專利名稱：黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法及其連接件的制作方法
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其連接件，尤其涉及一種黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法及其連接件。
背景技術(shù)：
黃銅包括僅含有銅鋅二元合金的普通黃銅及含有錫、錳、鎳、鐵、硅組成的銅合金的特殊黃銅。黃銅由于較易成型，廣泛地應(yīng)用于連接器件及散熱器。陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點，在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于陶瓷脆性大、延性低、難以加工等缺點，使得陶瓷的進一步應(yīng)用受到了限制。若將陶瓷與金屬連接起來就可以發(fā)揮各自的優(yōu)點、彌補各自的不足，從而可以克服難以加工的缺點，有利于制備復(fù)雜形狀的部件。由于黃銅與陶瓷的物理、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、固相擴散連接及瞬間液相連接來實現(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)合強度的接頭；對金屬件表面的清潔度及設(shè)備真空度要求很高；固相擴散連接及瞬間液相連接溫度要求較高，保溫時間長，導(dǎo)致兩者間的連接耗時、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間較短，又可獲得較高結(jié)合強度的黃銅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。一種黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供一待連接的黃銅件、碳化硅陶瓷件、鈦箔及鎳箔，石墨模具及放電等離子體燒結(jié)設(shè)備，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模，該放電等離子體連接設(shè)備包括爐膛；將該碳化硅陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件分別放入石墨模具中，該鎳箔及鈦箔位于黃銅件與碳化硅陶瓷之間，使鎳箔與黃銅件相對，鈦箔與碳化硅陶瓷相對，并且用上壓頭和下壓頭壓緊；將該石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，對黃銅及碳化硅陶瓷施加脈沖電流而進行放電等離子體連接，設(shè)置工藝參數(shù)為軸向壓力為20-50MPa，當(dāng)溫度小于 300°C取50°C /min以下、當(dāng)溫度大于300°C取80-200°C /min，保溫溫度為750_950°C，保溫時間為10-35min ；待冷卻后取出連接件。一種連接件，該連接件為上述連接件的方法獲得。一種連接件，該連接件包括碳化硅陶瓷件、黃銅件及連接部，所述連接部包括第一過渡層、鈦層、第二過渡層、鎳層及第三過渡層，所述第一過渡層主要由鈦與碳及鈦與硅的化合物組成，所述第二過渡層主要由鈦鎳固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，所述第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅金屬間化合物組成。 相較于現(xiàn)有技術(shù)，上述黃銅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)備對黃銅件與碳化硅陶瓷件施加脈沖電流及壓力來實現(xiàn)黃銅與碳化硅陶瓷的連接，該連接件的連接部結(jié)合強度較高。


圖1為本發(fā)明較佳實施例使用· 連接的示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實施例的連接件的剖面示意圖,主要元件符號說明放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10軸向壓力系統(tǒng)11電極12爐膛13脈沖電源14控制系統(tǒng)15碳化硅陶瓷件 20黃銅件30鈦箔41鎳箔43石墨模具50上壓頭51下壓頭52中模53連接件100連接部80第一過渡層81鈦層82第二過渡層83鎳層84第三過渡層85
-放電等離子體燒結(jié)設(shè)備進行黃銅與碳化硅陶瓷
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施例的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法通過放電等離子體燒結(jié)設(shè)備(Spark Plasma Sintering Device, SPS燒結(jié)設(shè)備或者稱脈沖電流加熱設(shè)備) 完成，該方法主要包括如下步驟提供一待連接的黃銅件30、一碳化硅陶瓷件20、一鈦箔41及一鎳箔43，該鈦箔41 及鎳箔43作為連接介質(zhì)。該黃銅件30為銅鋅二元合金的普通黃銅或者在銅-鋅合金中加入重量百分含量為-6%的鉛、錫、鋁、錳、鐵、硅、鎳等至少一種元素的特殊黃銅。該普通黃銅為含鋅重量百分含量在35%以下的α黃銅、含鋅重量百分含量在36% 46% (α+β)黃銅(兩相黃銅)、及含鋅重量百分為46% 50%的β黃銅中的一種。該鈦箔41 及鎳箔43的厚度分別為0. 1-0. 5mm，具體地，可以分別取0. lmm、0. 15mm、0. 25mm、0. 35mm, 0. 4mm 及 0. 5mm。對黃銅件30、碳化硅陶瓷件20、鈦箔41及鎳箔43的待連接表面分別進行打磨和清洗并吹干。本實施例中可以使用600-1000目金相砂紙對黃銅件30、碳化硅陶瓷件20、鈦箔41及鎳箔43進行打磨；然后進行清洗；清洗后吹干。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)，用于容置黃銅件30、碳化硅陶瓷件20、鈦箔41及鎳箔43。將黃銅件30、鎳箔43、鈦箔41及碳化硅陶瓷件20分別放入石墨模具50中并鎳箔 43及鈦箔41位于黃銅件30與碳化硅陶瓷件20之間，使鎳箔43與黃銅件30相對，鈦箔41 與碳化硅陶瓷相對，并且用上壓頭51和下壓頭52壓緊。提供一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10。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，用于對燒結(jié)工件提供軸向壓力；正、負電極12 ；爐膛13 ；脈沖電源14，用于提供脈沖電流，使工件升溫；溫度測量單元(圖未示)及控制系統(tǒng)15等。該脈沖電源14的脈寬比為6 1，最大電流為8000A。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、負電極12電連接，爐膛13抽真空至真空度為6-lOPa，開啟脈沖電源14，設(shè)置如下工藝參數(shù)對工件進行放電等離子體連接軸向壓力，較高的軸向壓力有利于抑制晶粒的生長從而獲得較好的性能，本發(fā)明較佳實施例中取20-50Mpa，具體地，取20Mpa、30Mpa、;35Mpa、45Mpa或者50Mpa ；升溫速率設(shè)定為，當(dāng)溫度小于300°C取50°C/min以下，取較小升溫速率可以防止陶瓷在加熱時破裂，當(dāng)溫度大于300°C 取80-200°C /min ；設(shè)定保溫溫度為750_950°C及合理的保溫時間，以促進反應(yīng)的進行，然而，過長的保溫時間會導(dǎo)致晶粒急劇長大而加劇二次重結(jié)晶，本發(fā)明較佳實施例中，保溫時間取值范圍為10-35min，具體地，可以取10min、20min或者35min ；該脈沖電源脈寬比為 6 1，脈沖電流強度取值為1000-8000A，具體地，可以取1000A、3000A、5000A或者8000A。 此外，本方法中可以通入保護氣體，如氦氣或者氬氣，使其在一定的保護氣體下進行反應(yīng)， 進一步防止工件在連接的過程中被氧化，從而進一步提高了連接件100的連接部的結(jié)合強度。啟動放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10進行燒結(jié)連接。隨爐冷卻后取出連接件100。上述黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法通過采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10，對黃銅件30與碳化硅陶瓷件20施加脈沖電流，以在黃銅件30與碳化硅陶瓷件20的接觸縫隙之間放電產(chǎn)生高速等離子流體，該等離子流體清潔并活化工件的表面，從而促進了擴散和反應(yīng)的進行，提高黃銅件30與碳化硅陶瓷件20連接處的連接性能。上述的連接方法在放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10中通過施加鈦箔41和鎳箔43作為中間介質(zhì)，實現(xiàn)黃銅件30與碳化硅陶瓷件20的固相擴散連接。在碳化硅陶瓷件20 —側(cè)設(shè)置膨脹系數(shù)與碳化硅陶瓷件20相近的鈦箔41作為連接介質(zhì)，鈦與碳化硅陶瓷較容易發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，在黃銅件30 —側(cè)設(shè)置熱膨脹系數(shù)與黃銅相近的鎳箔43作為連接介質(zhì)，且鎳的膨脹系數(shù)介于黃銅與鈦之間，鈦與鎳能實現(xiàn)良好結(jié)合；碳化硅陶瓷、鈦、鎳、黃銅的熱膨脹系數(shù)逐漸增大，有效降低了熱應(yīng)力，提高結(jié)合力；且各金屬間產(chǎn)生的金屬間化合物較少，不會造成結(jié)合強度明顯下降。圖2所示為由上述連接方法制得的黃銅與碳化硅陶瓷的連接件100，包括該碳化硅陶瓷件20、該黃銅件30及連接該黃銅件30與該碳化硅陶瓷件20的連接部80。該連接部 80包括一第一過渡層81、一鈦層82、一第二過渡層83、一鎳層84及一第三過渡層85。該第一過渡層81位于碳化硅陶瓷件20與鈦層82之間。第一過渡層81主要由鈦與碳及鈦與硅的化合物組成，如碳化鈦、硅化鈦等。該第二過渡層83位于鈦層82與該鎳層84之間，其為鈦層82與鎳層84連接的過渡層。第二過渡層83主要由鈦鎳固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成。該第三過渡層85位于鎳層84與黃銅件30之間，其為鎳層84與黃銅件30連接的過渡層，該第三過渡層85主要由鎳銅固溶體，如α -Cu，并也有少量鎳銅金屬間化合物組成。該黃銅與碳化硅陶瓷的連接件100的連接部80致密均勻，經(jīng)測試，該黃銅與碳化硅陶瓷的連接件100的黃銅/碳化硅陶瓷界面的剪切強度可達20-50MPa，抗拉強度可達 35-70MPa。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)做其它形式和細節(jié)上的各種修改、添加和替換。當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的各種修改、添加和替換等變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供一待連接的黃銅件、碳化硅陶瓷件、鈦箔及鎳箔，石墨模具及放電等離子體燒結(jié)設(shè)備，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模，該放電等離子體連接設(shè)備包括爐膛；將該碳化硅陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件分別放入石墨模，其中，該鎳箔及鈦箔位于黃銅件與碳化硅陶瓷之間，使鎳箔與黃銅件相對，鈦箔與碳化硅陶瓷相對，并且用上壓頭和下壓頭壓緊；將該石墨模具放入放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，對黃銅及碳化硅陶瓷施加脈沖電流而進行放電等離子體連接，設(shè)置工藝參數(shù)為軸向壓力為20-50MPa，當(dāng)溫度小于300°C取 500C /min以下、當(dāng)溫度大于300°C取80-200°C /min，保溫溫度為750_950°C，保溫時間為 10_35min ；待冷卻后取出連接件。
2.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述等離子放電連接在真空度為6-10 的真空條件下進行。
3.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述等離子放電連接在氦氣或者氬氣的保護氛圍中進行。
4.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該脈沖電源脈寬比為6 1，脈沖電流強度取值為1000-8000A。
5.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述鈦箔及鎳箔的厚度取值范圍分別為0. 1-0. 5mm。
6.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述黃銅件為銅鋅二元合金的普通黃銅或者在銅-鋅合金中加入重量百分含量為-6%的鉛、錫、鋁、錳、 鐵、硅、鎳至少一種元素的特殊黃銅。
7.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該軸向壓力為 20Mpa、30Mpa、35Mpa、45Mpa 或者 50Mpa。
8.如權(quán)利要求1所述的黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該保溫時間為 10min、20min 或者 35min。
9.一種連接件，其特征在于，該連接件為權(quán)利要求1-9中的任一方法制得。
10.一種連接件，其特征在于該連接件包括碳化硅陶瓷件、黃銅件及連接部，所述連接部依次包括第一過渡層、鈦層、第二過渡層、鎳層及第三過渡層，所述第一過渡層主要由鈦與碳及鈦與硅的化合物組成，所述第二過渡層主要由鈦鎳固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，所述第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅金屬間化合物組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種黃銅與碳化硅陶瓷的連接方法及由該方法制得的連接件。該連接件包括碳化硅陶瓷件、黃銅件及連接部，所述連接部包括第一過渡層、鈦層、第二過渡層、鎳層及第三過渡層，所述第一過渡層主要由鈦與碳及鈦與硅的化合物組成，所述第二過渡層主要由鈦鎳固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，所述第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅金屬間化合物組成。該連接件的連接部通過放電等離子體連接形成，結(jié)合強度較高。
文檔編號C04B37/02GK102485698SQ201010570278
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者張新倍, 胡文峰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請人: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