專利名稱：表面合金化陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明表面合金化陶瓷及制備方法涉及陶瓷表面改性技術(shù)和復(fù)合材料制備
背景技術(shù)：
陶瓷材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，如耐高溫、耐腐蝕、高硬度、耐磨損以及電絕緣性好等，因此，陶瓷材料得到了廣泛應(yīng)用。但由于陶瓷具有不可避免的缺點(diǎn)，如性脆、強(qiáng)度分散和加工性能差等，限制了陶瓷的進(jìn)一步使用。將陶瓷表面合金化，形成表面合金化陶瓷是揚(yáng)長(zhǎng)避短擴(kuò)大陶瓷應(yīng)用的主要途徑。因而，表面合金化陶瓷具有廣闊的應(yīng)用前景。
陶瓷表面金屬化的最大困難是由于陶瓷材料與金屬材料的鍵合機(jī)理不同，陶瓷材料是共價(jià)鍵，而金屬材料是金屬鍵，因此金屬很難在陶瓷材料表面潤(rùn)濕鋪展。因此也就產(chǎn)生了許多陶瓷表面金屬化的方法，其中Mn-Mo法和氣相沉積法是最常用的方法。Mn-Mo法是在復(fù)雜的燒結(jié)工藝過(guò)程中，將Mn和Mo粉末材料燒結(jié)在陶瓷表面，這樣的金屬化過(guò)程使陶瓷表面光潔度下降，性能降低；氣相沉積金屬化法的特點(diǎn)是陶瓷不經(jīng)受高溫，可保證零件的尺寸精度，金屬化膜連續(xù)致密、導(dǎo)熱性好，高頻損耗小，強(qiáng)度高，但僅能沉積單一金屬元素，所以只能稱其為陶瓷表面金屬化方法，此外由于沒(méi)有活性元素的作用，金屬層與陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度較低。
基于活性元素鈦與陶瓷化學(xué)反應(yīng)的有利作用，本申請(qǐng)者曾進(jìn)行過(guò)陶瓷表面的加弧輝光滲鈦，但這樣的方法僅使陶瓷表面實(shí)現(xiàn)了鈦金屬化，金屬元素單一，適應(yīng)性能較差，而且由于鈦的親氧能力較強(qiáng)，金屬鈦層容易被大氣氧化，形成氧化膜不利于后續(xù)的應(yīng)用過(guò)程。如在此基礎(chǔ)上的陶瓷與金屬的連接，由于陶瓷表面滲鍍的鈦層在釬焊過(guò)程中很難全部與釬料發(fā)生反應(yīng)和混合，在陶瓷與金屬連接接頭的陶瓷側(cè)保留了一層鈦層，影響了釬料與陶瓷的潤(rùn)濕和反應(yīng)，直接影響了陶瓷與金屬的連接強(qiáng)度，接頭中陶瓷側(cè)大量的金屬間化合物的存在使接頭脆性增加，在殘余應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)開(kāi)裂。
因此為了進(jìn)一步擴(kuò)大陶瓷的應(yīng)用范圍，找出一種方便快捷的表面合金化陶瓷制備方法，是勢(shì)在必行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明表面合金化陶瓷及制備方法的目的是利用現(xiàn)有普通陶瓷來(lái)制備表面合金化陶瓷，普通陶瓷通過(guò)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的復(fù)合靶和工藝方法后，使普通陶瓷表面滲鍍一層含有活性金屬鈦、鋯或鉿和所需金屬材料鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁或銀中的一種或一種以上的具有所需成分性能的合金層，表面合金化陶瓷在其表面具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等金屬性能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用表面合金化陶瓷，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的高質(zhì)量釬焊連接。
本發(fā)明表面合金化陶瓷，其特征在于是一種利用復(fù)合靶在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷表面進(jìn)行合金化處理，使普通陶瓷表面滲鍍一層含有活性金屬鈦、鋯或鉿和所需金屬材料鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁或銀中的一種或一種以上的合金層，其表面具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性金屬性能的表面合金化陶瓷。
上述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的復(fù)合靶，在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷進(jìn)行表面合金化，復(fù)合靶在電弧熱的作用下蒸發(fā)或熔化，金屬離子在高電場(chǎng)的作用下高速撞擊在陶瓷表面，并經(jīng)過(guò)擴(kuò)散和化學(xué)冶金反應(yīng)滲鍍?cè)谔沾杀砻?，陶瓷表面獲得由這些金屬元素組成的合金層，制備工藝參數(shù)為極限真空度小于6Pa，工作氣壓10～20Pa，工作介質(zhì)氬氣，輝光電壓300～900V，電弧電流40～100A，滲鍍時(shí)間10～50min，這種方法可實(shí)現(xiàn)多種類型表面合金化陶瓷和疊層復(fù)合材料的制備。
上述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于所述的復(fù)合靶由活性金屬鈦、鋯或鉿和其它所需金屬材料鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁或銀中的一種或幾種按比例機(jī)械組合，從使用面積計(jì)算，金屬鈦、鋯或鉿所占的比例為10～40％，其它金屬元素所占比例分別因合金成分不同而各異。
上述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷進(jìn)行表面合金化，使用普通Ag-Cu釬料，不需要釬劑，其輝光釬焊工藝參數(shù)為極限真空度小于6Pa，工作氣壓10～20Pa，輝光電壓300～900V，釬焊溫度750～900℃，保溫時(shí)間5～15min，工作介質(zhì)氬氣。
上述的表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于所述的陶瓷材料為Si3N4、ZrO2、Al2O3、SiC中的一種。
制備表面合金化陶瓷的目的就是為了與金屬材料釬焊連接，在復(fù)合靶的選擇上也可以特別考慮，如選擇Cu和Ti二元復(fù)合靶或Ag、Cu和Ti三元復(fù)合靶，在陶瓷表面形成Cu-Ti二元合金或Ag-Cu-Ti三元合金，這兩種材料本身就是很好的釬料，因而有利于表面合金化陶瓷/金屬的釬焊連接。這樣不僅節(jié)省釬料，而且可以在多種環(huán)境條件下(大氣條件下)對(duì)其進(jìn)行釬焊。
采用本制備方法也可對(duì)片狀陶瓷兩面進(jìn)行表面合金化，可以形成雙面合金化陶瓷。也可以把雙面合金化陶瓷疊加并焊接在一起，形成疊層復(fù)合材料，如附5所示。
本制備方法與現(xiàn)有陶瓷金屬化方法、陶瓷/金屬釬焊方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1.有利于陶瓷表面的金屬化和合金化，形成表面合金化陶瓷，進(jìn)一步拓寬了陶瓷的應(yīng)用范圍。
2.避免了單一滲鈦層阻礙和脆化影響，有利于合金層與陶瓷的化學(xué)反應(yīng)，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，降低了界面應(yīng)力集中程度；3.復(fù)合滲鍍合金層不易被大氣氧化。
4.表面合金化陶瓷可以在較低的真空度條件下，甚至可以在大氣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)釬焊連接；利用普通釬料進(jìn)行釬焊，可獲得優(yōu)良的焊接接頭。
5.制備速度快，效率高。
四

圖1為本發(fā)明表面合金化陶瓷及制備方法所用加弧輝光真空爐設(shè)備示意圖。1為冷卻循環(huán)水；2為陽(yáng)極靶即復(fù)合靶；3是爐壁為夾套形式，內(nèi)部通冷卻水1；4為附加陰極，起加熱保溫作用；5為陰極臺(tái)座；6為密封墊圈；7陶瓷工件；8為引弧鉤，用于點(diǎn)燃電弧和維持電弧；9為電弧電源；10為輝光電源。
圖2為本發(fā)明的表面合金化陶瓷及制備方法中采用的復(fù)合金屬靶的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3為本發(fā)明的表面合金化陶瓷及制備方法中采用的復(fù)合金屬靶的仰視圖。根據(jù)所需合金化的組分不同，材料11、12、13、14可以為鈦、鋯或鉿活性元素材料和鐵、銅、鎳、鉻、錳、鋁、鉬等中的一種或一種以上，一般情況下，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，最外圈為較便宜的材料，最內(nèi)圈為貴重的材料。對(duì)于陶瓷材料而言，活性元素是不可少的，因?yàn)樗鼈兛梢耘c陶瓷進(jìn)行一定的化學(xué)反應(yīng)。11、12、13、14材料所占比例按面積計(jì)算，因陶瓷材料不同和所需合金層組分不同而各異。
圖4為本發(fā)明的釬焊方法示意圖。15為表面合金化陶瓷，16為合金層，17為釬料，18為金屬(或表面合金化陶瓷)。把表面合金化陶瓷15、釬料17和金屬18組裝好，放入輝光釬焊爐或真空爐中，然后按著上述規(guī)定的工藝參數(shù)進(jìn)行釬焊連接。
圖5為陶瓷/金屬疊層復(fù)合材料。19為陶瓷；20為金屬材料；五具體實(shí)施方式
實(shí)施方式1表面合金化Al2O3陶瓷的制備，目的用于表面導(dǎo)電。
陶瓷為Al2O3，復(fù)合靶采用鈦、銅、鋁三種組分，由外至內(nèi)布置為銅、鋁、鈦材料，面積比例為30～40％、30～40％、20～40％。陶瓷表面合金化的工藝參數(shù)為極限真空度6Pa輝光電壓600V電弧電流 60A滲鍍時(shí)間30min工作介質(zhì) 氬氣Al2O3陶瓷表面合金層厚度為20μm，具有良好的導(dǎo)電性能。
實(shí)施方式2表面合金化陶瓷用于微連接陶瓷材料為Al2O3，金屬為15μm后的鋁箔，復(fù)合靶采用鋁、鈦兩種成分，采用鋁為外圈，鈦為內(nèi)圈，復(fù)合靶中鋁、鈦的面積比例為60～80％、20～40％。表面合金化陶瓷與金屬及釬料放入真空爐中進(jìn)行連接。
陶瓷表面合金化及其與金屬的釬焊的工藝參數(shù)為極限真空度 6Pa 工作氣壓20Pa輝光電壓700V 電弧電流60A滲鍍時(shí)間50min釬焊溫度500℃保溫時(shí)間10min工作介質(zhì)氬氣
Al2O3陶瓷表面滲合金層厚度為10～20μm，釬焊結(jié)果表明Al2O3陶瓷/金屬鋁箔接頭無(wú)裂紋，整個(gè)結(jié)合面無(wú)不連接處，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度為100MPa。
實(shí)施方式3表面合金化陶瓷與金屬的低真空釬焊，用于陶瓷/金屬連接陶瓷材料為Si3N4，金屬材料為碳鋼Q235，復(fù)合靶采用銅、鈦、鐵三種成分，采用銅為外圈，鈦銅為內(nèi)圈，銅、鈦、鐵的面積比例為40～60％、20～40％、10～40％，表面合金化陶瓷與金屬及Ag-Cu釬料放入真空爐中進(jìn)行釬焊。
陶瓷表面合金化及其與金屬的釬焊的工藝參數(shù)為極限真空度 6Pa 工作氣壓20Pa輝光電壓700V電弧電流60A滲鍍時(shí)間50min 釬焊溫度850℃釬焊真空度 5×10-2Pa 保溫時(shí)間10min工作介質(zhì)氬氣陶瓷表面合金層厚度為30μm，釬焊接頭質(zhì)量良好，Si3N4陶瓷無(wú)裂紋，整個(gè)結(jié)合面無(wú)不連接處，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度為300MPa。
實(shí)施方式4Si3N4與ZrO2陶瓷表面合金化后的低真空釬焊陶瓷為Si3N4和ZrO2，Si3N4陶瓷表面合金化時(shí)復(fù)合靶采用銅、鈦、鎳三種元素，采用銅為外圈，鎳為內(nèi)圈，銅、鈦、鎳比例分別為40～60％、20～40％、10～40％，ZrO2陶瓷表面合金化時(shí)復(fù)合靶選用鋯、鉻、鎳三種元素，鋯、鉻、鎳分別占的比例為20～40％、40～60％、15～30％，表面合金化后的陶瓷釬料放入真空爐中進(jìn)行釬焊。其工藝參數(shù)為極限真空度 6Pa 工作氣壓20Pa輝光電壓800V 電弧電流60A滲鍍時(shí)間40min釬焊溫度930℃釬焊真空度 0.5Pa保溫時(shí)間10min工作介質(zhì)氬氣陶瓷表面合金層厚度為30μm，釬焊結(jié)果獲得性能良好的接頭，Si3N4及ZrO2陶瓷接頭無(wú)裂紋，整個(gè)結(jié)合面無(wú)不連接處，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度為230MPa。
實(shí)施方式5
Al2O3陶瓷表面合金化后與金屬的加弧輝光釬焊陶瓷為Al2O3，金屬為碳鋼Q235B，復(fù)合靶采用鈦、鎳、鋁四種成分，采用鈦為外圈，鈦、鐵、鋁分別占的比例為20～40％、20～40％、30～50％，合金化后的陶瓷與金屬及釬料放入輝光爐中進(jìn)行輝光釬焊。陶瓷表面合金化及其與金屬的輝光釬焊的工藝參數(shù)為極限真空度 6Pa 工作氣壓20Pa輝光電壓600V 電弧電流60A滲鍍時(shí)間40min釬焊溫度900℃保溫時(shí)間10min工作介質(zhì)氬氣陶瓷表面滲層厚度為35μm左右，釬焊結(jié)果獲得性能良好的接頭，Al2O3陶瓷無(wú)裂紋，整個(gè)結(jié)合面無(wú)不連接處，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度為210MPa。
實(shí)施方式6ZrO2陶瓷表面合金化后與金屬在大氣條件下釬焊陶瓷為ZrO2，金屬為碳鋼Q235B，復(fù)合靶采用鋯、鐵、鎳三種成分，采用鎳、為外圈，鋯、鐵、鎳分別占的比例為20～40％、40～60％、15～20％，表面合金化后的陶瓷與金屬在大氣條件下進(jìn)行釬焊。陶瓷表面合金化及其與金屬的釬焊工藝參數(shù)為極限真空度 6Pa 工作氣壓 20Pa輝光電壓 700V電弧電流 60A滲鍍時(shí)間 20min 釬焊溫度 920℃保溫時(shí)間 10min 工作介質(zhì) 氬氣陶瓷表面滲層厚度為30μm左右，釬焊結(jié)果獲得性能良好的接頭，ZrO2陶瓷無(wú)裂紋，整個(gè)結(jié)合面無(wú)不連接處，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度為180MPa。
實(shí)施方式7Al2O3陶瓷疊層材料制備陶瓷為片狀A(yù)l2O3，復(fù)合靶采用鈦、銅、鋁、銀四種成分，采用銅為外圈，鈦、銅、鋁、銀分別占的比例為20～40％、40～60％、15～20％，5～10％對(duì)片狀A(yù)l2O3雙面表面合金化，然后把3片雙面合金化陶瓷疊放在一起，在真空爐中進(jìn)行釬焊。
陶瓷表面合金化及其與金屬的釬焊工藝參數(shù)為
極限真空度6Pa 工作氣壓20Pa輝光電壓 700V 電弧電流60A滲鍍時(shí)間 20min釬焊溫度920℃保溫時(shí)間 10min工作介質(zhì)氬氣釬焊真空度0.5Pa陶瓷表面滲層厚度為40μm左右，結(jié)合面無(wú)不連接處。
權(quán)利要求
1.一種表面合金化陶瓷，其特征在于是一種利用復(fù)合靶在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷表面進(jìn)行合金化處理，使普通陶瓷表面滲鍍一層含有活性金屬鈦、鋯或鉿和所需金屬材料鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁或銀中的一種或一種以上的合金層，其表面具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性金屬性能的表面合金化陶瓷。
2.權(quán)利要求1所述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于利用本發(fā)明設(shè)計(jì)的復(fù)合靶，在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷進(jìn)行表面合金化，復(fù)合靶在電弧熱的作用下蒸發(fā)或熔化，金屬離子在高電場(chǎng)的作用下高速撞擊在陶瓷表面，并經(jīng)過(guò)擴(kuò)散和化學(xué)冶金反應(yīng)滲鍍?cè)谔沾杀砻?，陶瓷表面獲得由這些金屬元素組成的合金層，制備工藝參數(shù)為極限真空度小于6Pa，工作氣壓10～20Pa，工作介質(zhì)氬氣，輝光電壓300～900V，電弧電流40～100A，滲鍍時(shí)間10～50min，這種方法可實(shí)現(xiàn)多種類型表面合金化陶瓷和疊層復(fù)合材料的制備。
3.按照權(quán)利要求2所述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于所述的復(fù)合靶由活性金屬鈦、鋯或鉿和其它所需金屬材料鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁或銀中的一種或幾種按比例機(jī)械組合，從使用面積計(jì)算，金屬鈦、鋯或鉿所占的比例為10～40％，其它金屬元素所占比例分別因合金成分不同而各異。
4.按照權(quán)利要求2所述表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷進(jìn)行表面合金化，使用普通Ag-Cu釬料，不需要釬劑，其輝光釬焊工藝參數(shù)為極限真空度小于6Pa，工作氣壓10～20Pa，輝光電壓300～900V，釬焊溫度750～900℃，保溫時(shí)間5～15min，工作介質(zhì)氬氣。
5.按照權(quán)利要求2所述的表面合金化陶瓷的制備方法，其特征在于所述的陶瓷材料為Si3N4、ZrO2、Al2O3、SiC中的一種。
全文摘要
一種表面合金化陶瓷及制備方法涉及到陶瓷表面改性技術(shù)和復(fù)合材料制備領(lǐng)域。其特征在于是利用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的復(fù)合靶，在加弧輝光爐中對(duì)普通陶瓷進(jìn)行表面合金化，復(fù)合靶由活性金屬鈦(或鋯、鉿)和其它所需金屬材料(如鐵、鉻、鎳、錳、鉬、銅、鋁、銀等)一種或幾種按一定比例機(jī)械組合，復(fù)合靶在電弧熱的作用下蒸發(fā)或熔化，金屬離子在高電場(chǎng)的作用下高速撞擊在陶瓷表面。其優(yōu)點(diǎn)是滲鍍速度快，結(jié)合強(qiáng)度高，合金層厚度可達(dá)100μm以上。這種方法可實(shí)現(xiàn)多種類型表面合金化陶瓷和層狀復(fù)合材料的制備。
文檔編號(hào)C04B41/88GK1603285SQ20041001257
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者王文先, 張紅霞, 崔澤琴, 馬麗莉 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)