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      陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的粘結(jié)方法

      文檔序號:98436閱讀:2529來源:國知局
      專利名稱:陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的粘結(jié)方法
      本發(fā)明涉及到陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的粘結(jié)方法。特別是涉及到適用于機器的一些構(gòu)件,電子原件或類似部件的粘結(jié)方法。
      英國專利No761045公開了一種氧化鋁與金屬的粘結(jié)方法。該方法包括使銅氧化,將已氧化的鋼(氧化亞銅Cu2O)置于陶瓷基質(zhì)上,在高于銅的熔點(1083℃)并低于氧化銅的熔點(1230℃)的溫度下,加熱氧化亞銅與陶瓷兩者(使在銅上形成氧化銅),然后使氧化銅和液態(tài)銅組成的低共熔晶體與基質(zhì)反應(yīng),由此使氧化鋁與金屬粘結(jié)。
      上述方法需要將待粘結(jié)件加熱到高于1083℃低于1230℃的高溫,當(dāng)冷卻已粘合的部件時,由于氧化鋁與金屬的熱膨脹系數(shù)不同,而產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此,氧化鋁往往會開裂,導(dǎo)致強度可靠性的降低。更嚴重的是,金屬被加熱時發(fā)生變形。美國專利No4037027公開的方法,其特征在于在較低溫度下加熱待粘結(jié)件,在這樣的溫度下插接料不會熔化,并使待粘結(jié)件緊緊壓合,即固相粘結(jié)法。根據(jù)這種方法,由于加熱溫度低,不會產(chǎn)生大的熱應(yīng)力。但是,由于此插接料不被熔化,并在該插接料表面形成氧化層,因此插接料與粘結(jié)件之間反應(yīng)緩慢,從而在短時間內(nèi)很難獲得高的粘結(jié)強度。并且需要很高的壓力才能使粘結(jié)表面緊密結(jié)合在一起。
      本發(fā)明的目的在于提供一種陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的粘結(jié)方法,其特征在于降低結(jié)合溫度以抑制在冷卻粘結(jié)件時熱應(yīng)力的產(chǎn)生。因此根據(jù)本發(fā)明的方法,陶瓷幾乎不發(fā)生開裂,從而提高了強度的可靠性。
      本發(fā)明的另一個目的在于提供一種陶瓷與金屬的粘結(jié)方法,其特征在于此時的粘結(jié)是在低溫低粘結(jié)壓力下進行,因而減少了金屬的熱變形,因此能獲得高尺寸精度的產(chǎn)品。
      為達到上述目的,本發(fā)明方法包括放置一種作為插接料的薄板件于陶瓷粘結(jié)件之間或陶瓷粘結(jié)件與金屬粘結(jié)件之間,其中薄板件包括由鋁或鋁合金制成的芯片以及由鋁-硅合金制成的表面層,粘結(jié)是在高于鋁-硅合金的固線溫度并低于鋁或合金熔點的溫度下進行(在此溫度下,鋁-硅合金被熔化而鋁和鋁合金都不會熔化),同時壓緊此插接料。粘結(jié)操作最好是在真空或惰性氣氛中進行。鋁或鋁合金的熔點最高為660℃。因此,即使在高于其熔點的溫度下進行粘結(jié),在冷卻過程中,也只在其熔點到室溫的溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而溫度降低不大。另外,鋁或鋁合金具有非常低的屈服點。因此,在冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力將由于鋁或鋁合金的屈服而松馳。由于這些原因,顯著地抑制了陶瓷中熱應(yīng)力的產(chǎn)生,這樣就防止了在先有技術(shù)中經(jīng)常出現(xiàn)的那種陶瓷斷裂現(xiàn)象。
      按照本發(fā)明粘結(jié)的陶瓷實例包括氮化硅(Si3N4)、硅鋁氧氮(Sialon)、二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、玻璃、鐵氧體(Mn-Zn鐵氧體)、氧化鋯(Zr O2)、鈦酸鋇(Ba Ti O3)和鈦酸鈣(Ca Ti O3)。本發(fā)明的方法與先有技術(shù)相比,具有很寬的實用范圍。
      圖1為一個示意圖,表明按本發(fā)明的方法將兩個陶瓷軸相互粘結(jié)或?qū)⒁惶沾奢S與一金屬軸粘結(jié)的實例。
      圖2為一個示意圖,表明按本發(fā)明的方法將兩個陶瓷塊相互粘結(jié)的實例。
      圖3為一個示意圖,表明按本發(fā)明的方法將兩個陶瓷塊相互粘結(jié)的實例。
      實例1硅鋁氧氮與Cr-Mo鋼的粘結(jié)如圖1所示,三層復(fù)合板3(0.6毫米厚)包括用鋁合金(Al-1%Mn合金)制的0.5毫米厚的芯片4,以及用Al-Si-Mg合金(Al-10%Si-2%Mg)制的0.05毫米厚的兩表面層5,插接于用硅鋁氧氮制的軸1(直徑為10毫米)和用Cr-Mo鋼制的軸2(直徑為10毫米)之間。把所得到結(jié)構(gòu)件保持在600℃的粘結(jié)溫度,10-4托的真空條件以及1.0千克·力/平方毫米的粘結(jié)壓力下15分鐘,使兩根軸粘合。上述Al-Si-Mg合金的熔點約為585℃。因此,只有復(fù)合板3的兩表面層5在600℃的粘結(jié)溫度下熔化,通過復(fù)合板3的冶金化,從而鋁和硅與硅鋁氧氮和鐵反應(yīng),從而使硅鋁氧氮軸1與Cr-Mo鋼軸2完全結(jié)合。鎂提高了Al-Si合金熔體對硅鋁氧氮和鐵的潤濕能力。
      在以上實例中,所結(jié)合的軸1和軸2的粘結(jié)強度(四點彎曲試驗)約為10千克·力/平方毫米,并且斷裂位置在軸2與復(fù)合板3之間的粘合面處。確切地說,Al與Fe的金屬互化物較脆,從而引起這一部位發(fā)生斷裂。因此,為了進一步提高粘結(jié)強度,最好把熱膨脹率低的材料插接于軸2與復(fù)合板3之間。
      如果粘結(jié)操作在620℃或更高的溫度下進行,F(xiàn)e與Al反應(yīng)形成的金屬互化物(Fe3Al,F(xiàn)e2Al5)將會厚一些,因而降低粘結(jié)強度。因此,粘結(jié)溫度必須低于620℃。
      另一方面,當(dāng)粘結(jié)壓力減小到0.1千克·力/平方毫米或增加到2千克/平方毫米時,并沒有觀察到粘結(jié)強度降低。
      實例2Si3N4與Cr-Mo鋼的粘結(jié)根據(jù)實例1中所述的同樣步驟,進行了Si3N4制的軸與Cr-Mo鋼制的軸的粘結(jié)。所得到的粘結(jié)強度約為8千克·力/平方毫米。
      實例3Si3N4與SiC的粘結(jié)根據(jù)實例1中所述的同樣步驟,將包括鋁合金制的芯片和Al-Si-Mg合金制的兩表面層的三層復(fù)合板,插接于Si3N4制的軸和Si C制的軸之間。將所得到的結(jié)構(gòu)件在600℃的粘結(jié)溫度,10-4托的真空條件,以及1.0千克·力/平方毫米的粘結(jié)壓力下保持15分鐘,使兩軸結(jié)合。在粘合區(qū)域內(nèi)沒有觀察到裂紋,粘合強度為14千克·/平方毫米。
      實例4Ba Ti O3與鐵氧體(Mn-Zn鐵氧體)的粘結(jié)如圖2所示,將Mn-Zn鐵氧體8(0.5毫米厚,6毫米寬,4毫米高)置于Ba Ti O3制的板件6(0.7毫米厚,6毫米寬,4毫米高)和Ba Ti O3制成的塊件7(3毫米厚,6毫米寬,4毫米高)之間,同時將與實例1中所用同樣的三層復(fù)合板9鑲?cè)氚寮?和鐵氧體8以及塊件7和鐵氧體8之間,此復(fù)合板9包括用鋁合金制的芯片和用Al-Si-Mg合金制的兩表面層。將所得到的結(jié)構(gòu)件保持在600℃的粘結(jié)溫度,10-4托真空條件下,以0.01千克·力/平方毫米的粘結(jié)壓力進行粘結(jié)操作。板件6,塊件7和鐵氧體8都未發(fā)生變形。用肉眼和X-射線觀察結(jié)合區(qū)域,以及塊6,7和8時,未觀察到有裂紋類缺陷。
      此外,用鈦酸鈣(Ca Ti O3)代替鈦酸鋇(Ba Ti O3),重復(fù)進行上述步驟。獲得了類似的結(jié)果。
      實例5玻璃與Al2O3的粘結(jié)如圖3所示,將與實例1中所用同樣的三層復(fù)合板11,該板包括鋁合金芯片和Al-Si-Mg合金表面層,插接于市售玻璃板9(2毫米厚,10毫米寬,10毫米長)和Al2O3園環(huán)10(5毫米高,外徑10毫米,內(nèi)徑8毫米)之間。將所得的結(jié)構(gòu)件保持在600℃的粘結(jié)溫度,10-4托真空條件下,以0.05千克·力/平方毫米的粘結(jié)壓力進行粘結(jié)操作。對所獲得的粘結(jié)構(gòu)件進行氮氣檢漏試驗表明,已達到了10-8托·升/秒或更低的氣密度。
      實例6Si C與Al的粘結(jié)用實例1中所述的類似方法,將包括鋁合金芯片和兩層Al-Si(10)-Mg(2)合金的表面層的三層復(fù)合板插接于SiC制的軸和Al制的軸之間。將所得的結(jié)構(gòu)件保持在585℃的粘結(jié)溫度。10-4托真空條件下以0.1千克·力/平方毫米的粘結(jié)壓力進行粘結(jié)操作。該結(jié)構(gòu)的粘合強度為4千克·力/平方毫米。未觀察到鋁軸變形。
      權(quán)利要求
      1.一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的方法,該方法是在兩陶瓷粘結(jié)面之間或陶瓷粘結(jié)面和金屬粘結(jié)面之間插入插接料,然后進行加熱,其特征在于用作上述插接料的是一種三層復(fù)合板,該板包括鋁合金芯片和鋁-硅合金表面層,以及這種粘結(jié)是在高于鋁-硅合金的固線溫度并低于鋁合金熔點的溫度下進行,同時對該插接料進行加壓。
      2.根據(jù)權(quán)項1所要求的一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的方法,其中采用的壓力為2千克·力/平方毫米或低于這一數(shù)值。
      3.根據(jù)權(quán)項2所要求的一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬的方法,其中所說的陶瓷是選自氮化硅,硅鋁氧氮,二氧化硅,氧化鋁、玻璃、鐵氧體、氧化鋯、鈦酸鋇和鈦酸鈣中的任意一種。
      4.根據(jù)權(quán)項1所要求的一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷或粘結(jié)陶瓷與金屬的方法,其中鋁-硅合金為鋁-硅-鎂合金。
      5.一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷與陶瓷或粘結(jié)陶瓷與金屬的方法,該方法是在兩陶瓷粘結(jié)面之間或陶瓷粘結(jié)面與金屬粘結(jié)面之間插入插接料,然后進行加熱。其特征在于,用作上述插接料的三層復(fù)合板包括純鋁芯片和鋁-硅合金表面層,以及這種粘結(jié)是在高于鋁-硅合金固線溫度并低于鋁合金熔點的溫度的粘結(jié)溫度下進行,同時對此種插接材料進行加壓。
      6.一種粘結(jié)陶瓷與陶瓷或粘結(jié)陶瓷與金屬的方法在陶瓷粘結(jié)面之間或陶瓷與金屬粘結(jié)面之間插入插接料,然后進行加熱,其特征在于用作上述插接料的疊層板包括鋁合金芯片和鋁-硅合金表面層,以及這種粘結(jié)是在高于鋁-硅合金的固線溫度低于鋁合金的熔點的粘結(jié)溫度下進行,同時對此插接料進行加壓。
      專利摘要
      將包括鋁或鋁合金芯片和鋁—硅合金表面層的三層復(fù)合板或疊層板,插接于兩陶瓷粘結(jié)面或陶瓷與金屬粘結(jié)面之間。在將所得的結(jié)構(gòu)件保持在低于鋁或鋁合金的熔點高于鋁—硅合金固線溫度的粘結(jié)溫度下,同時對插接材料進行加壓,用這樣的方法使陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬相粘結(jié)。
      文檔編號C04B37/00GK86102112SQ86102112
      公開日1986年12月24日 申請日期1986年3月31日
      發(fā)明者山田俊宏, 河野顯臣 申請人:株式會社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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