陶瓷表面金屬化的材料和制備方法及釬焊工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于Si3N4陶瓷表面金屬化的材料和制備方法及釬焊工藝，屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]Si3N4陶瓷具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等獨(dú)特性能，是結(jié)構(gòu)陶瓷中最具有應(yīng)用前景的材料之一，其主要應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、核工業(yè)、能源、電力等領(lǐng)域，在熱機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和熱交換器等部件中得到廣泛應(yīng)用，但陶瓷材料的加工性能差、延展和韌性低、耐熱沖擊性能弱以及難以制造大型或復(fù)雜的構(gòu)件，因而其使用受到了實(shí)際問(wèn)題的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬或陶瓷與陶瓷之間的可靠連接，對(duì)開(kāi)拓陶瓷的工程應(yīng)用領(lǐng)域具有重要作用和意義。
[0003]將金屬與陶瓷的優(yōu)異性能結(jié)合起來(lái)，才能成為理想的結(jié)構(gòu)材料，一般需要在陶瓷表面金屬化才能實(shí)現(xiàn)與金屬或陶瓷的連接。可由于陶瓷和金屬的物理化學(xué)性能存在較大差異，特別是兩種材料間的熱膨脹系數(shù)差別較大，以及金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性較差，接頭在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，使連接強(qiáng)度大大降低；嚴(yán)重則自行開(kāi)裂，甚至成為結(jié)構(gòu)損壞的直接或間接原因，由于微觀組織的變化以及新生成的物相結(jié)構(gòu)或化合物，可使接頭的性能惡化，接頭力學(xué)性能較差，特別是脆性增大，室溫強(qiáng)度降低。因此研制一種新的表面金屬化材料、制備方法與工藝是解決上述問(wèn)題和工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的關(guān)鍵，所以實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷表面金屬化是其得以廣泛應(yīng)用的重要前提和保證。
[0004]Ag基釬料作為Si3N4陶瓷金屬層是研究與開(kāi)發(fā)陶瓷與金屬或金屬間化合物釬焊的一項(xiàng)重要內(nèi)容。連接接頭中的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題，尤其是陶瓷和金屬的接頭中，由于陶瓷的脆性，因此在內(nèi)應(yīng)力作用下很易引起陶瓷的開(kāi)裂，即使不開(kāi)裂也會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度的明顯下降。目前陶瓷與金屬或陶瓷的連接主要是活性釬焊和擴(kuò)散焊，但是其性能較差，大大限制了其使用范圍，不能使陶瓷的優(yōu)良性能充分得到發(fā)揮。利用Ag基材料對(duì)Si3N4陶瓷表面金屬化能有效的提高其連接接頭的性能，對(duì)Si3N4陶瓷表面金屬化材料的研究具有重要理論和應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種用于Si3N4陶瓷表面金屬化的材料和制備方法及釬焊工藝，將可以將Si3N4陶瓷表面金屬化，有利于陶瓷部件在各種復(fù)雜部位的局部連接。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的用于Si3N4陶瓷表面金屬化的銀基材料，所述銀基材料為粉末顆粒，由以下重量百分比的組分組成:Cu20 %?25 %，Ti3 %?5%，Ni2%?3%，Ce0.1%?0.3%, Sc0.2%?0.3%,Re0.5%?0.6%，余量為 Ag ;Ag、Cu、Ti和Ni粉顆粒尺寸為:40 μ m?55 μ m，Ce、Sc和Re粉顆粒尺寸為:15 μ m?25 μ m。
[0007]作為優(yōu)選，所述銀基材料中各組分質(zhì)量百分比含量如下:Cu22.5%、Ti4%,Ni2.5%, Ce0.2 %、Sc0.25 %、Re0.55 %，其余為 Ag。
[0008]一種用于Si3N4陶瓷表面金屬化的銀基材料金屬布，包括上述的用于Si 3N4陶瓷表面金屬化的銀基材料和粘結(jié)劑，其中銀基材料與粘接劑體積比為5:1。
[0009]作為優(yōu)選，所述粘接劑由有機(jī)硅樹(shù)脂膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠混合制備，有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂體積之比為1:4。有機(jī)硅樹(shù)脂膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠可以采用現(xiàn)有的，也可以采用以下配方制得新的粘結(jié)劑。
[0010]作為優(yōu)選，所述有機(jī)硅樹(shù)脂膠由有機(jī)硅樹(shù)脂膠主劑和有機(jī)硅樹(shù)脂膠固化劑按9:1混合制得，其工作溫度為200°C?250°C ;環(huán)氧樹(shù)脂膠由環(huán)氧樹(shù)脂膠主劑和環(huán)氧樹(shù)脂膠固化劑按7:1混合制得，其工作溫度為600°C?650°C。
[0011]作為優(yōu)選，所述有機(jī)硅樹(shù)脂膠主劑組成按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%?33%正硅酸四乙酯、23%?25%甲基三乙氧基硅烷、7.8%?11%二甲基二乙氧硅烷、3.0%?5.0 %順丁烯二酸酐、5.0%?7.0%丁苯橡膠、1.6%?2.5%二甲苯、7.6%?9.0%滑石粉、6.0%?8.6%丙烯酸酯橡膠、4.4%?5.0%硼粉、1.4%?4.1%羥基封端聚二甲基硅氧烷；有機(jī)硅樹(shù)脂膠固化劑組成按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%?23% 二乙烯三胺、8.2%?10.5%乙二胺、22%?28%鄰羥基苯甲醛、12.5%?16%間苯二胺、13.5%?15.5%雙氰胺、15.8%?22% 丁烷四甲酸酐；
[0012]所述環(huán)氧樹(shù)脂膠主劑組成按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%?29%雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、10%?13%硫雙酚環(huán)氧樹(shù)脂、3.0%?3.6%對(duì)羥基苯甲醛、4.5%?6.0%異氰酸酯、5.4%?7.5%乙烯基三甲氧基硅烷、7.0%?9.0%聚酯樹(shù)脂、3.5%?5.0%二甲苯、3.5%?5.3%鈦酸酯、5.0%?7.0%芳香胺、1.0%?2.2%甲苯、5.3%?6.7%脂肪胺、8.0%?12%丙烯酸酯橡膠、2.4%?3.6%海音環(huán)氧樹(shù)脂、3.6%?5.5%聚酰胺樹(shù)脂；環(huán)氧樹(shù)脂膠固化劑組成按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%?11%芳香胺、8.0%?12%環(huán)氧丙烷丁基醚、17%?22%對(duì)羥基苯乙酮、18%?28% 二聚環(huán)戊二烯、24%?30%羧酸樹(shù)脂、27%?33%聚酰胺樹(shù)脂。
[0013]采用上述配方的有機(jī)硅樹(shù)脂膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠采用現(xiàn)有的制備方法制得，只是所采用的配方與現(xiàn)有的有機(jī)硅樹(shù)脂膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠的配方不同。
[0014]一種上述的用于Si3N4陶瓷表面金屬化的銀基材料金屬布的制備方法，包括以下步驟:
[0015](I)按質(zhì)量百分比稱取Ag、Cu、T1、N1、Ce、Sc和Re粉，并將其混合；
[0016](2)將混合金屬粉末顆粒裝入自動(dòng)攪拌設(shè)備器皿中，并加入一種粘接劑，然后將器皿封閉，充分?jǐn)嚢韬蟮玫骄鶆虻幕旌衔铮渲谢旌辖饘俜勰╊w粒與粘接劑體積比為5:1 ;
[0017](3)對(duì)步驟2得到的混合物在常溫條件下，利用自動(dòng)混合攪拌設(shè)備進(jìn)行真空攪拌，攪拌時(shí)間為3?4h，實(shí)現(xiàn)多元粉體材料的均勻化；
[0018](4)將步驟3攪拌均勻后的混合物在室溫條件下，將混合物放入制定的矩形?？蛑?，然后將矩形?？虮砻娴幕旌衔锕纹讲⒍嘤嗟幕旌衔锍ィ玫礁鞑糠置芏认嗤木匦螇K；
[0019](5)將步驟4制得的矩形塊，利用自動(dòng)扎棍設(shè)備進(jìn)行乳輥，首先初步控制粘接布的厚度在3?4_左右，進(jìn)行初步乳棍成型；
[0020](6)對(duì)粘接布再一次進(jìn)行乳棍，調(diào)節(jié)滾輪之間的間距，控制高度為I?2_，給粘接布一個(gè)正壓力，進(jìn)行2?3次重復(fù)乳輥，對(duì)金屬顆粒表面及金屬顆粒之間的粘接劑產(chǎn)生擠壓作用，粘接劑在擠壓作用下形成纖維狀；
[0021](7)將乳輥輪之間的間距調(diào)節(jié)到所需金屬布的厚度范圍，對(duì)金屬布正反兩面進(jìn)行5?6次重復(fù)乳輥，金屬纖維形成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的立體蛛網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，金屬顆粒鑲嵌或包裹在粘接劑中，使分散的合金金屬粉形成一個(gè)相互聯(lián)系的整體，纖維狀各個(gè)區(qū)間的金屬顆粒均勻分布，乳輥形成柔性金屬粉末粘接布，即所需的銀基材料。
[0022]一種上述的用于Si3N4陶瓷表面金屬化的銀基材料金屬布的釬焊工藝，包括以下步驟:
[0023](I)準(zhǔn)備階段:先對(duì)待釬焊的Si3N4陶瓷表面進(jìn)行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污和氧化膜，Si3N4陶瓷表面用金剛石研磨膏研磨平整，并置于丙酮中利用超聲波清洗10-15min，根據(jù)Si3N4陶瓷待金屬化表面的形狀，裁剪柔性金屬布材料；
[0024](2)裝配步驟:將裁剪柔性金屬布材料貼置于清洗后的待金屬化的Si3N4陶瓷表面上，必須保證金屬布緊貼與Si3N4陶瓷材料表面；
[0025](3)釬焊工藝:將裝配好的試樣整體置于真空度不低于1.5 X 10 3Pa的真空釬焊設(shè)備中，首先以3?6°C /min的速率升溫至250?300°C，保溫20?25min，以3?5°C /min的速率升溫至600?650°C，保溫20?25min，再以4?7°C /min的速率繼續(xù)升溫至釬焊溫度760?820°C，保溫20?30min，再以3?5°C /min的速率冷卻至600?650°C，保溫15?20min，再以3?5°C /min的速率冷卻至450?500°C，保溫15?20min，最后以5?80C /min的速率冷卻至250?300°C，并隨爐冷卻至室溫，取出表面被金屬化件即可。
[0026]在本發(fā)明中，Ag、Cu、T1、N1、Ce、Sc和Re粉的質(zhì)量純度均為99.50%?99.90%。采用自動(dòng)混合攪拌設(shè)備及自動(dòng)乳輥設(shè)備，將添加有粘接劑的Ag基合金材料顆粒制備成具有良好柔韌性和粘性的金屬粘貼布(即金屬布)，厚度為:400?600 μ m。
[0027]在本發(fā)明中，粘接劑是由兩種具有不同性能和工作溫度的粘接劑(即有機(jī)硅樹(shù)脂膠和環(huán)氧樹(shù)脂膠)混合制備而成，有機(jī)硅樹(shù)脂粘接劑由主劑和固化劑按9:1混合制得，其工作溫度為200°C?250°C，環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑由主劑和固化劑按7:1混合制得，其工作溫度為600°C?650°C，有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂兩種粘接劑體積嚴(yán)格按比例1:4稱取，有機(jī)硅樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑混合攪拌均勻30?45m