[发明专利]连接Si3N4陶瓷和42CrMo钢的复合钎料及用其进行钎焊的方法

说明书

技术领域

本发明涉及连接陶瓷和金属钎焊的复合钎料及用其进行钎焊的方法。

背景技术

先进结构陶瓷作为一种新型结构材料，以其耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀以及低热导等独特的优异性能，在国防、能源、航空航天、机械、石化、冶金、电子等行业，日益显示出广阔的应用前景，引起各工业发达国家的重视，竞相投入大量的人力、物力予以研究。

氮化硅陶瓷（Si₃N₄）是当今工程结构新材料中的重要组成部分。该类陶瓷中Si与N之间是典型的共价键结合，导致Si₃N₄陶瓷具有一系列优异的物理、化学及力学性能，如低的热膨胀系数、抗氧化、耐高温、耐腐蚀、高的本征强度、硬度、耐磨损、以及优良的高温力学性能，是结构陶瓷中最具有应用前景的材料之一，也是发展十分迅速的新型高温结构材料。由于Si₃N₄陶瓷脆性大、延性低、难以变形和切削加工困难。另外，陶瓷材料固有的脆性，可导致极小的临界裂纹，增大了陶瓷构件在制作加工中的难度，妨碍了在工程结构上的应用。金属材料通常具有良好的塑性和韧性，但其高温性能、硬度、耐腐蚀性较差。实际应用中，可根据具体的要求，合理地把金属和陶瓷结合为一体，即可获得综合性能良好的陶瓷-金属结构件。因此，为了充分发挥两类材料的优点，必须解决陶瓷与金属的连接问题。

目前，活性金属钎焊法由于操作工艺简单、连接强度高、接头尺寸和形状适应性广等成为连接Si₃N₄陶瓷与金属的首选方法，各国材料工作者在连接陶瓷的钎料选择上进行了大量的研究，现在发展比较成熟的钎料体系主要为Ag-Cu-Ti，该钎料对Si₃N₄陶瓷显示了良好的润湿能力。然而，由于该钎料与被连接的Si₃N₄陶瓷之间存在较大的热膨胀系数差异，从钎焊温度冷却至室温过程中，接头内容易产生高的残余应力，这在一定程度上损害了接头的连接性能。

发明内容

本发明目的是为了解决现有复合钎料钎焊连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢所得到的焊接接头产生的高残余应力，接头强度低的问题，而提供连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的复合钎料及用其进行钎焊的方法。

本发明用于连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的复合钎料由混合粉末和增强相组成；其中混合粉末由质量百分比为60%～75％的Ag粉、20%～35％的Cu粉和3%～6％的Ti粉组成；增强相为占混合粉末体积百分比5%～40％的Mo粉或WC粉。

本发明连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的复合钎料进行钎焊的方法，是通过下列步骤实现：

一、按质量百分比将60%～75％的Ag粉、20%～35％的Cu粉和3%～6％的Ti粉混合，得到混合粉末；

二、向混合粉末中加入占混合粉末体积百分比5%～40％的增强相，得到粉末A，然后将粉末A放入球磨罐中，以200～300r/min的转速球磨处理1～10h，得到复合钎料；

三、将复合钎料与羟乙基纤维素混合成膏状，在20～100℃温度下烘干成厚度为80～260μm的复合钎料薄片；

四、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的待焊面用丙酮超声清洗30min后取出，自然晾干；

五、将复合钎料薄片装配在清洗后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的待焊面之间，用502胶固定，得到待焊件；

六、将步骤五得到的待焊件置于真空钎焊炉中，在待焊件两端加压至100～160Pa，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3Pa，以10℃/min的加热速度将待焊件升温到300℃，保温30min，然后以10℃/min的速度升温到900℃，保温10min，再以5℃/min的速度降温至300℃，然后随炉冷却至室温，即完成连接Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的复合钎料进行钎焊的方法；

其中所述增强相为Mo粉或WC粉，步骤二中球料质量比为10︰1；

步骤三中复合钎料与羟乙基纤维素按质量比95﹕5混合。