專利名稱：碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法及制得的連接件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬與陶瓷的連接方法及制得的連接件，尤其涉及一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法及制得的連接件。
背景技術(shù)：
碳鋼被廣泛應(yīng)用于制造工程結(jié)構(gòu)(比如船舶、發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓容器等)和機(jī)械零件 (如齒輪、軸等)。然而碳鋼存在耐磨性較差、硬度較低、抗熱沖擊性及高溫耐蝕性較低等缺點(diǎn)，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)對(duì)材料綜合性能的進(jìn)一步需求。而碳化硅陶瓷具有硬度高、 高溫抗腐蝕、耐磨損、抗熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)。碳鋼和碳化硅連接在一起制備成復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)于碳鋼在高溫環(huán)境中應(yīng)用具有非常重要的意義。由于這兩種材料的物理、化學(xué)性能差異較大，使得兩者之間的連接非常困難，目前主要采用熔焊、釬焊、固相擴(kuò)散連接及瞬間液相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的連接。但這些方法存在許多不足難于制得高結(jié)合強(qiáng)度的接頭；對(duì)金屬件表面的清潔度及設(shè)備真空度要求很高；固相擴(kuò)散連接及瞬間液相連接溫度要求較高，保溫時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致兩者間的連接耗時(shí)、耗能；熔焊容易產(chǎn)生裂紋；釬焊雖然連接溫度較低，但由于釬料的熔點(diǎn)普遍較低，因此釬焊難于制得能在高溫下使用的接頭。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種加工時(shí)間短、可獲得較高結(jié)合強(qiáng)度的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法。另外，還有必要提供一種由上述連接方法制得的連接件。一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供待連接的碳鋼件、碳化硅陶瓷件及鎳箔；將該鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具中，使鎳箔夾放在碳鋼件與碳化硅陶瓷件之間；將該石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，開(kāi)啟直流脈沖電源，對(duì)碳鋼及碳化硅陶瓷施加脈沖電流，并在如下連接參數(shù)下進(jìn)行放電等離子體連接軸向壓力為 20 50MPa，溫度到達(dá)300°C前升溫速率為20°C /min，超過(guò)300°C以后升溫速率為80 1500C /min，連接溫度為800 1100°C，保溫時(shí)間為10 30分鐘，爐膛內(nèi)真空度為6 IOPa ；待冷卻后取出碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件。一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件包括碳鋼件、碳化硅陶瓷件及連接該碳鋼件與該碳化硅陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過(guò)渡層、鎳金屬層及第二過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于該碳鋼件與該鎳金屬層之間，該第二過(guò)渡層位于該碳化硅陶瓷件與該鎳金屬層之間，該第一過(guò)渡層由鎳與鐵的固熔體及鎳鐵金屬間化合物組成，該第二過(guò)渡層由鎳碳化合物、鎳硅化合物組成。
相較于現(xiàn)有技術(shù)，上述碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備(也稱脈沖電流加熱設(shè)備)對(duì)碳鋼件與碳化硅陶瓷件施加脈沖電流及軸向壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)碳鋼與碳化硅陶瓷的連接，在脈沖電流作用下，碳鋼件與碳化硅陶瓷件的接觸縫隙之間放電產(chǎn)生高熱等離子體及在連接處產(chǎn)生局部高溫，有利于原子擴(kuò)散，促進(jìn)工件連接。該方法保溫時(shí)間短，能耗低，連接介質(zhì)層少，對(duì)設(shè)備真空度要求較低。由該方法制得的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件具有較大的剪切強(qiáng)度。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例使用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行碳鋼與碳化硅陶瓷連接的原理示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件的剖面示意圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10軸向壓力系統(tǒng)11正電極12爐膛13直流脈沖電源14控制系統(tǒng)15負(fù)電極16碳鋼件20碳化硅陶瓷件30鎳箔40石墨模具50上壓頭51下壓頭52中模53碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件100連接部60第一過(guò)渡層61鎳金屬層62第二過(guò)渡層6具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明較佳實(shí)施例的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法主要通過(guò)采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10來(lái)完成，該方法主要包括如下步驟(1)提供一待連接的碳鋼件20、一碳化硅陶瓷件30及一鎳箔40作為連接介質(zhì)。該鎳箔的厚度大約為0. 2 0. 4mm。(2)對(duì)碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40的待連接表面進(jìn)行打磨和清洗，并吹干。本實(shí)施例中可以使用400 800目的金相砂紙對(duì)碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40打磨，使碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40表面較為平整；再用盛裝有乙醇的超聲波進(jìn)行振動(dòng)清洗5 15分鐘，以除去碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40表面雜質(zhì)及油污等，清洗后吹干備用。以下將碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40統(tǒng)稱為工件。(3)提供一石墨模具50，該石墨模具50包括上壓頭51、下壓頭52及中模53，該中模53具有一模腔(圖未示)，用于容置待連接工件。(4)將工件放入石墨模具50的模腔內(nèi)，使鎳箔40夾放在碳鋼件20與碳化硅陶瓷件30之間，并且用上壓頭51和下壓頭52分別從碳鋼件20與碳化硅陶瓷件30兩側(cè)壓緊。(5)提供一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10，比如可采用日本住友石炭公司生產(chǎn)的 SPS3. 20MK-IV型放電等離子燒結(jié)設(shè)備。該放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10主要包括軸向壓力系統(tǒng)11，用于對(duì)燒結(jié)工件提供軸向壓力；正電極12、負(fù)電極16 ；爐膛13 ；直流脈沖電源14，用于對(duì)燒結(jié)工件提供脈沖電流，使工件升溫；溫度測(cè)量單元(圖未示)及控制系統(tǒng)15等。該直流脈沖電源脈寬比為12 :2，最大電流可達(dá)5000A。(6)將石墨模具50放入該放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10的爐膛13中，并且用上壓頭 51和下壓頭52分別與放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10的正、負(fù)電極12對(duì)準(zhǔn)連接，爐膛13抽真空至真空度為6 10Pa，開(kāi)啟直流脈沖電源14，在如下工藝參數(shù)下對(duì)工件進(jìn)行放電等離子體連接軸向壓力為20 60MPa，溫度到達(dá)300°C前的升溫速率為20°C /min，超過(guò)300°C以后升溫速率為80 150°C /min,當(dāng)溫度到達(dá)連接溫度800 1100°C時(shí)，保持該溫度范圍約 10 30分鐘時(shí)長(zhǎng)。軸向壓力的具體施加方法為在溫度到達(dá)300°C時(shí)，通過(guò)上壓頭51和下壓頭52開(kāi)始對(duì)工件施加IOMPa的軸向壓力，之后逐漸增大軸向壓力，直至溫度為連接溫度時(shí)軸向壓力為最大值。在上述溫度、壓力及脈沖電流作用下，各工件接觸界面之間充分地相互擴(kuò)散；在連接溫度的保溫時(shí)間控制在10 30分鐘范圍內(nèi)時(shí)，各接觸界面間形成的擴(kuò)散過(guò)渡層厚度對(duì)應(yīng)的連接強(qiáng)度最大；保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)(即大于30分鐘)，不利于節(jié)約能源，如果保溫時(shí)間過(guò)短(即小于10分鐘)，則工件之間擴(kuò)散不充分，難以形成明顯的擴(kuò)散過(guò)渡層，使工件之間難以形成良好的連接。(7)待冷卻后取出碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件。上述碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法通過(guò)采用放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10 (也稱脈沖電流加熱設(shè)備)，對(duì)碳鋼件20與碳化硅陶瓷件30施加脈沖電流，以在碳鋼件20與碳化硅陶瓷件30的接觸縫隙之間放電產(chǎn)生高熱等離子體，等離子體清潔并活化工件的表面，提高工件表面的原子擴(kuò)散能力。在受脈沖電流作用下，碳鋼件20、碳化硅陶瓷件30及鎳箔40產(chǎn)生自發(fā)熱及局部放電熱，連接介質(zhì)鎳箔40軟化后釋放出M原子，M原子迅速擴(kuò)散到碳鋼件20和碳化硅陶瓷件30表面，并與碳鋼件20和碳化硅陶瓷件30發(fā)生一物理、化學(xué)反應(yīng)，由此在碳鋼/碳化硅陶瓷界面形成新的物相結(jié)構(gòu)，該新的物相結(jié)構(gòu)可緩解碳化硅陶瓷/碳鋼界面的內(nèi)應(yīng)力，有利于促進(jìn)碳化硅陶瓷/碳鋼界面的擴(kuò)散結(jié)合，加之在軸向壓力作用下，工件間接觸面積不斷增大，最終達(dá)到緊密接觸而連接在一起。上述碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法保溫時(shí)間短，能耗低，對(duì)爐膛真空度要求較低。圖2所示為由上述連接方法制得的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件100，包括該碳鋼件20、該碳化硅陶瓷件30及連接該碳鋼件20與該碳化硅陶瓷件30的連接部60。該連接部60包括一第一過(guò)渡層61、一鎳金屬層62及一第二過(guò)渡層63。該第一過(guò)渡層61位于該碳鋼件20與該鎳金屬層62之間，該第一過(guò)渡層61主要由鎳與鐵的固熔體及鎳鐵金屬間化合物組成。該第二過(guò)渡層63位于該碳化硅陶瓷件30與該鎳金屬層62之間，該第二過(guò)渡層 63主要由鎳碳化合物、鎳硅化合物組成。該第一過(guò)渡層61和第二過(guò)渡層63的厚度大約均為5 25 μ m，較佳地為10 20 μ m。該鎳金屬層62的厚度大約為0. 19 0. 39mm。
該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件100的連接部60平整均勻，無(wú)裂縫，無(wú)孔隙。經(jīng)檢測(cè)，該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件100的碳鋼/碳化硅陶瓷界面的剪切強(qiáng)度可達(dá)40 80MPa，而現(xiàn)有方法制備的碳鋼/碳化硅陶瓷連接頭的剪切強(qiáng)度一般為20 60MPa。
權(quán)利要求
1.一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供待連接的碳鋼件、碳化硅陶瓷件及鎳箔；將該鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具中，使鎳箔夾放在碳鋼件與碳化硅陶瓷件之間；將該石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，開(kāi)啟直流脈沖電源，對(duì)碳鋼及碳化硅陶瓷施加脈沖電流，并在如下連接參數(shù)下進(jìn)行放電等離子體連接軸向壓力為20 50MPa，溫度到達(dá)300°C前升溫速率為20°C /min，超過(guò)300°C以后升溫速率為80 150°C / min，連接溫度為800 1100°C，保溫時(shí)間為10 30分鐘，爐膛內(nèi)真空度為6 101 ；待冷卻后取出碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件。
2.如權(quán)利要求1所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述石墨模具包括上壓頭、下壓頭及中模，所述鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件放置于該中模內(nèi)，該上壓頭和下壓頭分別從碳鋼件和碳化硅陶瓷件兩側(cè)壓緊，并通過(guò)該上壓頭和下壓頭對(duì)鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件施加軸向壓力。
3.如權(quán)利要求2所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該放電等離子體燒結(jié)設(shè)備包括正、負(fù)電極，所述上壓頭和下壓頭分別與該正、負(fù)電極對(duì)準(zhǔn)連接。
4.如權(quán)利要求2所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述軸向壓力的具體施加方法為在溫度到達(dá)300°C時(shí)，通過(guò)上壓頭和下壓頭開(kāi)始對(duì)碳鋼件和碳化硅陶瓷件施加IOMPa的軸向壓力，之后逐漸增大軸向壓力，直至溫度為連接溫度時(shí)軸向壓力到達(dá)最大值。
5.如權(quán)利要求1所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述鎳箔的厚度為 0. 2 0. 4mm。
6.如權(quán)利要求1所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法還包括將該鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具之前，對(duì)該碳鋼件、 碳化硅陶瓷件及鎳箔的待連接表面進(jìn)行打磨和清洗的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述打磨是使用 400 800目的金相砂紙對(duì)鎳箔、碳鋼件及碳化硅陶瓷件打磨；所述清洗是指用盛裝有乙醇的超聲波進(jìn)行振動(dòng)清洗。
8.一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，其特征在于該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件包括碳鋼件、碳化硅陶瓷件及連接該碳鋼件與該碳化硅陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過(guò)渡層、鎳金屬層及第二過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于該碳鋼件與該鎳金屬層之間，該第二過(guò)渡層位于該碳化硅陶瓷件與該鎳金屬層之間，該第一過(guò)渡層由鎳與鐵的固熔體及鎳鐵金屬間化合物組成，該第二過(guò)渡層由鎳碳化合物、鎳硅化合物組成。
9.如權(quán)利要求8所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，其特征在于該第一過(guò)渡層和第二過(guò)渡層的厚度均為5 25 μ m。
10.如權(quán)利要求9所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，其特征在于該第一過(guò)渡層和第二過(guò)渡層的厚度均為10 20 μ m。
11.如權(quán)利要求8所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，其特征在于該鎳金屬層的厚度為 0. 19 0. 39mm。
12.如權(quán)利要求8所述的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件，其特征在于該碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件的碳鋼/碳化硅陶瓷界面的剪切強(qiáng)度為40 80MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳鋼與碳化硅陶瓷的連接方法，該方法主要采用放電等離子體燒結(jié)設(shè)備對(duì)碳鋼、碳化硅陶瓷及鎳箔活性中間層施加脈沖電流而進(jìn)行放電等離子體連接，放電等離子體連接的工藝參數(shù)為軸向壓力為20～50MPa，溫度到達(dá)300℃前升溫速率為20℃/min，超過(guò)300℃以后升溫速率為80～150℃/min，連接溫度為800～1100℃，保溫時(shí)間為10～30分鐘，爐膛內(nèi)真空度為6～10Pa。本發(fā)明還提供一種上述連接方法制得的碳鋼與碳化硅陶瓷的連接件。
文檔編號(hào)C04B37/02GK102452842SQ20101052538
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者張新倍, 胡文峰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司