專利名稱：粗真空條件下焊接陶瓷的錫基活性釬料的制作方法
技術領域：
本發明屬于特種焊接技術領域，具體地說就是提供一種特種活性釬料，其適用于在機械真空泵提供的粗真空條件下實施陶瓷與陶瓷焊接或陶瓷與金屬的焊接，在焊接前陶瓷表面不需要預先進行金屬化處理。
近一時期以來，由于各國科學界和工業界的共同努力，使傳統的陶瓷材料性能發生了根本性的變化，精細陶瓷材料的生產已成為一個新興的工業部門，其產品已進入實用化階段。然而，當這種新材料由材料研究、制備轉入實際產品制造的過程中，如同其它材料一樣，可靠的連接技術是必須首先被解決的技術關鍵之一。
已有多種金屬與陶瓷的連接技術，如機械連接，有機粘接，無機粘接，固態反應焊接，摩擦焊，激光焊接，陶瓷表面金屬化后，間接釬焊，活性金屬法直接釬焊等等。每一種技術都有一定的適用范圍和優缺點，如機械連接不可靠，且使結構復雜化，有機粘接的耐溫性很低，無機粘接的粘接強度低，且密封性差和易于水解。固態反應焊接的焊接熱應力很大且焊接成本高，生產率低，摩擦焊只適用于特定的材料配合而且必須是形狀簡單的零件，激光焊接只適用于有確定熔點的氯化物陶瓷之間的焊接，陶瓷表面金屬化后釬焊不但增加了生產工藝的復雜性，而且由于表面金屬化工藝的波動，易于生產中間廢品，最終增加生產成本等缺陷。作為對比，一般認為對于接頭質量要求較高，且生產批量較大的情況下，活性金屬法直接釬焊技術最具有競爭力，它最主要的優點是生產率高，適應范圍廣連接質量可靠，綜合生產成本較低，而這一技術的核心是提供一種能夠直接去陶瓷表面上潤濕，鋪展和粘附的活性金屬釬料。
有幾種不同體系的活性金屬釬料用于陶瓷焊接，如歐共體專利EP 0104623(1983)提供的金基或鈀基活性釬料，日本專利昭62-16896(1987)提供的銀基活性釬料，英國專利GB2066291(1981)提供的銅基活性釬料和中國專利ZL 92106103.X(1995)提供的一種耐氧化型活性金屬釬料等，這些活性金屬釬料在高真空條件下(＜10-4Toor)能有效的潤濕和焊接多種陶瓷材料，然而這些活性釬料的共同缺點是釬料本身的熔點較高，焊接結束以后的冷卻過程中，由于金屬與陶瓷材料的熱膨脹差別，焊接接頭中將形成很大的焊接殘余熱應力，這種殘余應力過高時，常常導致焊接接頭附近的陶瓷材料自行開裂。
為了降低焊接熱應力，有必要發展一種低熔點的活性金屬釬料，由于金屬在完全凝固以前不可能傳遞應力，因此釬料的最終熔點越低，則意味著焊后殘余熱應力越小，這對成功的焊接一些自身強度較低的功能陶瓷材料尤為重要，目前已有幾種專利技術提供以錫為基礎成份的低熔點活性釬料如中國專利ZL 92106127.7(1995)；德國專利DE3641679A1(1987)和日本專利平1-95893(1989)，這些專利技術提供的釬料配方一般由三種成份組成，即(1)基礎成份Sn(2)活性元素Ti，Zr或Hf(3)第三組元Ag，Cu，Ni，In這種低熔點活性釬料可以成功的焊接以往技術難以焊接的一些大尺寸陶瓷元件，同時它也可以焊接某些對熱應力十分敏感的低強度功能陶瓷。然而這些活性釬料共同的缺點是，焊接一般要求在較高的真空度(＜10-4Toor)下進行，這就意味著焊接生產中要求使用價格昂貴的焊接設備，要消耗更多的時間用于獲得真空和破壞真空，由設備漏氣導致焊接質量不良等由此導致高的生產成本。
本發明的目的在于提供一種可以在粗真空條件下使用的Sn基活性釬料。
本發明提供了一種粗真空條件下焊接陶瓷的錫基活性釬料，基本由(原子百分比)
活性金屬1-10錫 余量組成，其中活性金屬指鈦、鋯、鉿、釩或它們的復合，其特征在于還含有2-30的揮發性組元，揮發性組元系指鉛、鋅、磷、錳或它們的復合。
在上述釬料的基礎上還可添加1-30的第三組元，第三組元系指銀、銅、鎳、銦或它們的復合。
本發明提供的活性釬料可以選擇一種普通冶煉的方法進行合金化，然后用常規的加工方法將釬料制成合適的產品形狀，如釬料片或釬料絲等。
一般地說，基體金屬錫的作用是保證釬料有較低的最終熔點，以減小焊接應力；活性金屬的作用是通過它們與陶瓷的界面反應，達到使活性釬料在陶瓷上潤濕和粘附的目的；第三組元的作用是改善和調整活性釬料的強度，潤濕性和釬料的其它綜合性條件；本發明的實質是在原有的Sn基活性釬料配方中添加一些蒸汽壓較高的焊發性元素，利用這些元素在高溫下強烈焊發的特性，破壞液態金屬表面已形成的連續氧化膜層，使新鮮的活性金屬釬料與陶瓷表面接觸并發生化學反應，達到在粗真空下實施陶瓷焊接的目的。與原有技術相比，本發明最主要的優點是可以在粗真空條件下使用，這種粗真空可以由普通機械泵所獲得(10-1-10-2Torr)而原有技術一般要求由油擴散泵提供的中等真空度(10-4-10-5Torr)，這樣本發明不但大大簡單化了陶瓷焊接的要求的焊接設備的復雜程度，而且大大減小了為了獲得高真空以及為取出焊接零件而破壞真空所必須耗費的生產時間。因此本發明提供的優點不但有利于該技術在普通工廠中實施使用，而且也將大大節省生產成本，提高產品的質量，另外由于采用鉛、鋅等賤金屬進行合金化，也有助于進一步減小釬料本身的制造成本。下面通過實施例詳述本發明。
實施例1配制5％Cu，5％Ti，5％Zn，其余為Sn的活性釬料，采用鎢電極氬氣保護熔煉方法進行合金化，熔煉過程中采用電磁場攪拌，以保證合金成份均勻化，冷卻后分次逐漸冷軋成釬料片備用。Sialon陶瓷棒待焊端面經仔細研磨和清洗后，置于一焊接夾具上，按Sialon/釬料/Sialon順序裝配后，將該夾具置于一普通真空爐中，封閉爐腔后，用機械真空泵抽真空，達到(10-2Torr)真空后，對陶瓷及釬料進行加熱，升溫至900℃后，保溫20分鐘，然后關閉加熱電源，并隨爐冷卻，冷至室溫后，獲得連接牢固的焊接接頭。
實施例2配制3％Ag，4％Ti，2％Hf，25％Pb其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所述的程序制備釬料，并實施焊接，陶瓷材料為鈦酸鋇陶瓷真空度0.1Torr，冷卻后獲得了牢固的焊接接頭。
實施例3本制10％Cu，2％Ti，2％Zr，2％P其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所示的程序制備釬料，并實施焊接，材料為氧化鋁陶瓷真空度為10-1Torr，冷卻后，獲得了牢固的焊接接頭。
實施例4配制3％Cu，3％Ag，4％Hf，25％Pb，5％Zn其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所示的程序制備釬料并實施焊接，材料為氮化硅陶瓷，真空度為10-2Torr冷卻后，獲得了牢固的焊接接頭。
實施例5配制1％Ni，3％Cu，2％Ti，1.5％Zr，15％Pb，2％Mn其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所示的程序制備釬料并實施焊接，材料為碳化硅陶瓷，真空度為0.1Torr冷卻后，獲得了牢固的焊接接頭。
實施例6配制5％Ti，10％Pb其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所示的程序制備釬料并實施焊接，材料為Sialon陶瓷，真空度為0.1Torr，冷卻后獲得了牢固的焊接接頭。
實施例7配制4％Ti，2％Hf，20％Pb其余為Sn的活性釬料，采用如實施例1所示的程序制備釬料并實施焊接，材料為氧化鋁陶瓷，真空度為0.1Torr，冷卻后獲得了牢固的焊接接頭。
實施例8及比較例(試驗條件Sialon/Sialon陶瓷，900℃×30min，四點彎曲強度
權利要求
1.一種粗真空條件下焊接陶瓷的錫基活性釬料，基本由(原子百分比)活性金屬1-10錫 余量組成，其中活性金屬指鈦、鋯、鉿、釩或它們的復合，其特征在于還含有2-30的揮發性組元，揮發性組元x系指鉛、鋅、磷、錳或它們的復合。
2.按權利要求1所述粗真空條件下焊接陶瓷的錫基活性釬料，其特征在于可添加1-30的第三組元，第三組元系指銀、銅、鎳、銦或它們的復合。
全文摘要
本發明提供了一種粗真空條件下焊接陶瓷的錫基活性釬料，基本由(原子百分比)活性金屬1-10，錫余量組成，其中活性金屬指鈦、鋯、鉿、釩或它們的復合，其特征在于還含有2-30的揮發性組元，揮發性組元系指鉛、鋅、磷、錳或它們的復合。本發明提供的Sn基活性釬料可以在機械泵提供的粗真空下使用，因而便于推廣應用。
文檔編號B23K35/26GK1146390SQ9511202
公開日1997年4月2日 申請日期1995年9月27日 優先權日1995年9月27日
發明者冼愛平 申請人:中國科學院金屬研究所