用低模数的补偿中间层,这种中间层是由纤维金属所组成,实际上是一块烧结的纤维金属垫片,孔隙度最高可达90%,可有效地降低金属与陶瓷焊接时产生的应力。

2　陶瓷与金属焊接的最新方法
211　高压电场下的扩散连接
该方法借助于高压电场(1000V以上)及温度的共同作用,使陶瓷内电介质的电离,在与金属邻近的陶瓷材料内形成了一薄层充满了负离子的极化区。

此外,由于材料表面的显微不平度,陶瓷与金属间只有个别小点相接触,大部分地区形成微米级的间隙。

集结在微小间隙两侧的离子使这些地区的电场急剧升高,此外加电场可增加3～4个数量级。

由于异性电荷相吸,使被连接的两种材料相邻界面达到紧密接触(其间距小于原子间距)。

随后借助于扩散作用,使金属与陶瓷得以连接。

该方法对一些薄箔金属与陶瓷的连接是一种很有潜力的方法。

目前,此法已成功地连接了15Λm厚的铝箔与氧化铝陶瓷。

人们正在研究真空中高压电场下的扩散连接,使此方法能用于各种金属与陶瓷的连接。

212　摩擦焊法
摩擦焊广泛用于同类和异种金属的连接,对于不同类材料陶瓷与金属的摩擦焊尚属起步阶段,其原理与金属的摩擦焊相同。

在摩擦焊过程中,首先使待连接面在轴向压力作用下相互摩擦,通过摩擦产生了使两个被焊材料软化的热量并导致界面镦粗。

然后在轴向压力不变或加大的情况下停止摩擦,以便顶锻并强固接头。

陶瓷与金属摩擦时,要求金属必须能润湿和粘附陶瓷,在实际接触点形成粘附接点。

随着摩擦的进行,这些接点或从界面或从金属侧界面附近被切断。

这时,金属碎片迁移到陶瓷表面,而且在极短的时间内陶瓷表面就完全被金属膜覆盖。

陶瓷上的金属膜形成滞止层,因而摩擦平面沿轴向移到金属上,使摩擦变为在两个金属表面之间进行,而且最终在摩擦面上形成增塑层,增塑层的位置与厚度取决于摩擦速度和轴向压力,大部分热量是由金属在增塑层上搅拌时产生的。

用这种方法成功地实现了铝合金与陶瓷的连接。

据资料介绍,日本在进行陶瓷与金属摩擦焊的研究中,发明了一种在真空中使接合面做摩擦运动,同时进行镜面磨削的装置。

该装置使用溅射法,以氩离子对金属表面进行腐蚀,从而使相对的陶瓷表面形成金属被膜,同时采用一定的负荷做约15°的旋转摩擦,进行镜面加工,然后以油压将其压接。

试验中,金属为棒状铝合金,陶瓷为氧化铝、氧化锆、氧化硅三种。

抗拉试验表明:在低负荷时,接合强度提高2～3倍,超过了烧结材料;在高负荷下显示同等或略低的接合强度。

213　气体—金属共晶法
该方法已成功地用来连接铜与氧化铝,并在生产中得到应用。

主要用在连接计算机芯块线路上的铜箔(厚为0105～015mm)与氧化铝陶瓷基板。

铜与氧化铝可以直接进行连接,不加任何附加的中间合金,因而接头具有良好的导电性及导热性。

其工艺过程是:首先使铜表面轻微氧化,生成CuO。

然后,将铜的氧化层面与陶瓷基板紧密接触,加热到稍低于铜的熔点,此时铜-氧产生共晶(0139%O2),随后共晶产物扩散到陶瓷基板中,产生一层铜-氧化铝中间反应区,最终使铜箔与陶瓷基板连接起来,接头强度可达30M Pa。

214　中性原子束照射法
该方法利用中性原子束照射金属与陶瓷的接合面,使接合面的原子“活化”。

物质清洁的表面具有极佳的活性,然而物质表面往往沾有污物或覆盖着一层极薄的氧化膜,使其活性降低。

该方法主要是对接合面照射氩等惰性气体的1000～1800e V的低能原子束,从表面除去20nm左右的薄层,使表面活化,然后加压,利用表面优异的反应度进行常温状态下的接合,此方法可用于氮化硅等高强度陶瓷或高温超导陶瓷与金属的接合。

另外,对于超大规模集成电路芯片与电路基板的接合也显示出良好的效果。

其接合强度与以往的加热接合相同,而且接合面的电阻极小,接合效果甚佳。

215　超声波焊法
这种方法主要用于铝和陶瓷的焊接,它是通过超声波振动和加压实现常温下接合的一种有效方法。

用此方法焊接铝和陶瓷的步骤如下:
(1)在铝或陶瓷的任何一方与接合面平行的方向给以超声波振动并把该振动传向另一方的接合面上。

(2)加压,实现铝与陶瓷的接合。

超声波振幅由数微米至50微米,频率为20～40kH z。

用此方法焊接铝与各类陶瓷均获得成功,而且接合时间仅需几秒钟。

由于此方法的接合能是利用了超声波振动,因而设备较简单,缩短了焊接时间,其成本比钎焊法大幅度降低。

81焊接技术 1996年第5期・工艺与应用・
4　陶瓷与金属焊接技术的应用
目前,陶瓷与金属连接技术的应用越来越多,比较广泛地应用于刀具制造及电子工业。

如陶瓷刀头与钢刀杆的焊接,使用银基或铜基钎料。

当钎料中不含钛时,焊前需对陶瓷预金属化,再在陶瓷刀头与钢刀杆之间加一块铜片以减小应力,最后利用钎料将陶瓷刀头、中间铜片(应力减缓层)及钢刀杆焊在一起。

在电子工业中,广泛使用氧化铝与金属的焊接,生产各种半导体器件。

目前,大多使用陶瓷表面预金属化法,且多为M n 2M o 法,最后使用银铜钎料在氢气氛中将陶瓷与金属钎焊起来。

另外,在热机制造中陶瓷与金属的焊接也很普遍。

一是内燃机阀,该部件使用全金属件时,由于阀杆的端面部分在高温下工作,因而烧损很快。

现采用金属-陶瓷复合材料结构,在阀杆端面的高温部分镶上Si 3N 4块,用扩散焊使阀杆端面与Si 3N 4镶块连接起来,其抗烧损力提高10～15倍,大大延长了内燃机阀的使用寿命。

二是燃油喷嘴,其内锥面要承受高温燃油的冲刷,工作条件十分恶劣,极易损坏,从而使整个燃油嘴不能正常工作。

在内锥面镶上一块Si C ,用扩散焊将Si C 与燃油喷嘴金属基体连接起来,可使整个部件的寿命提
高几十倍。

三是将氮化硅陶瓷透平转子与钢轴用钎焊法连接起来,氮化硅表面采用PVD 、CVD 技术进行多层预金属化,这一技术已在汽车工业进行批量试生产。

原子能工业中的托卡马克(Tokam ak )装置上的绝缘环是由陶瓷、铜及不锈钢钎焊而成。

钎焊时在陶瓷表面首先敷上一层钛化氢,之后在接合面处夹入26Λm 厚的A g 2Cu 钎料。

整个部件用钛箔包起来,以使部件处于高纯的气氛中,然后放入真空炉中进行钎焊。

随着现代工业的不断发展,陶瓷与金属焊接技术将得到越来越广泛的应用。

相邻学科和技术之间的相互渗透、互相结合形成多交叉学科、边缘学科和交叉技术,也必将促进陶瓷与金属连接技术的发展。

参考文献
　1　张小诚.新型材料与表面改性技术.华南理工大学出版社,1990.　2　浩宏奇等.陶瓷与金属的钎焊.稀有金属材料与工程,1993
(6).
　3　郭春丽等.漫话焊接新技术.焊接技术,1993(4).　4　国外科技消息,1992～1993.
(1996-02-06)
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