摘要： 介绍了采用真空钎焊工艺技术进行304不锈钢件与金属化氧化铝陶瓷进行焊接的试验研究情况, 同时也研究了以无氧铜和Ag Cu28Ni.5合金作为金属化氧化铝陶瓷-金属钎焊钎料的钎焊工艺及性能。「SHS陶瓷复合钢管」结果表明:无氧铜及Ag Cu28Ni.5合金是钎焊金属-陶瓷的2种综合性能良好的活性钎料。
0前言
一般情况下, 氧化铝陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、高硬度、绝缘性良好等特性, 但其加工性能、焊接性能很差。而金属材料却具有耐高温、耐腐蚀、高强度、导电性能良好等优点, 且机械加工性能、焊接性能良好。随着高性能结构陶瓷应用领域的不断扩大和高科技的发展需要, 很多组件常常需要陶瓷和金属材料的综合性能。通过陶瓷金属化真空钎焊工艺能够将陶瓷和金属地结合在一起, 从而获得兼有陶瓷和金属性能优点的复合结构件[]。
由于陶瓷材料结构与金属材料微观结构不同, 钎料往往不能润湿陶瓷表面, 也不能与之作用而形成牢固的粘结, 因而陶瓷与金属的封接是一种特殊的工艺方法, 即陶瓷金属化的方法:先在陶瓷需要钎焊的表面牢固地粘附层金属薄膜, 使该表面具有金属特性, 再实现陶瓷与金属的钎焊。经相关资料介绍, 现有钼锰法、镀金法、镀铜法、镀锡法、镀镍法、LAP法 (激光后金属镀) 等多种陶瓷金属化工艺[2]。
真空钎焊是熔点比基体金属低的钎料熔化后借助毛细作用填满接头间隙从而获得不可拆卸接头的一种工艺方法。真空钎焊工艺具有无需采用助钎剂、钎焊点因脱氧而韧性好等优点。近几年来, 随着科学技术的不断发展, 钎焊技术在各工业部门中占据着越来越重要的地位, 尤其是在电气仪表及国防等工业中已成为不可取代的工艺方法。例如:大型制氧机、汽车和轮船上用的形状复杂的热交换器 (油冷却器、蒸发器和散热器等) 、喷气发动机中形状复杂的蜂窝结构、电气零件、精密机械零件等都必须采用钎焊[3]。
本文在真空钎焊方面进行了一系列工艺试验及生产应用研究。钎焊的关键是接头的装配间隙、钎焊工艺参数的正确选择和真空钎焊工艺等方面。现就w (Al2O3) 95%陶瓷与304不锈钢的真空钎焊技术研究进展情况进行叙述。
试验
. w (Al2O3) 95%瓷件制备
按照设计图样要求进行w (Al2O3) 95%陶瓷胚件压制、高温烧结。为保证尺寸精度, 对烧结的陶瓷件进行磨削加工。
.2 陶瓷金属化
陶瓷在金属化之前, 应按照一定的要求对瓷片进行挑选、清洗等相关处理, 以达到无毛刺飞边、无凸起、无孔洞, 瓷片光滑、洁净的要求。然后, 对需金属化的陶瓷面采用丝网印刷结合涂覆的方式涂印上钼锰浆, 再进行 500℃金属化烧渗, 重复进行第2次涂印钼锰浆、烧渗, 再进行电镀镍金属薄膜,「SHS陶瓷复合钢管」 200℃氢气烧结。
.3 不锈钢零件制备
采用304不锈钢材料, 按照设计图样要求加工不锈钢零件, 再清洗、镀镍、 00℃氢气烧结。
.4 钎料制备
钎焊意味着固体金属表面被某种熔化合金浸润。从热力学角度来考虑浸润过程, 可用自由能来解释:
式中:F是自由能;U是内能;S是熵。
ΔF与2种因素有关, 即与内能和熵的改变有关。一般S常常趋向于大值, 因此促使-TΔS也变得小。实际上, 当固体与液体接触时, 如果自由能F减少, 即ΔF是负值, 则整个系统将发生反应或趋向于稳定状态。由此可知, 熵是浸润的促进因素, 因为熵使ΔF的值变得小。ΔF的符号终决定于ΔU的大小和符号, 它控制着浸润是否能够发生。为了产生浸润, 钎料的原子必须与固体的原子接触, 这就引起位能的变化, 如果固体原子吸引钎料, 热量被释放出来, ΔU是负值。如果不考虑ΔU的大小和量值, 那么, 熵值的改变与表面能的改变有同样的意义, 浸润同样是有保证的。在基体金属和钎料之间产生反应, 这就表明有良好的浸润性和黏附性。如果固体金属不吸引钎料, ΔU是正值, 这种情况下, 取决于ΔU在特殊温度下的大小值, 才能决定能否发生浸润[4]。
根据资料的参数和有关研究经验报道, 本文试验研究中钎料选用无氧铜和Ag Cu28Ni.5材料。为进一步改善浸润性能, 被钎焊的母材———氧化铝陶瓷件金属化表面和金属件都采用表面镀镍工艺。
按照工艺设计要求, 无氧铜钎料采用薄片结构, 再经清洗、850℃真空退火备用;Ag Cu28Ni.5钎料采用直径0.5 mm丝材, 经700℃真空退火备用。
.5 真空钎焊
按照设计要求, 将不锈钢零件、金属化陶瓷件、钎料进行固定装配, 放入真空钎焊炉进行钎焊, 完成后取出焊件进行检测试验。
2 结果与分析
2. 陶瓷金属化
「SHS陶瓷复合钢管」为保证氧化铝陶瓷具有一定的强度和致密性, 须对其烧结温度和密度做一定的要求。磨制的氧化铝陶瓷表面粗糙度对金属化层附着力起关键作用, 因此也有相应的要求。据试验研究, 总结相应性能指标要求见表。
表 氧化铝陶瓷性能要求
2.2 不锈钢零件制备
根据试验研究, 不锈钢零件的镀镍佳厚度3~7μm, 敲击不能出现镍皮剥离现象。如果镀镍厚度太薄, 难以保证零件表面都能镀有镍膜, 零件表面钎料浸润性得不到保证;相反, 镀镍厚度太厚, 会导致镍膜起壳皮脱落。通过 00℃氢气烧结工艺处理, 能进一步提高镀镍层在不锈钢零件上的附着力。
2.3 真空钎焊
按照设计要求, 将不锈钢零件、金属化陶瓷件、钎料进行固定装配, 放入真空钎焊炉进行钎焊, 完成后取出钎件进行检测试验。
真空钎焊工艺要求钎焊气氛的真空度比较高, 以保证钎焊时钎料的浸润效果和焊点的力学性能。真空钎焊的真空度过低, 会造成钎焊表面氧化, 钎焊点韧性低, 影响钎焊质量, 如图6所示。经过试验研究, 真空钎焊的真空度要求加热启动时钎焊件环境真空压力<×0Pa。
图6 过低真空度的钎焊样件
试验研究证明, 采用合适的钎焊工艺, 就能制作出性能优良的钎焊件, 如图7所示。
图7 真空钎焊后的钎焊件
2.4 钎焊件的密封性与耐温性
对于真空钎焊制作的钎焊件的密封性检验, 可以采用背压法氦质谱仪检漏。试验样件采用氧乙炔焰银铜钎焊或氩弧焊等方法将钎焊件两端开口封住, 再进行压力充氦和氦质谱仪检漏。氦漏率一般要求<4×0Pa·m/s。
对钎焊件进行500℃高温×48 h考核试验, 试验后再经氦质谱仪检漏试验, 氦漏率<4×0Pa·m/s, 证明本试验研究制作的钎焊件能够长时间承受500℃高温。
3 结论
根据上述真空钎焊工艺试验研究, 得出如下结论:
() 无氧铜、Ag Cu28Ni.5在真空环境下与镀镍304不锈钢件、镀镍金属化w (Al2O3) 95%陶瓷件具有良好的浸润性, 可用作钎焊材料。
(2) 采用适当工艺制备的w (Al2O3) 95%陶瓷件经挑选、研磨加工后, 用钼锰法金属化、镀镍等工艺处理, 能够获得致密、粘接牢靠、浸润性好的金属化表面。
(3) 通过适宜的真空钎焊工艺, 可以获得耐高温、密封性良好、韧性好的钎焊件。
参考文献
[]冯本政, 刘雅州, 杨汝森.金属-陶瓷钎焊用铜钛合金钎料的研究[J].稀有金属材料与工程, 990, 9 (5) :46-49.
[2]张启运, 庄鸿寿.钎焊手册[M].2版.北京:机械工业出版社, 2008:393-404.
[3]高金生.功能材料及其应用手册[M].北京:机械工业出版社, 99:704-709.
[4]张启运, 庄鸿寿.钎焊手册[M].2版.北京:机械工业出版社, 2008:2-4.