陶瓷材料的焊接

前言

第1章 陶瓷材料概述1

1.1 陶瓷材料的种类、性能及用途1

1.1.1 陶瓷材料的种类1

1.1.2 陶瓷材料的性能2

1.1.3 陶瓷材料的应用10

1.2 陶瓷材料性能的改善17

1.2.1 陶瓷材料的韧化17

1.2.2 复合增韧陶瓷材料的组织18

1.3 陶瓷基增强复合材料的分类、性能及应用21

1.3.1 陶瓷基增强复合材料的分类21

1.3.2 陶瓷基增强复合材料的性能及应用22

第2章 陶瓷材料的焊接性25

2.1 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的焊接性25

2.1.1 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的润湿性25

2.1.2 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间焊接的问题27

2.2 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间焊接性的改善28

2.2.1 改善润湿性28

2.2.2 降低接头应力55

2.3 陶瓷材料适用的焊接方法56

2.3.1 胶接58

2.3.2 高能束焊接58

2.3.3 摩擦焊58

2.3.4 超声波焊58

2.3.5 微波焊接58

2.3.6 表面活化焊接59

2.3.7 自蔓延高温合成焊接59

2.3.8 场助扩散焊59

2.3.9 过渡液相焊接59

2.3.10 局部过渡液相焊接59

2.3.11 混合氧化物焊接60

2.3.12 钎焊63

2.3.13 扩散焊64

2.3.14 无压固相反应焊接65

2.4 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的钎焊65

2.4.1 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间钎焊存在的问题和解决的措施65

2.4.2 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间钎焊的钎料67

2.4.3 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的钎焊工艺68

2.4.4 表面状态及钎焊工艺对钎焊接头强度的影响70

2.5 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的扩散焊70

2.5.1 金属与陶瓷材料扩散焊中的中间层70

2.5.2 金属与陶瓷真空扩散焊接头的界面反应74

2.5.3 影响固相扩散焊质量的因素75

2.5.4 固相扩散焊的焊接参数及接头性能79

2.6 陶瓷与陶瓷及金属与陶瓷之间的过渡液相焊接84

2.6.1 局部过渡液相焊接的机理84

2.6.2 局部过渡液相焊接的过程84

2.6.3 中间层材料的选择86

2.6.4 中间层材料的设计86

2.6.5 多层复合中间层的应用87

2.6.6 以Al作为中间层用过渡液相扩散法焊接SiC陶瓷89

2.7 金属与陶瓷材料的摩擦焊89

2.8 陶瓷材料的静电加压焊接91

2.9 陶瓷的反应成形法和反应烧结法焊接92

2.9.1 陶瓷的反应成形法焊接92

2.9.2 陶瓷的反应烧结法焊接92

2.10 用超塑性陶瓷作为中间层来焊接陶瓷93

2.10.1 超塑性陶瓷作为中间层来焊接陶瓷的特性93

2.10.2 焊接机理94

2.10.3 用超塑性陶瓷作为中间层的Al2O3的HIP材陶瓷的焊接94

2.10.4 残余应力96

2.10.5 其他采用陶瓷材料作为中间层来焊接陶瓷的技术96

2.11 在半熔化的材料中加压溶浸进行金属与陶瓷的连接96

2.11.1 采用加压溶浸制备复合材料96

2.11.2 半熔化金属加工97

第3章 Al2O3陶瓷的焊接100

3.1 Al2O3陶瓷之间的焊接100

3.1.1 Al2O3陶瓷之间的直接焊接100

3.1.2 Al2O3陶瓷之间加中间层的焊接105

3.2 Al2O3陶瓷与Fe及其合金的焊接109

3.2.1 Al2O3陶瓷与Fe的扩散焊109

3.2.2 Al2O3陶瓷与低碳钢的钎焊109

3.2.3 Al2O3陶瓷与Q235钢的钎焊112

3.2.4 Al2O3陶瓷与可伐合金的焊接114

3.2.5 Al2O3陶瓷与不锈钢的焊接119

3.2.6 复相Al2O3基陶瓷和45钢的火焰钎焊124

3.3 Al2O3陶瓷与铝及其合金的焊接125

3.3.1 Al2O3陶瓷与Al的焊接125

3.3.2 Al2O3陶瓷与Al合金的焊接129

3.4 Al2O3陶瓷与金属Cu的焊接131

3.4.1 Al2O3陶瓷与金属Cu的扩散焊131

3.4.2 Al2O3陶瓷与金属Cu的钎焊134

3.5 Al2O3陶瓷与Ni及其合金的焊接137

3.5.1 Al2O3陶瓷与Ni的焊接137

3.5.2 Al2O3陶瓷与Ni合金的焊接139

3.6 Al2O3陶瓷与Ti及其合金的焊接140

3.6.1 Al2O3陶瓷与Ti的钎焊140

3.6.2 Al2O3陶瓷与Ti的扩散焊142

3.7 Al2O3陶瓷与高熔点金属之间的焊接143

3.7.1 Al2O3陶瓷与Ta的焊接143

3.7.2 Al2O3陶瓷与Nb的焊接143

第4章 SiO2陶瓷的焊接150

4.1 概述150

4.1.1 玻璃的成分和性能150

4.1.2 玻璃的形成条件153

4.1.3 特殊用途玻璃153

4.2 玻璃的焊接性156

4.2.1 玻璃与金属焊接时的问题156

4.2.2 玻璃与金属焊接性的改善157

4.2.3 降低残余应力的方法157

4.3 玻璃的焊接方法159

4.3.1 玻璃的焊接接头形式159

4.3.2 玻璃与金属焊接组合及其接头性能159

4.4 日用陶瓷与不锈钢的钎焊162

4.4.1 采用Ag-Cu-Ti钎料钎焊日用陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢162

4.4.2 采用Sn-3.5Ag钎料钎焊镀镍日用陶瓷与1Cr18Ni9Ti不锈钢163

4.5 微晶玻璃的焊接165

4.5.1 微晶玻璃的钎焊165

4.5.2 真空扩散焊169

4.6 石英玻璃的焊接169

4.6.1 石英玻璃之间的钎焊169

4.6.2 石英玻璃与金属的焊接170

4.7 SiO2玻璃陶瓷的焊接172

4.7.1 SiO2玻璃陶瓷与钛合金的钎焊172

4.7.2 SiO2玻璃与铝和铜的扩散焊176

4.7.3 玻璃与Co合金的阳极焊接177

4.8 硅铝玻璃的真空扩散焊178

4.8.1 硅铝玻璃与铌的真空扩散焊178

4.8.2 硅铝玻璃与钛的真空扩散焊179

4.9 硅硼玻璃与可伐合金的真空扩散焊179

4.9.1 硅硼玻璃与可伐合金的激光熔化焊179

4.9.2 硅硼玻璃与可伐合金的真空扩散焊181

4.10 采用Ag-Cu-In-Ti钎料真空钎焊SiO2纤维-SiO2复合陶瓷与铌182

4.10.1 材料182

4.10.2 钎焊工艺182

4.10.3 接头性能183

4.10.4 接头组织183

4.11 采用复合钎料

《陶瓷材料的焊接》对各类陶瓷材料的性能、焊接性、焊接材料的选用、焊接工艺、焊接质量保障等方面进行了比较详细的阐述,包括Al2O3陶瓷的焊接、SiO2陶瓷的焊接、ZrO陶瓷的焊接、碳化物陶瓷的焊接、氮化物陶瓷的焊接和其他陶瓷材料的焊接。《陶瓷材料的焊接》可供从事陶瓷材料焊接的研究人员、生产和维修技术人员以及高等院校师生参考。

一、陶瓷材料工件的成型 陶瓷材料有三种，(1)氧化物陶瓷如Al2O3；(2)、；(3)混合物陶瓷如Al2O3 SiN2。陶瓷材料的毛坯可用粉末冶金方法制造，将陶瓷粉末混合后压制成型，其形状只是接近成品的毛坯，然后焙烧——机械加工(一般是粗加工)——烧结——(精加工)车削或磨削加工。 我单位曾承接某大学的十多套不同规格的模具，其中一种模具零件如图1所示，模具的材料属于混合陶瓷材料，其成分是ZrO2(70%～80%)、Al2O3(20%～30%)，用混料机将两种粉末混合均匀，放在一个橡胶制成的模具里成型，然后焙烧(1000℃)粉末冶金毛坯，制成的半成品再进行车削加工。 焙烧成的毛坯件如图2所示，形状非常不规则，加工余量过大直径单面有10mm之多，长度余量有30mm。这是由于橡胶模具不规则所致，为脱模容易使用了橡胶材料做模具，而焙烧后陶瓷材料强度非常低，与粉笔相似，但很耐磨，车削时车刀的磨损严重，粉末状的切屑使车刀后面产生磨料磨损，加工比较困难。

二、陶瓷材料工件的车削 使用C616车床，装夹方法为夹住毛坯f53mm处，用硬纸(厚约2mm)垫在零件和三爪之间，其目的是增加摩擦力，车成半成品如图3所示。使用的车刀是90°正偏刀，刀片牌号YG8，机床转速n=200r/min，走刀量f=0.05mm/r，进刀深度ap=2～4mm，走刀速度不能过大，如过大，就增加了轴向力，使零件往车头方向窜动，这时零件离开顶尖造成事故。车好一头后调头车另一端，用同样的方法装夹好后，钻顶尖孔，然后用活顶尖顶好，但顶力要适中。粗车时用75°偏刀，后角要大些，采用10°，前角采用5°，精车时换成90°正偏刀，因为车刀磨损严重，粗车时要将机床尾座调整好，保证零件的质量。用同上的装夹方法将顶尖孔车去，车好f32 0.0150外圆，并车好长度19mm处。然后做一木套(如图4所示)，在木套上均匀地开三个槽，但不要开通。孔加工时将木套套在工件上，用三爪卡好，然后用百分表校正。因为陶瓷材料耐磨性非常好，用工具钢钻头钻孔不能保证质量，所以先用工具钢钻头钻一孔，其直径为f11.5mm，然后用浮动镗刀将孔f12 0.050加工成形。 三、注意事项 装夹方法 因为零件材料的强度非常低，夹紧力过大，会将零件夹碎，夹紧力太小，克服不了轴向力，会造成零件窜动。采用在零件和三爪之间垫一硬纸和木质套来配合装夹零件，实践证明方法正确可行。 车刀磨损控制 车刀的磨损分三个阶段：1)初始阶段(这一阶段是车刀初用时，磨损比较快)；2)正常磨损(车刀从初始磨损到车刀急剧磨损之间的一段)；3)急剧磨损。 当车削零件最后一刀时(也就是精车时)，应在车刀正常磨损范围内，因为这一段车刀磨损量小，所以每车一刀后用千分尺测量零件两头直径差较少时，这时车刀的磨损可视为进入正常磨损阶段。但长度较长时则难以保证，于是可采取另一种方法来解决这一难题。方法是移动尾座，当零件尚有0.5mm余量时(这时车刀的磨损必须在正常磨损阶段)，用千分尺测量零件两头尺寸，假如两头误差为0.03mm，这时可调尾座，使之达到公差以内。尾座的调试方法是将百分表放在零件的外侧或内侧，尽量对准零件的中心，调整量可在百分表上反映出来。

《陶瓷材料概论》较全面地对陶瓷材料涉及的各种基本问题以及对先进陶瓷材料的诸多研究方面作了介绍，共分16章，第1～4章主要介绍陶瓷材料的结构特性，第5～8章介绍陶瓷材料的热力学问题和制备方法，第9～16章在穿插叙述陶瓷材料物理性能的同时，介绍两类重要的陶瓷：工程结构陶瓷和功能陶瓷材料。《陶瓷材料概论》力求从物理、化学和晶体学的基本问题出发，紧扣陶瓷材料的结构特性与物理性能的关系，以理解陶瓷结构多变性及结构变化对提升材料物理性能的重要作用。

《陶瓷材料概论》适合材料及相关专业的本科性、研究生和从事材料研究的科学技术人员系统学习或参考使用。