陶瓷材料的焊接

前言

第1章 陶瓷材料概述1

1.1 陶瓷材料的種類、性能及用途1

1.1.1 陶瓷材料的種類1

1.1.2 陶瓷材料的性能2

1.1.3 陶瓷材料的應(yīng)用10

1.2 陶瓷材料性能的改善17

1.2.1 陶瓷材料的韌化17

1.2.2 復(fù)合增韌陶瓷材料的組織18

1.3 陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料的分類、性能及應(yīng)用21

1.3.1 陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料的分類21

1.3.2 陶瓷基增強(qiáng)復(fù)合材料的性能及應(yīng)用22

第2章 陶瓷材料的焊接性25

2.1 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的焊接性25

2.1.1 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的潤(rùn)濕性25

2.1.2 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間焊接的問(wèn)題27

2.2 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間焊接性的改善28

2.2.1 改善潤(rùn)濕性28

2.2.2 降低接頭應(yīng)力55

2.3 陶瓷材料適用的焊接方法56

2.3.1 膠接58

2.3.2 高能束焊接58

2.3.3 摩擦焊58

2.3.4 超聲波焊58

2.3.5 微波焊接58

2.3.6 表面活化焊接59

2.3.7 自蔓延高溫合成焊接59

2.3.8 場(chǎng)助擴(kuò)散焊59

2.3.9 過(guò)渡液相焊接59

2.3.10 局部過(guò)渡液相焊接59

2.3.11 混合氧化物焊接60

2.3.12 釬焊63

2.3.13 擴(kuò)散焊64

2.3.14 無(wú)壓固相反應(yīng)焊接65

2.4 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的釬焊65

2.4.1 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間釬焊存在的問(wèn)題和解決的措施65

2.4.2 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間釬焊的釬料67

2.4.3 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的釬焊工藝68

2.4.4 表面狀態(tài)及釬焊工藝對(duì)釬焊接頭強(qiáng)度的影響70

2.5 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的擴(kuò)散焊70

2.5.1 金屬與陶瓷材料擴(kuò)散焊中的中間層70

2.5.2 金屬與陶瓷真空擴(kuò)散焊接頭的界面反應(yīng)74

2.5.3 影響固相擴(kuò)散焊質(zhì)量的因素75

2.5.4 固相擴(kuò)散焊的焊接參數(shù)及接頭性能79

2.6 陶瓷與陶瓷及金屬與陶瓷之間的過(guò)渡液相焊接84

2.6.1 局部過(guò)渡液相焊接的機(jī)理84

2.6.2 局部過(guò)渡液相焊接的過(guò)程84

2.6.3 中間層材料的選擇86

2.6.4 中間層材料的設(shè)計(jì)86

2.6.5 多層復(fù)合中間層的應(yīng)用87

2.6.6 以Al作為中間層用過(guò)渡液相擴(kuò)散法焊接SiC陶瓷89

2.7 金屬與陶瓷材料的摩擦焊89

2.8 陶瓷材料的靜電加壓焊接91

2.9 陶瓷的反應(yīng)成形法和反應(yīng)燒結(jié)法焊接92

2.9.1 陶瓷的反應(yīng)成形法焊接92

2.9.2 陶瓷的反應(yīng)燒結(jié)法焊接92

2.10 用超塑性陶瓷作為中間層來(lái)焊接陶瓷93

2.10.1 超塑性陶瓷作為中間層來(lái)焊接陶瓷的特性93

2.10.2 焊接機(jī)理94

2.10.3 用超塑性陶瓷作為中間層的Al2O3的HIP材陶瓷的焊接94

2.10.4 殘余應(yīng)力96

2.10.5 其他采用陶瓷材料作為中間層來(lái)焊接陶瓷的技術(shù)96

2.11 在半熔化的材料中加壓溶浸進(jìn)行金屬與陶瓷的連接96

2.11.1 采用加壓溶浸制備復(fù)合材料96

2.11.2 半熔化金屬加工97

第3章 Al2O3陶瓷的焊接100

3.1 Al2O3陶瓷之間的焊接100

3.1.1 Al2O3陶瓷之間的直接焊接100

3.1.2 Al2O3陶瓷之間加中間層的焊接105

3.2 Al2O3陶瓷與Fe及其合金的焊接109

3.2.1 Al2O3陶瓷與Fe的擴(kuò)散焊109

3.2.2 Al2O3陶瓷與低碳鋼的釬焊109

3.2.3 Al2O3陶瓷與Q235鋼的釬焊112

3.2.4 Al2O3陶瓷與可伐合金的焊接114

3.2.5 Al2O3陶瓷與不銹鋼的焊接119

3.2.6 復(fù)相Al2O3基陶瓷和45鋼的火焰釬焊124

3.3 Al2O3陶瓷與鋁及其合金的焊接125

3.3.1 Al2O3陶瓷與Al的焊接125

3.3.2 Al2O3陶瓷與Al合金的焊接129

3.4 Al2O3陶瓷與金屬Cu的焊接131

3.4.1 Al2O3陶瓷與金屬Cu的擴(kuò)散焊131

3.4.2 Al2O3陶瓷與金屬Cu的釬焊134

3.5 Al2O3陶瓷與Ni及其合金的焊接137

3.5.1 Al2O3陶瓷與Ni的焊接137

3.5.2 Al2O3陶瓷與Ni合金的焊接139

3.6 Al2O3陶瓷與Ti及其合金的焊接140

3.6.1 Al2O3陶瓷與Ti的釬焊140

3.6.2 Al2O3陶瓷與Ti的擴(kuò)散焊142

3.7 Al2O3陶瓷與高熔點(diǎn)金屬之間的焊接143

3.7.1 Al2O3陶瓷與Ta的焊接143

3.7.2 Al2O3陶瓷與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 玻璃的形成條件153

4.1.3 特殊用途玻璃153

4.2 玻璃的焊接性156

4.2.1 玻璃與金屬焊接時(shí)的問(wèn)題156

4.2.2 玻璃與金屬焊接性的改善157

4.2.3 降低殘余應(yīng)力的方法157

4.3 玻璃的焊接方法159

4.3.1 玻璃的焊接接頭形式159

4.3.2 玻璃與金屬焊接組合及其接頭性能159

4.4 日用陶瓷與不銹鋼的釬焊162

4.4.1 采用Ag-Cu-Ti釬料釬焊日用陶瓷與1Cr18Ni9Ti不銹鋼162

4.4.2 采用Sn-3.5Ag釬料釬焊鍍鎳日用陶瓷與1Cr18Ni9Ti不銹鋼163

4.5 微晶玻璃的焊接165

4.5.1 微晶玻璃的釬焊165

4.5.2 真空擴(kuò)散焊169

4.6 石英玻璃的焊接169

4.6.1 石英玻璃之間的釬焊169

4.6.2 石英玻璃與金屬的焊接170

4.7 SiO2玻璃陶瓷的焊接172

4.7.1 SiO2玻璃陶瓷與鈦合金的釬焊172

4.7.2 SiO2玻璃與鋁和銅的擴(kuò)散焊176

4.7.3 玻璃與Co合金的陽(yáng)極焊接177

4.8 硅鋁玻璃的真空擴(kuò)散焊178

4.8.1 硅鋁玻璃與鈮的真空擴(kuò)散焊178

4.8.2 硅鋁玻璃與鈦的真空擴(kuò)散焊179

4.9 硅硼玻璃與可伐合金的真空擴(kuò)散焊179

4.9.1 硅硼玻璃與可伐合金的激光熔化焊179

4.9.2 硅硼玻璃與可伐合金的真空擴(kuò)散焊181

4.10 采用Ag-Cu-In-Ti釬料真空釬焊SiO2纖維-SiO2復(fù)合陶瓷與鈮182

4.10.1 材料182

4.10.2 釬焊工藝182

4.10.3 接頭性能183

4.10.4 接頭組織183

4.11 采用復(fù)合釬料

《陶瓷材料的焊接》對(duì)各類陶瓷材料的性能、焊接性、焊接材料的選用、焊接工藝、焊接質(zhì)量保障等方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述,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?！短沾刹牧系暮附印房晒氖绿沾刹牧虾附拥难芯咳藛T、生產(chǎn)和維修技術(shù)人員以及高等院校師生參考。

一、陶瓷材料工件的成型 陶瓷材料有三種，(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，將陶瓷粉末混合后壓制成型，其形狀只是接近成品的毛坯，然后焙燒——機(jī)械加工(一般是粗加工)——燒結(jié)——(精加工)車削或磨削加工。 我單位曾承接某大學(xué)的十多套不同規(guī)格的模具，其中一種模具零件如圖1所示，模具的材料屬于混合陶瓷材料，其成分是ZrO2(70%～80%)、Al2O3(20%～30%)，用混料機(jī)將兩種粉末混合均勻，放在一個(gè)橡膠制成的模具里成型，然后焙燒(1000℃)粉末冶金毛坯，制成的半成品再進(jìn)行車削加工。 焙燒成的毛坯件如圖2所示，形狀非常不規(guī)則，加工余量過(guò)大直徑單面有10mm之多，長(zhǎng)度余量有30mm。這是由于橡膠模具不規(guī)則所致，為脫模容易使用了橡膠材料做模具，而焙燒后陶瓷材料強(qiáng)度非常低，與粉筆相似，但很耐磨，車削時(shí)車刀的磨損嚴(yán)重，粉末狀的切屑使車刀后面產(chǎn)生磨料磨損，加工比較困難。

二、陶瓷材料工件的車削 使用C616車床，裝夾方法為夾住毛坯f53mm處，用硬紙(厚約2mm)墊在零件和三爪之間，其目的是增加摩擦力，車成半成品如圖3所示。使用的車刀是90°正偏刀，刀片牌號(hào)YG8，機(jī)床轉(zhuǎn)速n=200r/min，走刀量f=0.05mm/r，進(jìn)刀深度ap=2～4mm，走刀速度不能過(guò)大，如過(guò)大，就增加了軸向力，使零件往車頭方向竄動(dòng)，這時(shí)零件離開(kāi)頂尖造成事故。車好一頭后調(diào)頭車另一端，用同樣的方法裝夾好后，鉆頂尖孔，然后用活頂尖頂好，但頂力要適中。粗車時(shí)用75°偏刀，后角要大些，采用10°，前角采用5°，精車時(shí)換成90°正偏刀，因?yàn)檐嚨赌p嚴(yán)重，粗車時(shí)要將機(jī)床尾座調(diào)整好，保證零件的質(zhì)量。用同上的裝夾方法將頂尖孔車去，車好f32 0.0150外圓，并車好長(zhǎng)度19mm處。然后做一木套(如圖4所示)，在木套上均勻地開(kāi)三個(gè)槽，但不要開(kāi)通?？准庸r(shí)將木套套在工件上，用三爪卡好，然后用百分表校正。因?yàn)樘沾刹牧夏湍バ苑浅：?，用工具鋼鉆頭鉆孔不能保證質(zhì)量，所以先用工具鋼鉆頭鉆一孔，其直徑為f11.5mm，然后用浮動(dòng)鏜刀將孔f12 0.050加工成形。 三、注意事項(xiàng) 裝夾方法 因?yàn)榱慵牧系膹?qiáng)度非常低，夾緊力過(guò)大，會(huì)將零件夾碎，夾緊力太小，克服不了軸向力，會(huì)造成零件竄動(dòng)。采用在零件和三爪之間墊一硬紙和木質(zhì)套來(lái)配合裝夾零件，實(shí)踐證明方法正確可行。 車刀磨損控制 車刀的磨損分三個(gè)階段：1)初始階段(這一階段是車刀初用時(shí)，磨損比較快)；2)正常磨損(車刀從初始磨損到車刀急劇磨損之間的一段)；3)急劇磨損。 當(dāng)車削零件最后一刀時(shí)(也就是精車時(shí))，應(yīng)在車刀正常磨損范圍內(nèi)，因?yàn)檫@一段車刀磨損量小，所以每車一刀后用千分尺測(cè)量零件兩頭直徑差較少時(shí)，這時(shí)車刀的磨損可視為進(jìn)入正常磨損階段。但長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)則難以保證，于是可采取另一種方法來(lái)解決這一難題。方法是移動(dòng)尾座，當(dāng)零件尚有0.5mm余量時(shí)(這時(shí)車刀的磨損必須在正常磨損階段)，用千分尺測(cè)量零件兩頭尺寸，假如兩頭誤差為0.03mm，這時(shí)可調(diào)尾座，使之達(dá)到公差以內(nèi)。尾座的調(diào)試方法是將百分表放在零件的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，盡量對(duì)準(zhǔn)零件的中心，調(diào)整量可在百分表上反映出來(lái)。

《陶瓷材料概論》較全面地對(duì)陶瓷材料涉及的各種基本問(wèn)題以及對(duì)先進(jìn)陶瓷材料的諸多研究方面作了介紹，共分16章，第1～4章主要介紹陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特性，第5～8章介紹陶瓷材料的熱力學(xué)問(wèn)題和制備方法，第9～16章在穿插敘述陶瓷材料物理性能的同時(shí)，介紹兩類重要的陶瓷：工程結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料。《陶瓷材料概論》力求從物理、化學(xué)和晶體學(xué)的基本問(wèn)題出發(fā)，緊扣陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特性與物理性能的關(guān)系，以理解陶瓷結(jié)構(gòu)多變性及結(jié)構(gòu)變化對(duì)提升材料物理性能的重要作用。

《陶瓷材料概論》適合材料及相關(guān)專業(yè)的本科性、研究生和從事材料研究的科學(xué)技術(shù)人員系統(tǒng)學(xué)習(xí)或參考使用。