陶瓷与不锈钢钎焊机理及工艺研究

论文摘要

本文以电磁炉用陶瓷锅这种产品的开发为应用背景,采用活性钎焊与间接钎焊两种方法对陶瓷与不锈钢的连接进行了研究。借助扫描电镜、能谱分析、X射线衍射分析、压剪实验等分析测试手段,分析了陶瓷/Ag-Cu-Ti/不锈钢真空钎焊接头的界面组织结构、工艺参数对界面组织的影响以及钎焊界面形成机理;研究了陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢在大气环境下,钎焊接头的界面组织结构、钎焊工艺对界面组织和接头性能的影响、接头的耐热性和抗热循环性以及镀镍层与钎料之间的反应机制。通过对陶瓷/Ag-Cu-Ti/不锈钢接头界面反应的实验和分析,确定钎焊温度为850°C、保温时间为5min时,从陶瓷侧到不锈钢侧,界面结构依次为陶瓷/TiO+Ti5Si3+TiSi2/Ag（s,s）+Cu（s,s）+TiFe2/TiFe2/不锈钢;依据界面结构,提出了界面结构的形成机理和界面形成过程模型。随着钎焊温度的升高或者保温时间的延长,接头界面产物的种类并未改变,而靠近陶瓷侧和钢侧的界面反应层的相对厚度逐渐增大;而钎缝中部的Ag（s,s）和Cu（s,s）反应层的相对厚度逐渐减小,且Cu（s,s）发生聚集。对陶瓷表面镀上一层镍后,采用Sn-3.5Ag钎料对镀镍的陶瓷与不锈钢进行钎焊连接,其典型界面结构为:陶瓷/镀Ni层/富P层/Ni3Sn+Ni3Sn2+Ni3Sn4 /Sn-3.5Ag/不锈钢。随着钎焊温度和保温时间增加,钎焊接头界面生成的Ni3Sn4金属间化合物长大并且向钎缝中扩散和延伸。以抗剪强度评价陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢接头的力学性能,发现当钎焊温度为300°C、保温时间为5min时,接头抗剪强度最高,达到16MPa,完全可以满足使用要求。对钎焊接头的耐热性与抗热循环性分析表明:在200°C恒温环境中保温8h后,接头界面组织变化很小,接头抗剪强度基本不变;在220°C时,热循环200次后,接头界面组织中的金属间化合物有长大的趋势,在一定的循环次数时,抗剪强度反而有所升高,完全可以满足使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 陶瓷与金属连接的主要问题
• 1.3 陶瓷/金属连接研究现状
• 1.3.1 钎焊连接
• 1.3.2 扩散连接
• 1.4 化学镀镍技术简介
• 1.4.1 化学镀镍原理
• 1.4.2 陶瓷表面化学镀
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 实验设备和工艺
• 2.2.1 化学镀镍工艺流程及实验装置
• 2.2.2 钎焊设备
• 2.2.3 钎焊过程
• 2.3 性能测试和微观分析
• 2.3.1 力学性能测试
• 2.3.2 微观分析
• 第3章 采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊陶瓷与不锈钢
• 3.1 引言
• 3.2 润湿性实验结果及分析
• 3.3 接头界面组织及结构分析
• 3.3.1 典型接头界面组织
• 3.3.2 反应产物及界面结构
• 3.4 工艺参数对接头界面的影响
• 3.4.1 钎焊温度的影响
• 3.4.2 保温时间的影响
• 3.5 接头性能及断裂路径分析
• 3.6 接头界面的形成机理
• 3.7 本章小结
• 第4章 利用化学镀镍进行陶瓷与不锈钢的间接钎焊
• 4.1 引言
• 4.2 镀层性能的分析
• 4.2.1 镀层形貌及组织分析
• 4.2.2 镀层成分及组织结构
• 4.2.3 镀层与基体结合力
• 4.3 镀镍陶瓷高温钎焊分析
• 4.3.1 镀镍陶瓷高温钎焊时的问题
• 4.3.2 陶瓷/Ni/Ag-Cu/不锈钢钎焊接头界面组织及性能分析
• 4.4 陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢钎焊界面组织结构
• 4.5 工艺参数对陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢接头界面组织的影响
• 4.5.1 钎焊温度对界面组织的影响
• 4.5.2 保温时间对界面组织的影响
• 4.6 陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢接头力学性能
• 4.6.1 镀镍时间对接头强度的影响
• 4.6.2 钎焊工艺参数对接头连接强度的影响
• 4.6.3 接头的断裂部位分析
• 4.7 陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢接头耐热性和抗热循环性分析
• 4.7.1 钎焊接头耐热性分析
• 4.7.2 钎焊接头的抗热循环性分析
• 4.8 陶瓷/Ni/Sn-3.5Ag/不锈钢钎焊接头界面形成机制
• 4.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢