摘 要： 介紹了采用真空釬焊工藝技術(shù)進(jìn)行304不銹鋼件與金屬化氧化鋁陶瓷進(jìn)行焊接的試驗(yàn)研究情況, 同時(shí)也研究了以無氧銅和Ag Cu28Ni1.5合金作為金屬化氧化鋁陶瓷-金屬釬焊釬料的釬焊工藝及性能。結(jié)果表明:無氧銅及Ag Cu28Ni1.5合金是釬焊金屬-陶瓷的2種綜合性能良好的活性釬料。
0前言
一般情況下, 氧化鋁陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度、絕緣性良好等特性, 但其加工性能、焊接性能很差。而金屬材料卻具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn), 且機(jī)械加工性能、焊接性能良好。隨著高性能結(jié)構(gòu)陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和高科技的發(fā)展需要, 很多組件常常需要陶瓷和金屬材料的綜合性能。通過陶瓷金屬化真空釬焊工藝能夠?qū)⑻沾珊徒饘儆袡C(jī)地結(jié)合在一起, 從而獲得兼有陶瓷和金屬性能優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)件[1]。
由于陶瓷材料結(jié)構(gòu)與金屬材料微觀結(jié)構(gòu)不同, 釬料往往不能潤濕陶瓷表面, 也不能與之作用而形成牢固的粘結(jié), 因而陶瓷與金屬的封接是一種特殊的工藝方法, 即陶瓷金屬化的方法:先在陶瓷需要釬焊的表面牢固地粘附1層金屬薄膜, 使該表面具有金屬特性, 再實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的釬焊。經(jīng)相關(guān)資料介紹, 現(xiàn)有鉬錳法、鍍金法、鍍銅法、鍍錫法、鍍鎳法、LAP法 (激光后金屬鍍) 等多種陶瓷金屬化工藝[2]。
真空釬焊是熔點(diǎn)比基體金屬低的釬料熔化后借助毛細(xì)作用填滿接頭間隙從而獲得不可拆卸接頭的一種工藝方法。真空釬焊工藝具有無需采用助釬劑、釬焊點(diǎn)因脫氧而韌性好等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來, 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 釬焊技術(shù)在各工業(yè)部門中占據(jù)著越來越重要的地位, 尤其是在電氣儀表及國防等工業(yè)中已成為不可取代的工藝方法。例如:大型制氧機(jī)、汽車和輪船上用的形狀復(fù)雜的熱交換器 (油冷卻器、蒸發(fā)器和散熱器等) 、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中形狀復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)、電氣零件、精密機(jī)械零件等都必須采用釬焊[3]。
本文在真空釬焊方面進(jìn)行了一系列工藝試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用研究。釬焊的關(guān)鍵是接頭的裝配間隙、釬焊工藝參數(shù)的正確選擇和真空釬焊工藝等方面。現(xiàn)就w (Al2O3) 95%陶瓷與304不銹鋼的真空釬焊技術(shù)研究進(jìn)展情況進(jìn)行敘述。
1 試驗(yàn)
以w (Al2O3) 95%陶瓷與304不銹鋼為基材, 無氧銅、Ag Cu28Ni1.5為釬料, ZG90A型真空釬焊爐為釬焊設(shè)備, 利用陶瓷金屬化釬焊工藝, 進(jìn)行w (Al2O3) 95%陶瓷與304不銹鋼的密封釬焊試驗(yàn)研究。研究試驗(yàn)流程如圖1所示。
圖1 研究試驗(yàn)流程
1.1 w (Al2O3) 95%瓷件制備
按照設(shè)計(jì)圖樣要求進(jìn)行w (Al2O3) 95%陶瓷胚件壓制、高溫?zé)Y(jié)。為保證尺寸精度, 對(duì)燒結(jié)的陶瓷件進(jìn)行磨削加工。
1.2 陶瓷金屬化
陶瓷在金屬化之前, 應(yīng)按照一定的要求對(duì)瓷片進(jìn)行挑選、清洗等相關(guān)處理, 以達(dá)到無毛刺飛邊、無凸起、無孔洞, 瓷片光滑、潔凈的要求。然后, 對(duì)需金屬化的陶瓷面采用絲網(wǎng)印刷結(jié)合涂覆的方式涂印上鉬錳漿, 再進(jìn)行1 500℃金屬化燒滲, 重復(fù)進(jìn)行第2次涂印鉬錳漿、燒滲, 再進(jìn)行電鍍鎳金屬薄膜, 1 200℃氫氣燒結(jié)。
1.3 不銹鋼零件制備
采用304不銹鋼材料, 按照設(shè)計(jì)圖樣要求加工不銹鋼零件, 再清洗、鍍鎳、1 100℃氫氣燒結(jié)。
1.4 釬料制備
釬焊意味著固體金屬表面被某種熔化合金浸潤。從熱力學(xué)角度來考慮浸潤過程, 可用自由能來解釋:
式中:F是自由能;U是內(nèi)能;S是熵。
ΔF與2種因素有關(guān), 即與內(nèi)能和熵的改變有關(guān)。一般S常常趨向于較大值, 因此促使-TΔS也變得更小。實(shí)際上, 當(dāng)固體與液體接觸時(shí), 如果自由能F減少, 即ΔF是負(fù)值, 則整個(gè)系統(tǒng)將發(fā)生反應(yīng)或趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可知, 熵是浸潤的促進(jìn)因素, 因?yàn)殪厥?Delta;F的值變得更小。ΔF的符號(hào)較終決定于ΔU的大小和符號(hào), 它控制著浸潤是否能夠發(fā)生。為了產(chǎn)生浸潤, 釬料的原子必須與固體的原子接觸, 這就引起位能的變化, 如果固體原子吸引釬料, 熱量被釋放出來, ΔU是負(fù)值。如果不考慮ΔU的大小和量值, 那么, 熵值的改變與表面能的改變有同樣的意義, 浸潤同樣是有保證的。在基體金屬和釬料之間產(chǎn)生反應(yīng), 這就表明有良好的浸潤性和黏附性。如果固體金屬不吸引釬料, ΔU是正值, 這種情況下, 取決于ΔU在特殊溫度下的大小值, 才能決定能否發(fā)生浸潤[4]。
根據(jù)資料的參數(shù)和有關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)報(bào)道, 本文試驗(yàn)研究中釬料選用無氧銅和Ag Cu28Ni1.5材料。為進(jìn)一步改善浸潤性能, 被釬焊的母材———氧化鋁陶瓷件金屬化表面和金屬件都采用表面鍍鎳工藝。
按照工藝設(shè)計(jì)要求, 無氧銅釬料采用薄片結(jié)構(gòu), 再經(jīng)清洗、850℃真空退火備用;Ag Cu28Ni1.5釬料采用直徑0.5 mm絲材, 經(jīng)700℃真空退火備用。
1.5 真空釬焊
按照設(shè)計(jì)要求, 將不銹鋼零件、金屬化陶瓷件、釬料進(jìn)行固定裝配, 放入真空釬焊爐進(jìn)行釬焊, 完成后取出焊件進(jìn)行檢測試驗(yàn)。
2 結(jié)果與分析
2.1 陶瓷金屬化
圖2為試驗(yàn)制備的金屬化氧化鋁陶瓷件。陶瓷金屬化的效果通過釬焊樣件、拉拔剝離的方法進(jìn)行抽樣檢驗(yàn), 剝離面要求黏帶氧化鋁陶瓷。
圖2 金屬化氧化鋁陶瓷件
為保證氧化鋁陶瓷具有一定的強(qiáng)度和致密性, 須對(duì)其燒結(jié)溫度和密度做一定的要求。磨制的氧化鋁陶瓷表面粗糙度對(duì)金屬化層附著力起關(guān)鍵作用, 因此也有相應(yīng)的要求。據(jù)試驗(yàn)研究, 總結(jié)相應(yīng)性能指標(biāo)要求見表1。
表1 氧化鋁陶瓷性能要求
2.2 不銹鋼零件制備
根據(jù)試驗(yàn)研究, 不銹鋼零件的鍍鎳較佳厚度3~7μm, 敲擊不能出現(xiàn)鎳皮剝離現(xiàn)象。如果鍍鎳厚度太薄, 難以保證零件表面都能鍍有鎳膜, 零件表面釬料浸潤性得不到保證;相反, 鍍鎳厚度太厚, 會(huì)導(dǎo)致鎳膜起殼皮脫落。通過1 100℃氫氣燒結(jié)工藝處理, 能進(jìn)一步提高鍍鎳層在不銹鋼零件上的附著力。
2.3 真空釬焊
按照設(shè)計(jì)要求, 將不銹鋼零件、金屬化陶瓷件、釬料進(jìn)行固定裝配, 放入真空釬焊爐進(jìn)行釬焊, 完成后取出釬件進(jìn)行檢測試驗(yàn)。
真空釬焊的關(guān)鍵工藝參數(shù)是釬焊溫度和真空度。對(duì)于釬焊溫度, 為了減少試驗(yàn)工作量、提高效率, 可對(duì)釬料先進(jìn)行熱分析, 測出熔化溫度點(diǎn), 再根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)研究, 較后確定釬焊溫度工藝參數(shù)。圖3為無氧銅熱分析結(jié)果, 表明該材料熔化點(diǎn)在1 115℃左右。
圖3 無氧銅熱分析結(jié)果
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 釬焊溫度過低, 則釬料不能熔化, 相反, 如果釬焊溫度過高, 會(huì)造成釬料過度揮發(fā)以及釬料結(jié)晶成須絲, 如圖4所示。
圖4 過高溫度釬焊樣件
根據(jù)試驗(yàn)研究, 采用無氧銅釬料釬焊溫度為1 100℃×3 min, 采用Ag Cu28Ni1.5釬料的釬焊溫度為810℃×3 min。釬焊樣件如圖5所示。
圖5 適當(dāng)溫度釬焊的樣件
真空釬焊工藝要求釬焊氣氛的真空度比較高, 以保證釬焊時(shí)釬料的浸潤效果和焊點(diǎn)的力學(xué)性能。真空釬焊的真空度過低, 會(huì)造成釬焊表面氧化, 釬焊點(diǎn)韌性低, 影響釬焊質(zhì)量, 如圖6所示。經(jīng)過試驗(yàn)研究, 真空釬焊的真空度要求加熱啟動(dòng)時(shí)釬焊件環(huán)境真空壓力<1×10Pa。
圖6 過低真空度的釬焊樣件
試驗(yàn)研究證明, 采用合適的釬焊工藝, 就能制作出性能優(yōu)良的釬焊件, 如圖7所示。
圖7 真空釬焊后的釬焊件
2.4 釬焊件的密封性與耐溫性
對(duì)于真空釬焊制作的釬焊件的密封性檢驗(yàn), 可以采用背壓法氦質(zhì)譜儀檢漏。試驗(yàn)樣件采用氧乙炔焰銀銅釬焊或氬弧焊等方法將釬焊件兩端開口封住, 再進(jìn)行壓力充氦和氦質(zhì)譜儀檢漏。氦漏率一般要求<4×10Pa·m/s。
對(duì)釬焊件進(jìn)行500℃高溫×48 h考核試驗(yàn), 試驗(yàn)后再經(jīng)氦質(zhì)譜儀檢漏試驗(yàn), 氦漏率<4×10Pa·m/s, 證明本試驗(yàn)研究制作的釬焊件能夠長時(shí)間承受500℃高溫。
3 結(jié)論
根據(jù)上述真空釬焊工藝試驗(yàn)研究, 得出如下結(jié)論:
(1) 無氧銅、Ag Cu28Ni1.5在真空環(huán)境下與鍍鎳304不銹鋼件、鍍鎳金屬化w (Al2O3) 95%陶瓷件具有良好的浸潤性, 可用作釬焊材料。
(2) 采用適當(dāng)工藝制備的w (Al2O3) 95%陶瓷件經(jīng)挑選、研磨加工后, 用鉬錳法金屬化、鍍鎳等工藝處理, 能夠獲得致密、粘接牢靠、浸潤性好的金屬化表面。
(3) 通過適宜的真空釬焊工藝, 可以獲得耐高溫、密封性良好、韌性好的釬焊件。
參考文獻(xiàn)
[1]馮本政, 劉雅州, 楊汝森.金屬-陶瓷釬焊用銅鈦合金釬料的研究[J].稀有金屬材料與工程, 1990, 19 (5) :46-49.
[2]張啟運(yùn), 莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008:393-404.
[3]高金生.功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1991:704-709.
[4]張啟運(yùn), 莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008:2-14.