專利名稱：氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬的一步活性連接方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷與金屬的連接方法。
氮化硅(Si3N4)電熱塞是一種較新型的柴油機預熱裝置，具有予熱快使用壽命長等優點。要達到此效果，必須實現(Si3N4)發熱體與金屬外套之間的可靠連接，并要求密封。由于氮化硅發熱體與金屬外套之間的物理化學性能差別較大，對其連接方法進行了大量的研究。日本特公昭60-29853中公布的一種連接方法是利用銀釬料，放在發熱體和金屬外套之間進行釬焊連接。這種方法的不足之處是釬料與發熱體不浸潤，連接不牢，易發生漏氣。日本特開昭62-91727，特公昭63-7287中公布的連接方法是在金屬外套的內表面或發熱體上予先蒸鍍一定厚度的金屬Cu、Ti、Ni、Mo層，然后將銀基釬料插在金屬外套與發熱體之間進行釬焊連接;或者在連接部位涂上玻璃相粉，高溫燒成玻璃相，然后用銀釬料將玻璃相與金屬外套連接在一起。予先蒸鍍活性金屬的連接方法雖可改善釬料對發熱體的浸潤性，但其缺點也是明顯的，1.增加了工序和設備，使工藝復雜化，2.由于活性元素要在釬接過程中釬料熔化后逐漸溶到液態釬料中，活性元素才能較好地發揮作用，而常用的活性組元一般熔點較高，要使活性元素在釬接中溶入，必須要提高釬接溫度30-100℃或延長保溫時間30-60分鐘。對于予先燒結玻璃相的工藝，則不僅增加了復雜的玻璃相燒結工序，而且銀釬料對玻璃相的浸潤性也不好，其連接也不可靠，經常因密封不好而漏氣，或者在使用中因承受不住高壓或冷熱循環而逐漸出現漏氣，從而導致發動機熱效率降低，減少電熱塞的使用壽命。
本發明的目的是要提供一種氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬外套的一步活性連接方法。這種方法工藝簡單、連接可靠。
本發明的氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬外套的一步活性連接方法包括氮化硅發熱體和金屬外套和活性釬料表面的清洗、將活性釬料裝置在氮化硅發熱體和金屬外套欲連接的部位之間或連接部位上封口，裝爐后釬焊，本發明中所說的釬料為活性釬料，即含有活性組元的釬料，活性釬料對氮化硅的浸潤角應小于90度，并能經受電熱塞使用時釬料部位達到的溫度和壓力，浸潤角太大時，釬料不易填滿間隙，容易漏氣。
本發明的連接方法具有工藝簡單，連接性好的優點。經釬接后整體裝配的電熱塞可滿足以下要求1.在相應型號使用電壓的125%電壓下，連續通電發熱24小時以上，溫度不低于850℃，2.在電熱塞相應型號使用電壓的110%電壓下，通電60秒鐘，再斷電60秒鐘，如此反復次數大于1萬次，3.4Mpa氣壓下，15秒內不允許連續漏氣。


圖1為使用本發明連接方法時的釬接裝配示意圖。
下面將結合實施例對本發明的實施方式及優點作進一步描述。
例一.圖1為使用本發明連接方法的釬接裝配示意圖。圖中1是鎢絲，2是氮化硅發熱體，3是金屬外套，4是釬料，5是鋼帽。
氮化硅發熱體與金屬外套的連接方法是先將釬料4、氮化硅發熱體2、金屬外套3及連接卡具清洗干凈。Si3N4發熱體的Mo絲電極用砂紙打磨使鉬絲電極光亮，然后用丙酮進行超聲清洗10-20分鐘，釬料可以先用砂紙打磨，然后用丙酮，四氯化碳溶液進行超聲波清洗，也可用其它常規的清洗方法清洗。常用的金屬外套是A3、可閥合金、不銹鋼等，可按自身的除銹去油清洗工藝清洗，清洗后，將片狀釬料4插入氮化硅發熱體2和金屬外套3之間的間隙內，金屬外套3的上端繞同種釬料的絲材。裝配后的組合件立放在帶孔的底墊6上，一起裝進釬焊爐中，準備釬焊，為防止氧化，一般采用真空或充以惰性氣體，如在真空度高于6.6×10-3Pa下或抽真空后充氬氣保護下加熱至釬料的熔點溫度以上的20-100℃，保溫5-10分鐘后，以低于每分鐘10℃的冷卻速度冷至室溫，該釬焊工序都是常用的釬焊制度。
所用的活性釬料是含有活性組元鈦的銀釬料，使用不同成份銀釬料連接時，釬料與氮化硅的相對應的浸潤角見表1。
表1
從表1可以看到含鈦量在0.7-5.7重量%，含銅量0-97重量%范圍內的銀釬料與氮化硅的浸潤角都小于90度。浸潤角的測量采用座滴法，測量具體過程為將釬料加工成φ2.5×2.5毫米的圓柱，放在被浸潤材料上，按所需釬接工藝加熱并保溫，釬料熔化散鋪在被釬接材料上，冷卻后實測浸潤角。
此外還測定了用此方法連接后氮化硅和金屬外套之間的連接強度。采用GB656 9-86的工程陶瓷彎曲強度試驗方法測量兩者的連接強度。使用Ag-58.12 Cu-4.0Ti活性釬料在890℃下保溫5分鐘后，Si3N4-1Cr13不銹鋼的連接強度可達281MPa;使用Ag-30Cu-4.4Ti活性釬料在870℃下釬焊后其連接強度可達到389MPa。
與此同時，還使用已有的工藝作對比試驗，即使用普通的銀釬料進行連接，使用的釬料分別為Ag-44.75 Cu-33.69Zn及Ag-28Cu.前者用高頻加熱至釬料熔化并填滿間隙，后者的釬焊溫度為820℃，在釬焊爐中進行。
將用表1中所列的活性釬料按本發明的連接方法及已有的連接方法連接后制成的電熱塞每種10支進行漏氣檢測。試驗表明，按本發明的連接方法制成的電熱塞均符合技術要求，即1.在相應型號使用電壓的125%電壓下，連續接通電發熱24小時以上，溫度不低于850℃，2.在電熱塞相應型號使用電壓的110%電壓下，通電60秒鐘，再斷電60秒鐘，如此反復次數大于1萬次，3.4Mpa氣壓下，15秒內不允許連續漏氣。
而用已有的連接方法制成的電熱塞中，使用Ag-Cu-Zn的有6支不合格，使用Ag-Cu的有4支不合格。對各電熱塞連續通電發熱24小時后進行漏氣檢測，使用Ag-Cu-Zn的有9支不合格，使用Ag-Cu的有7支不合格，而使用本發明連接方法的各支電熱塞全部合格。
例二，使用Ag-Cu-Ti-In或Ag-Cu-Ti-Sn活性釬料也可得到與例一相同的效果。先將釬料制成0.05-0.15毫米厚的片材和φ0.3-2毫米的絲材，按例一的工序在760-800℃之間保溫5分鐘進行釬焊，不同合金Si3N4的浸潤角及連接強度見表2。
表2 表3中給出了不同In或Sn添加量(重量%)的銀釬料對Si3N4浸潤角的影響表3
用上述各種活性釬料分別連接并制成的10支電熱塞完全達到例一的技術要求，未發生漏氣。
采用本發明的一步活性連接方法連接氮化硅電熱塞中的氮化硅與金屬外套時還可以使用上述實施例以外的其它活性釬料，如Ni-Ti、Cu-Ti、Cu-Zr、Ni-Zr、Ag-Ni-Ti、Cu-Ni-Ti、Cu-Zr-Ni、Ag-Cu-Zr等。只要這些釬料對氮化硅的浸潤角小于90度，并能承受電熱塞使用時釬料部位達到的溫度、壓力等條件，就可得到滿意的連接效果。
權利要求
1.氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬的一步活性連接方法，其特征是所說的連接方法包括(1)氮化硅發熱體、金屬外套、活性釬料表面的清洗，(2)將活性釬料裝置在氮化硅發熱體和金屬外套欲連接的部位之間，或裝置在連接部位上封口，(3)裝爐后釬焊，所說的釬焊在真空或保護氣體的氣氛下進行，加熱溫度高于釬料熔點以上20-100℃。
2.按照權利要求1所說的氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬的一步活性連接方法，其特征是所說的活性釬料是Ag-Cu-Ti系合金，其成分(重量%)為Ti0.7-5.7、Cu 0-97、Ag余量。
3.按照權利要求2所說的氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬的一步活性連接方法，其特征是所說的活性釬料還包括In或Sn，所說的In的含量(重量%)為5.6-10.11，所說的Sn的含量(重量%)為4.98-10.59。
4.按照權利要求1所說的氮化硅電熱塞中氮化硅與金屬的一步活性連接方法，其特征是所說的活性釬料是Ni-Ti、Cu-Ti、Cu-Zr、Ni-Zr、Ag-Ni-Ti、Cu-Ni-Ti、Ag-Cu-Zr系列焊料。
全文摘要
本發明屬于陶瓷與金屬的連接方法，它包括部件清洗、裝置活性釬料及釬焊，由于選用含有活性組元的活性焊料作為釬接料，因此，此方法工序簡單，又可以改善釬料與氮化硅的浸潤性，提高連接的可靠性。
文檔編號F02N19/04GK1101102SQ93117970
公開日1995年4月5日 申請日期1993年9月29日 優先權日1993年9月29日
發明者楚建新, 林晨光, 葉軍 申請人:北京有色金屬研究總院