专利名称：氮化硅电热塞中氮化硅与金属的一步活性连接方法
技术领域：
本发明属于陶瓷与金属的连接方法。
氮化硅(Si3N4)电热塞是一种较新型的柴油机预热装置，具有予热快使用寿命长等优点。要达到此效果，必须实现(Si3N4)发热体与金属外套之间的可靠连接，并要求密封。由于氮化硅发热体与金属外套之间的物理化学性能差别较大，对其连接方法进行了大量的研究。日本特公昭60-29853中公布的一种连接方法是利用银钎料，放在发热体和金属外套之间进行钎焊连接。这种方法的不足之处是钎料与发热体不浸润，连接不牢，易发生漏气。日本特开昭62-91727，特公昭63-7287中公布的连接方法是在金属外套的内表面或发热体上予先蒸镀一定厚度的金属Cu、Ti、Ni、Mo层，然后将银基钎料插在金属外套与发热体之间进行钎焊连接;或者在连接部位涂上玻璃相粉，高温烧成玻璃相，然后用银钎料将玻璃相与金属外套连接在一起。予先蒸镀活性金属的连接方法虽可改善钎料对发热体的浸润性，但其缺点也是明显的，1.增加了工序和设备，使工艺复杂化，2.由于活性元素要在钎接过程中钎料熔化后逐渐溶到液态钎料中，活性元素才能较好地发挥作用，而常用的活性组元一般熔点较高，要使活性元素在钎接中溶入，必须要提高钎接温度30-100℃或延长保温时间30-60分钟。对于予先烧结玻璃相的工艺，则不仅增加了复杂的玻璃相烧结工序，而且银钎料对玻璃相的浸润性也不好，其连接也不可靠，经常因密封不好而漏气，或者在使用中因承受不住高压或冷热循环而逐渐出现漏气，从而导致发动机热效率降低，减少电热塞的使用寿命。
本发明的目的是要提供一种氮化硅电热塞中氮化硅与金属外套的一步活性连接方法。这种方法工艺简单、连接可靠。
本发明的氮化硅电热塞中氮化硅与金属外套的一步活性连接方法包括氮化硅发热体和金属外套和活性钎料表面的清洗、将活性钎料装置在氮化硅发热体和金属外套欲连接的部位之间或连接部位上封口，装炉后钎焊，本发明中所说的钎料为活性钎料，即含有活性组元的钎料，活性钎料对氮化硅的浸润角应小于90度，并能经受电热塞使用时钎料部位达到的温度和压力，浸润角太大时，钎料不易填满间隙，容易漏气。
本发明的连接方法具有工艺简单，连接性好的优点。经钎接后整体装配的电热塞可满足以下要求1.在相应型号使用电压的125%电压下，连续通电发热24小时以上，温度不低于850℃，2.在电热塞相应型号使用电压的110%电压下，通电60秒钟，再断电60秒钟，如此反复次数大于1万次，3.4Mpa气压下，15秒内不允许连续漏气。
图1为使用本发明连接方法时的钎接装配示意图。
下面将结合实施例对本发明的实施方式及优点作进一步描述。
例一.图1为使用本发明连接方法的钎接装配示意图。图中1是钨丝，2是氮化硅发热体，3是金属外套，4是钎料，5是钢帽。
氮化硅发热体与金属外套的连接方法是先将钎料4、氮化硅发热体2、金属外套3及连接卡具清洗干净。Si3N4发热体的Mo丝电极用砂纸打磨使钼丝电极光亮，然后用丙酮进行超声清洗10-20分钟，钎料可以先用砂纸打磨，然后用丙酮，四氯化碳溶液进行超声波清洗，也可用其它常规的清洗方法清洗。常用的金属外套是A3、可阀合金、不锈钢等，可按自身的除锈去油清洗工艺清洗，清洗后，将片状钎料4插入氮化硅发热体2和金属外套3之间的间隙内，金属外套3的上端绕同种钎料的丝材。装配后的组合件立放在带孔的底垫6上，一起装进钎焊炉中，准备钎焊，为防止氧化，一般采用真空或充以惰性气体，如在真空度高于6.6×10-3Pa下或抽真空后充氩气保护下加热至钎料的熔点温度以上的20-100℃，保温5-10分钟后，以低于每分钟10℃的冷却速度冷至室温，该钎焊工序都是常用的钎焊制度。
所用的活性钎料是含有活性组元钛的银钎料，使用不同成份银钎料连接时，钎料与氮化硅的相对应的浸润角见表1。
表1
从表1可以看到含钛量在0.7-5.7重量%，含铜量0-97重量%范围内的银钎料与氮化硅的浸润角都小于90度。浸润角的测量采用座滴法，测量具体过程为将钎料加工成φ2.5×2.5毫米的圆柱，放在被浸润材料上，按所需钎接工艺加热并保温，钎料熔化散铺在被钎接材料上，冷却后实测浸润角。
此外还测定了用此方法连接后氮化硅和金属外套之间的连接强度。采用GB656 9-86的工程陶瓷弯曲强度试验方法测量两者的连接强度。使用Ag-58.12 Cu-4.0Ti活性钎料在890℃下保温5分钟后，Si3N4-1Cr13不锈钢的连接强度可达281MPa;使用Ag-30Cu-4.4Ti活性钎料在870℃下钎焊后其连接强度可达到389MPa。
与此同时，还使用已有的工艺作对比试验，即使用普通的银钎料进行连接，使用的钎料分别为Ag-44.75 Cu-33.69Zn及Ag-28Cu.前者用高频加热至钎料熔化并填满间隙，后者的钎焊温度为820℃，在钎焊炉中进行。
将用表1中所列的活性钎料按本发明的连接方法及已有的连接方法连接后制成的电热塞每种10支进行漏气检测。试验表明，按本发明的连接方法制成的电热塞均符合技术要求，即1.在相应型号使用电压的125%电压下，连续接通电发热24小时以上，温度不低于850℃，2.在电热塞相应型号使用电压的110%电压下，通电60秒钟，再断电60秒钟，如此反复次数大于1万次，3.4Mpa气压下，15秒内不允许连续漏气。
而用已有的连接方法制成的电热塞中，使用Ag-Cu-Zn的有6支不合格，使用Ag-Cu的有4支不合格。对各电热塞连续通电发热24小时后进行漏气检测，使用Ag-Cu-Zn的有9支不合格，使用Ag-Cu的有7支不合格，而使用本发明连接方法的各支电热塞全部合格。
例二，使用Ag-Cu-Ti-In或Ag-Cu-Ti-Sn活性钎料也可得到与例一相同的效果。先将钎料制成0.05-0.15毫米厚的片材和φ0.3-2毫米的丝材，按例一的工序在760-800℃之间保温5分钟进行钎焊，不同合金Si3N4的浸润角及连接强度见表2。
表2 表3中给出了不同In或Sn添加量(重量%)的银钎料对Si3N4浸润角的影响表3
用上述各种活性钎料分别连接并制成的10支电热塞完全达到例一的技术要求，未发生漏气。
采用本发明的一步活性连接方法连接氮化硅电热塞中的氮化硅与金属外套时还可以使用上述实施例以外的其它活性钎料，如Ni-Ti、Cu-Ti、Cu-Zr、Ni-Zr、Ag-Ni-Ti、Cu-Ni-Ti、Cu-Zr-Ni、Ag-Cu-Zr等。只要这些钎料对氮化硅的浸润角小于90度，并能承受电热塞使用时钎料部位达到的温度、压力等条件，就可得到满意的连接效果。
权利要求
1.氮化硅电热塞中氮化硅与金属的一步活性连接方法，其特征是所说的连接方法包括(1)氮化硅发热体、金属外套、活性钎料表面的清洗，(2)将活性钎料装置在氮化硅发热体和金属外套欲连接的部位之间，或装置在连接部位上封口，(3)装炉后钎焊，所说的钎焊在真空或保护气体的气氛下进行，加热温度高于钎料熔点以上20-100℃。
2.按照权利要求1所说的氮化硅电热塞中氮化硅与金属的一步活性连接方法，其特征是所说的活性钎料是Ag-Cu-Ti系合金，其成分(重量%)为Ti0.7-5.7、Cu 0-97、Ag余量。
3.按照权利要求2所说的氮化硅电热塞中氮化硅与金属的一步活性连接方法，其特征是所说的活性钎料还包括In或Sn，所说的In的含量(重量%)为5.6-10.11，所说的Sn的含量(重量%)为4.98-10.59。
4.按照权利要求1所说的氮化硅电热塞中氮化硅与金属的一步活性连接方法，其特征是所说的活性钎料是Ni-Ti、Cu-Ti、Cu-Zr、Ni-Zr、Ag-Ni-Ti、Cu-Ni-Ti、Ag-Cu-Zr系列焊料。
全文摘要
本发明属于陶瓷与金属的连接方法，它包括部件清洗、装置活性钎料及钎焊，由于选用含有活性组元的活性焊料作为钎接料，因此，此方法工序简单，又可以改善钎料与氮化硅的浸润性，提高连接的可靠性。
文档编号F02N19/04GK1101102SQ93117970
公开日1995年4月5日 申请日期1993年9月29日 优先权日1993年9月29日
发明者楚建新, 林晨光, 叶军 申请人:北京有色金属研究总院