陶瓷与金属钎焊的方法、钎料和工艺

陶瓷钎焊

陶瓷与金属的连接是20世纪30年代发展起来的技术,最早用于制造真空电子器件,后来逐步扩展应用到半导体、集成电路、电光源、高能物理、宇航、化工、冶金、仪器与机械制造等工业领域。陶瓷与金属的连接方法比较多,如钎焊、扩散焊、熔焊及氧化物玻璃焊料连接法等,其中钎焊法是获得高强度陶瓷/金属接头的主要方法之一。钎焊法又分为金属化工艺法和活性钎料法。我国于50年代末才开始研究陶瓷—金属连接技术,60年代中便掌握了金属化工艺法(活化Mo-Mn法)和活性钎焊法,推动了陶瓷/金属钎焊用材料及其钎焊工艺的发展。

常用的金属和陶瓷钎焊方法

常用的钎焊方法有陶瓷表面金属化法和活性金属法

金属和陶瓷钎焊工艺

陶瓷与被连接金属的热膨胀系数相差悬殊，导致钎焊后使接头内产生较高的残余应力, 而且局部地方还存在应力集中现象,极易造成陶瓷开裂。为降低残余应力, 必须采用一些特殊的钎焊工艺路线。①合理选择连接匹配材料；②利用金属件的弹性变形减小应力;③避免应力集中；④尽量选用屈服点低, 塑性好的钎料；⑤合理控制钎焊温度和时间；⑥采用中间弹性过渡层。其中, 采用中间弹性过渡层的方法是研究和应用最多的方法之一, 采用中间弹性过渡层对降低残余应力的作用较大。该方法采用陶瓷/ 钎料/ 中间过渡层/ 钎料/ 金属的装配形式进行钎焊, E 和σs 减小, 接头强度越高, 这说明较“软”的中间层能够有效地释放应力, 改善接头强度。中间过渡层的热膨胀系数与Si3N4 接近固然有好处, 但如E 和σs 很高(如Mo 和W) , 不能缓和应力, 也就不能起到好的作用。因此, 可以认为E 和σs 是选择中间过渡层的主要着眼点。中间过渡层的选择应尽量满足下列条件: ①选择 E 和σs 较小的材料; ②中间过渡层与被连接材料的热膨胀系数差别要小; ③充分考虑接头的工作条件。采用弹性过渡层的陶瓷连接方法的缺点是接头强度不高, 原因是有效钎接面积小。但这种低应力或无应力接头具有良好的使用性能, 其优点是在热载荷下产生较低的热应力, 接头耐热疲劳, 抗热冲击性能好。

金属和陶瓷钎焊的发展前景

随着社会新材料的发展和金属与陶瓷钎焊技术日趋完善,其在工业领域的应用越来越广泛,可以预见,金属与陶瓷钎焊技术有着广阔的应用前景,无疑是今后研究的重点。传统的陶瓷金属化法工艺复杂、费时耗资,活性金属钎焊是目前最有可能得到大规模工业应用的连接方法,而部分瞬间液相连接充分结合了活性钎焊和固相扩散连接两者的优点,能在比常规连接方法低得多的温度下制备耐热接头,正不断引起人们极大的兴趣和关注。随着国民经济的发展, 特别是高科技领域的发展, 具有优异性能的结构陶瓷与金属的钎焊零部件的应用也日益广泛, 尤其是一些特殊工作条件, 如耐冲击负荷、耐腐蚀、耐高温、抗氧化性好等, 要求研究开发与之相适应的新材料及新工艺, 这样才会有助于推动我国陶瓷材料。