以化学镀镍为先导工序使陶瓷表面金属化，并在此基础上实现了陶瓷与金属的辉光钎焊。陶瓷表面化学镀Ni后，将陶瓷与金属的结合转变为金属与金属的结合，使陶瓷与金属钎焊成为可能。另外，由于陶瓷与金属之间热物理性能的巨大差异，往往在临近接头区域产生残余应力导致接头开裂。文献［1，2］表明，在陶瓷与金属之间设置中间缓冲层和在金属侧喷涂Ni 层，可有效缓解接头的残余应力，从而提高连接强度。研究表明，陶瓷表面镀有适当厚度的Ni，也能起到减缓残余应力的作用。
1 试验材料、设备及方法
1.1 试验材料及设备
陶瓷选用热压Si3N4陶瓷,尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，金属采用Q235钢板,尺寸为30 mm×30mm×2 mm,钎料为BAg72Cu-V。
化学镀在CS-501超级水浴恒温槽中进行，钎焊采用自制的辉光炉(功率为3 kW，工作电压为0～1000 V，极限真空度可达0.1 Pa，真空容积为0.026 m3，工作气体为99.99%工业纯氩)。
1.2 试验方法
利用化学镀的方法使Si3N4陶瓷表面形成一定厚度的镍镀层，陶瓷表面化学镀工艺流程如下：陶瓷试块的准备—机械法粗化表面—有机溶剂除油—化学除油—化学粗化—敏化—活化—还原—化学镀镍。将镀镍陶瓷、钎料及Q235钢板打磨、清洗后装入辉光钎焊炉。抽真空度至0.1 Pa后充氩起辉，以平均50℃/min速率升温至850℃，保温8 min后，以平均25℃/min的速率冷至300℃，最后炉冷至室温。利用WD-100电子万能试验机对钎焊接头进行抗剪强度试验。试验采用专用夹具，剪切速度为1 mm/min。抗剪强度按τb=Pb/A计算，其中Pb为接头破坏时的载荷，A为受剪面积。用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪及X衍射仪等对接头的微区进行分析。
2 钎焊接头的微观结构与界面反应
图1为镀镍Si3N4陶瓷与Q235钢板钎焊接头的电镜图像及元素分布谱线，图2为该接头的元素分布图。
(a)镀镍Si3N4-Q235钢板结合形貌×500
(b)元素分布谱线
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从图1和图2明显看出，镀镍Si3N4-Q235接头为一多层复合结构，存在着4个不同的区域（陶瓷、镀层、钎缝和金属母材）和3个界面(Si3N4/Ni、Ni/Ag-Cu、Ag-Cu/Fe)。后2个界面均属通常的钎焊晶间结合，一般具有较好的强度和塑性，Si3N4/Ni界面的结合方式为机械镶嵌结合和化学结合。
图2 镀镍Si3N4-Q235钢接头的元素分布图
化学镀镍的Si3N4陶瓷在辉光钎焊的过程中，在钎焊真空度和钎焊温度下，镀Ni层与Si3N4陶瓷界面处会发生Ni和Si的扩散见图2，在陶瓷侧具有一定含量的Ni，说明Ni已向陶瓷中发生了扩散，在镀Ni层侧含有Si，说明Si也向镀Ni层中扩散。随着Ni和Si的扩散，将会发生下列反应［2，3］：
此反应自发进行，所得反应产物为NiSi。对接合面进行X衍射分析，结果表明，在陶瓷与镀层的界面处有NiSi金属间化合物生成，见图3。在陶瓷与镀层界面形成Si3N4/NiSi/Ni和Si3N4/Ni的层状结构，且金属间化合物具有键合作用［4，5］。
图3 Si3N4/Ni界面X衍射谱
但从图3可以看出,NiSi化合物的衍射峰不高,并有陶瓷基体Si3N4的背景峰出现,可见其含量不多,反应不彻底。同时在图1的照片中可以看到陶瓷／Ni的界面处白亮的NiSi化合物层很薄, 且不连续,因而没有形成连续的界面反应层。所以可以断定在钎焊接头中，陶瓷与镀镍层之间的主要结合形式为机械镶嵌结合，但该界面反应层可以提高接头的结合强度。
3 影响接头强度的主要因素
钎焊接头强度以试验应力强度度量。实际上，接头任一部位破坏时的真实强度应为试验应力强度与该部位残余应力叠加的结果。陶瓷与金属钎焊接头的破坏总是由某一局部开始。当接头某一部位承受的实际应力大于此处的真实强度，则于此处造成局部破坏，从而成为整个接头破坏的根源。由于接头任一部位承受的实际应力应为试验应力与该处残余应力的矢量和，因而缓解残余应力是提高接头强度的重要途径；另一方面，由陶瓷与金属、钎料这些截然不同的材料构成的接头必然在接头的不同部位存在着成分、组织、物相以及性质的巨大差异。不同区域(或界面)的真实强度各不相同，破坏必然起始于其中最薄弱的环节。nextpage
由于钎焊接头为一多层复合结构，所以钎焊接头的强度是由各区域的强度和3个界面的连接力决定的。Ni、Ag-Cu及Q235区域均有足够的强度和韧性，Ni/Ag-Cu及Ag-Cu/Q235两处的界面均属金属间的结合，且金属键是连续的。Si3N4主要为共价键结合，热膨胀系数小，金属钎焊层热膨胀系数大，在钎焊层凝固冷却过程中，钎焊层靠近陶瓷部分（包括Si3N4/Ni界面在内）将形成较大的残余拉应力，而这种应力无法通过使Si3N4塑变予以消除；另外，钎焊层靠近陶瓷部分从理论上要求在由金属键向共价键过渡时，应起到一定的过渡作用，然而这种过渡从理论和实践上都存在一定难度。因此可以推断，Si3N4/Ni界面及邻近界面的高残余应力区为钎焊接头中最为薄弱的区域。这一区域的断裂强度是由该区域的界面反应层尺寸、组织和物相决定的，因而必须对影响上述因素的工艺规范进行控制，这些工艺规范有陶瓷表面粗化程度、镀层厚度、钎焊温度、钎焊保温时间、加热速度和冷却速度等。此外，陶瓷与金属的热物理性能相差悬殊，钎焊后接头中存在着很大的残余应力，大大降低了接头的承载能力，因此应尽量减小接头的残余应力。
3.1 粗化工艺对接头强度的影响
化学镀层与陶瓷间的结合形式是机械镶嵌结合、化学结合和吸附作用，化学镀过程中粗化的程度是影响结合强度的关键。粗化工艺得当，化学镀层与陶瓷界面处的机械咬合作用强，在钎焊温度下二者不致分离，所得接头结合强度高。若粗化不良，镀层与陶瓷界面处咬合作用不强，在随后的高温钎焊过程中，由于陶瓷和镀层金属的热膨胀系数的差异便会导致镀层局部开裂，进而使整个接头结合强度降低。本研究选用粗化时间为20 min和30 min的Si3N4进行辉光钎焊试验。试验表明这2种粗化时间均可获得成形良好结合致密的钎焊接头。由剪切试验知，在镀层厚度为39 μm时，Si3N4粗化20 min所得接头抗剪强度为56 MPa，Si3N4粗化30 min所得接头抗剪强度为78 MPa。这是因化学粗化程度不同、镀层与陶瓷界面处的机械咬合程度不同所致：粗化30 min条件下界面咬合作用明显高于粗化20 min的界面，所以直接影响到接头的结合强度。
3.2 镀层厚度对接头强度的影响
固态金属元素在液相中的扩散系数约为10-5cm2/s数量级，而它们在固相中的扩散系数仅为10-8cm2/s～10-9cm2/s数量级——镍在液态钎料中的扩散速度要比在陶瓷中的扩散速度快得多。如果镀层太薄(小于10 μm)，则难以保证在陶瓷表面形成连续的金属镍层，对陶瓷表面的润湿条件改善不大。在钎焊过程中镀Ni层很快向液态钎料溶解，即原本不连续的镍层溶入Ag-Cu液态共晶中，镀层与陶瓷基体的机械锁扣结合遭到破坏，不能形成接头。随着镀层厚度的增加，上述情况不断得到改善。在钎焊过程中，镀层中靠近Ni/Ag-Cu界面的Ni参与溶解与扩散过程而溶入Ag-Cu液态共晶，靠近Si3N4/Ni界面的Ni向Si3N4界面扩散发生界面反应，镀层中部还可以起到缓释残余应力的作用，形成连续的Si3N4/Ni/Ag-Cu/Q235多层复合结构，这种复合结构中，镀Ni层和钎缝区塑性好，可以缓解陶瓷与Q235因热膨胀系数的巨大差异而造成的残余应力，从而使整个接头的抗剪强度提高。镀层厚度对接头强度的影响曲线见图4，所能达到最厚镀层(65 μm)对应的抗剪强度为117.31 MPa。
图4 镀层厚度对接头抗剪强度的影响
3.3 钎焊温度对接头强度的影响
钎焊温度是钎焊工艺的重要参数之一。提高钎焊温度，镍向陶瓷的扩散速度加快，界面反应加剧，键合作用增强，有利于接头强度的提高。但钎焊温度的提高更容易加剧镍向液态钎料的扩散，造成镍在钎料中的过分溶解，甚至破坏镀层与陶瓷之间的机械锁扣结合，从而降低接头强度。此外，钎焊温度过高，会增加接头的残余应力，对接头强度产生不利影响。图5为钎焊温度对接头强度的影响曲线(镀层厚度为39 μm，保温时间为3 min)，在该条件下，钎焊温度为850℃时接头强度最高。
图5 钎焊温度对接头抗剪强度的影响
3.4 钎焊保温时间对接头强度的影响
陶瓷-金属钎焊一般应遵循均匀加热、缓慢冷却的原则，在确定钎焊温度的前提下，可通过改变钎焊保温时间来调整钎焊热循环。由于陶瓷导热性差，故适当延长保温时间，使陶瓷温度均匀化，无疑对钎料的润湿铺展及残余应力的均匀分布有利。但钎焊保温时间过长，会有过多的镍溶入钎料中，当镀层很薄时便不能起到缓解残余应力的作用，因而会降低接头强度。图6为不同保温时间对接头强度的影响曲线，本研究中，在钎焊温度为850℃，镀层厚度为65 μm的条件下，保温8 min所得到的接头强度最高。nextpage
图6 钎焊保温时间对接头抗剪强度的影响
3.5 中间层厚度对接头强度的影响
一定的镀Ni层厚度在接头中起到了残余应力的缓释作用，因而可在一定程度上提高接头抗剪强度。但镀层的厚度是有限的,65 μm厚的镀Ni层在钎焊接头中仍不能充分缓解残余应力，只有采取插入中间层的办法才能起很好的缓冲作用。
除了中间层材料本身性能影响接头性能外，中间层厚度对结合强度的影响也是很大的。本研究在钎焊温度为850℃、保温时间8 min条件下，对镀层厚度为28 μm的Si3N4与Q235钢板进行钎焊，Cu中间层厚度分别为0、0.5 mm和1 mm，所对应的接头抗剪强度值分别为40 MPa、60 MPa和112 MPa。可见，当Cu层厚度为1 mm时，已能较好地缓解接头的残余热应力。
4 镀镍陶瓷-金属的断口分析
根据接头实际断裂的位置，镀镍Si3N4-Q235接头的剪切断裂形式主要有2种：
(1)部分发生在界面、部分发生在陶瓷 这种断裂发生的前提是陶瓷邻近界面区的强度低于陶瓷与金属界面连接强度。也就是说，金属与陶瓷之间界面连接力很高，但界面附近存在残余应力。可以看出，裂纹源处于接头的最薄弱环节，即陶瓷界面反应区，随后向残余应力较大的陶瓷表层扩展，当承载截面缩小至某一限度，则接头整体断开。图7为这类断裂的断口形貌，其左侧为陶瓷材料，右侧为界面区。
图7 部分发生在界面、部分发生在陶瓷的断口形貌 ×150
(2)发生在Si3N4/Ni界面 钎料与镀Ni层及钎料与钢板之间均可获得牢固的结合，所以这类断裂总是发生在陶瓷与镀层的连接界面，或部分发生在这个界面上。它表明，镀层与陶瓷的界面连接强度不足。许多因素可以引起这类断裂，如粗化、化学镀配方、镀层材料和钎焊工艺参数(包括气氛、时间、温度、冷却速度等)。图8为发生这种断裂后的金属镀层表面形貌。
图8 发生在Si3N4/Ni界面的断口形貌×150
5 结论
(1) 化学镀镍Si3N4-Q235接头为一多层复合结构，破坏往往起始于最薄弱的环节，即陶瓷界面及邻近界面的高残余应力区。
(2) 与一般的陶瓷钎焊方法相比,化学镀Ni陶瓷进行钎焊所需真空度较低。在一定的加热速度和冷却速度下，影响接头强度的主要因素如下：化学粗化工艺、镀层的厚度、钎焊温度及保温时间。合理选择这些规范便可获得较高强度(117.31 MPa)的钎焊接头。
(3) 由于化学镀Ni层的厚度是有限的，所以为了充分缓解接头的残余应力，在接头中插入了Cu中间层。随着中间层厚度的增加，接头强度提高。
(4) 不同结合强度的钎焊接头具有不同的剪切断口特征。陶瓷与金属界面连接力高时，裂纹起始于界面反应区，随后向陶瓷表层扩展，最后使钎缝断开；若镀层与陶瓷的界面连接强度不足，则在该界面处发生整体断开。
