[发明专利]Si3N4与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷与金属的连接钎料和钎焊连接方法。

背景技术

先进结构陶瓷材料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，正日益显示出其广阔的应用前景，引起各工业发达国家的广泛重视，各国竞相投入大量的人力、物力予以研究。

在结构陶瓷中，氮化硅陶瓷(Si₃N₄)是当今工程结构新材料中的重要组成部分。Si₃N₄陶瓷是典型共价键结合的陶瓷，Si与N之间结合相当牢固，这导致Si₃N₄陶瓷具有一系列优异的物理、化学及力学性能，如抗氧化，耐高温，耐腐蚀，高的本征强度、硬度、耐磨损性能、以及优良的高温力学性能和低的热膨胀系数，是结构陶瓷中最有应用前景的材料之一，也是发展十分迅速的一类新型高温结构材料。但Si₃N₄陶瓷也具有脆性大、延性低、难以变形和切削加工困难等陶瓷固有的缺点，另外，陶瓷材料固有的脆性，导致了极小的临界裂纹，增大了陶瓷构件在制作加工中的难度，使得陶瓷材料难以制造成复杂形状的构件，妨碍了其在工程结构中的应用。另一方面，金属材料具有较好的塑性和韧性，但其高温性能、硬度、耐腐蚀等性能较差。在实际工程中，可以根据具体的要求，合理地把金属和陶瓷结合为一体，即可充分发挥两者的优势，获得综合性能良好的零部件。由此可见，陶瓷与金属的连接成为众多研究者关注的热点。

目前，活性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优点成为连接Si₃N₄陶瓷与金属的首选，各国材料工作者在连接陶瓷的钎料选择上进行了大量研究，发展比较成熟的主要是Ag-Cu-Ti钎料，该钎料显示了对大部分陶瓷材料良好的润湿能力，但始终未能很好解决在从钎焊温度冷却到室温过程中钎料和陶瓷间由于热膨胀系数差异导致的较大残余应力问题。

发明内容

本发明是要解决采用现有的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法所得到的焊接接头产生高残余应力，导致接头强度低的问题，而提出Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料和钎焊连接方法。

本发明的Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料由混合粉末和复合相组成，其中混合粉末按质量百分比由66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末组成；复合相为TiN颗粒，复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）。

本发明中的使用Si₃N₄与42CrMo钢的连接钎料进行钎焊连接方法是通过下列步骤实现的：

一、按质量百分比称取66%~71%的Ag粉末、26%~31%的Cu粉末和3%~6%的Ti粉末,然后将三者混合，得到混合粉末，其中这三种金属粉末的粒径都为5μm~50μm；

二、按复合相与混合粉末的体积比为（1~15）:（85~99）的比例称取复合相TiN颗粒，然后将此TiN颗粒加入到步骤一中得到的混合粉末中，再一起放入球磨机中，在球磨机转速为150r/min~250r/min的条件下，粉磨1.5h~2.5h后，得到复合连接钎料，其中，TiN颗粒的粒径为5μm~50μm，球磨时的球料比为5:1；

三、将Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢的连接面分别用金刚石研磨膏和金相砂纸进行抛光处理，然后将经抛光处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢放入丙酮中，在超声功率为100W~150W的条件下，清洗25min~35min，再用无水乙醇冲洗，吹干；

四、步骤二中得到的复合连接钎料、羟乙基纤维素粘结剂和水按质量比为（5~20）:1:（50~200）的比例混合制成膏状的Ag-Cu-Ti+TiN复合连接钎料，并将该膏状钎料置于经步骤三处理后的Si₃N₄陶瓷和42CrMo钢之间，干燥后得到待焊件；