專(zhuān)利名稱(chēng)：不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬與陶瓷的復(fù)合件及其制造方法，尤其涉及一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件及其制造方法。
背景技術(shù)：
不銹鋼在常溫下具有較好的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件。然而，在高溫、腐蝕性等較為惡劣的環(huán)境下，不銹鋼的耐腐蝕性、耐磨性、抗沖蝕性、耐高溫性能等已經(jīng)很難滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步需求。而氧化鋯陶瓷具有硬度高、高溫抗腐蝕、耐磨損、抗沖蝕等優(yōu)點(diǎn)。因此，不銹鋼和氧化鋯陶瓷連接在一起制備成復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)于不銹鋼在惡劣環(huán)境中應(yīng)用具有非常重要的意義。目前，實(shí)現(xiàn)不銹鋼與氧化鋯陶瓷的連接主要是在兩者間添加中間單層或多層金屬層，在高溫下實(shí)現(xiàn)兩者的擴(kuò)散連接。采用單層金屬層難于形成熱膨脹系數(shù)的階梯式變化，在降低熱應(yīng)力上作用有限，且結(jié)合力欠佳。而目前采用的多層金屬層更注重中間金屬層的活性和相互間的反應(yīng)，未能充分考慮到熱膨脹系數(shù)要形成階梯式變換，不能大幅降低熱應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種易于實(shí)現(xiàn)的、可獲得較高連接強(qiáng)度的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件。另外，還有必要提供一種制造上述復(fù)合件的制造方法。一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件，該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件包括不銹鋼件、氧化鋯陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氧化鋯陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過(guò)渡層、鉬層、第二過(guò)渡層、鎳層及第三過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于氧化鋯陶瓷件與鉬層之間，第一過(guò)渡層主要由鎳鉬金屬間化合物、鋯鎳金屬間化合物、鎳鉬固溶體、鋯鎳固溶體組成，該第二過(guò)渡層位于鉬層與該鎳層之間，第二過(guò)渡層主要由鉬鎳固熔體及鉬鎳金屬間化合物組成，該第三過(guò)渡層位于鎳層與不銹鋼件之間，第三過(guò)渡層主要由鎳鐵金屬間化合物及鎳鐵固熔體組成。一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，包括以下步驟提供一不銹鋼件、一氧化鋯陶瓷件、一鉬箔及一鎳箔；對(duì)該氧化鋯陶瓷件、不銹鋼件、鉬箔及鎳箔分別進(jìn)行打磨和清洗；在該氧化鋯陶瓷件表面沉積鎳金屬層；將氧化鋯陶瓷件、鉬箔、鎳箔及不銹鋼件放入一連接模具中，使鉬箔和鎳箔夾放在氧化鋯陶瓷件與不銹鋼件之間，并且鉬箔與氧化鋯陶瓷件上的鎳金屬層相鄰，鎳箔與不銹鋼件相鄰；將連接模具放入一熱壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行固相擴(kuò)散連接；待冷卻后取出不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件。上述不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法在熱壓燒結(jié)爐中通過(guò)施加鉬箔和鎳箔作為中間介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)氧化鋯陶瓷件與不銹鋼件的固相擴(kuò)散連接。在氧化鋯陶瓷件一側(cè)施加膨脹系數(shù)與氧化鋯陶瓷相近的鉬箔作為連接介質(zhì)，鉬與氧化鋯陶瓷較容易發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，在不銹鋼一側(cè)施加熱膨脹系數(shù)與不銹鋼相近的鎳箔作為連接介質(zhì)，且鎳的膨脹系數(shù)介于不銹鋼與鉬之間，同時(shí)鎳與鉬能實(shí)現(xiàn)良好結(jié)合；如此，氧化鋯陶瓷、鉬、鎳、不銹鋼的熱膨脹系數(shù)逐漸增大，形成了氧化鋯陶瓷至不銹鋼的階梯式變化，有效降低了熱應(yīng)力，提高了結(jié)合力。且各金屬間產(chǎn)生的金屬間化合物較少，不會(huì)造成結(jié)合強(qiáng)度下降。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的剖面示意圖。
圖2為制造圖1所示的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的設(shè)備示意圖。
主要元件符號(hào)說(shuō)明
不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件10
氧化鋯陶瓷件20
不銹鋼件30
鉬箔40
鎳箔50
連接模具70
上壓頭72
下壓頭74
中模76
連接層80
第一過(guò)渡層81
鉬層82
第二過(guò)渡層83
鎳層84
第三過(guò)渡層85
熱壓燒結(jié)爐100
具體實(shí)施例方式圖1所示為不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件10，包括該氧化鋯陶瓷件20、該不銹鋼件30及連接該不銹鋼件30與該氧化鋯陶瓷件20的連接層80，在制造不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件10還需要在氧化鋯陶瓷件20的表面沉積一鎳金屬層60。該連接層80包括一第一過(guò)渡層81、一鉬層82、一第二過(guò)渡層83、一鎳層84及一第三過(guò)渡層85。該第一過(guò)渡層81位于氧化鋯陶瓷件20與鉬層82之間。第一過(guò)渡層81主要由鎳鉬金屬間化合物、鋯鎳金屬間化合物、鎳鉬固溶體、鋯鎳固溶體組成，另外還包括少量的鋯鉬金屬間化合物及鋯鉬固溶體。第一過(guò)渡層81由所述鍍覆在氧化鋯陶瓷件20上的鎳金屬層60與鉬層82和氧化鋯陶瓷件20中的鋯元素反應(yīng)而得，由于鎳金屬層60厚度較小，在連接過(guò)程中與鉬層82和氧化鋯陶瓷件20中的鋯元素完全反應(yīng)掉。該第二過(guò)渡層83位于鉬層82與該鎳層84之間，其為鉬層82與鎳層84連接的過(guò)渡層。第二過(guò)渡層83主要由鉬鎳固熔體及鉬鎳金屬間化合物組成。該第三過(guò)渡層85位于鎳層84與不銹鋼件30之間，其為鎳層84與不銹鋼件30連接的過(guò)渡層。第三過(guò)渡層85主要由鎳鐵金屬間化合物及鎳鐵固熔體組成。該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件10的連接層80致密均勻，無(wú)裂縫，無(wú)孔隙。經(jīng)測(cè)試，該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件10的不銹鋼/氧化鋯陶瓷界面的剪切強(qiáng)度可達(dá)50 80MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)60 lOOMPa。請(qǐng)參閱圖2，所述復(fù)合件10的制造方法主要包括如下步驟(1)提供待連接的氧化鋯陶瓷件20和不銹鋼件30，同時(shí)提供鉬箔40和鎳箔50作為連接介質(zhì)。該鉬箔40的厚度大約為0. 1 0. 3mm，鎳箔50的厚度大約為0. 2 0. 4mm。(2)對(duì)氧化鋯陶瓷件20、不銹鋼件30、鉬箔40和鎳箔50分別進(jìn)行打磨、清洗，并吹干。本實(shí)施例用金剛石砂紙打磨氧化鋯陶瓷件20，用氧化鋯砂紙對(duì)不銹鋼件30、鉬箔40和鎳箔50進(jìn)行打磨，使氧化鋯陶瓷件20、不銹鋼件30、鉬箔40和鎳箔50表面較為平整。氧化鋯陶瓷件20、不銹鋼件30、鉬箔40和鎳箔50放入盛裝有乙醇溶液的超聲波清洗器中進(jìn)行振動(dòng)清洗5 15分鐘，以除去氧化鋯陶瓷件20、不銹鋼件30、鉬箔40和鎳箔50表面雜質(zhì)及油污等。清洗后吹干備用。(3)在氧化鋯陶瓷件20表面沉積一鎳金屬層60。該鎳金屬層60可通過(guò)真空鍍膜方式，如磁控濺射形成，也可以通過(guò)化學(xué)鍍膜的方式形成，其厚度大約為4 10 μ m較佳。(4)將氧化鋯陶瓷件20、鉬箔40、鎳箔50、不銹鋼件30依序?qū)盈B放置于放入一連接模具70中，使鉬箔40和鎳箔50位于氧化鋯陶瓷件20與不銹鋼件30之間，并且鉬箔40與氧化鋯陶瓷件20上的鎳金屬層60相鄰，鎳箔50與不銹鋼件30相鄰。該連接模具70包括上壓頭72、下壓頭74及中模76。該中模76具有一模腔(圖未標(biāo))，用于容置待連接工件。該上壓頭72和下壓頭74分別從兩端將放置于模腔中的工件壓緊。該連接模具70可以為石墨材料制成。(5)將連接模具70放入一熱壓燒結(jié)爐100中，在保護(hù)氣氛下使工件進(jìn)行固相擴(kuò)散連接。連接模具70放入熱壓燒結(jié)爐100后對(duì)熱壓燒結(jié)爐100抽真空至10_3Pa級(jí)，本實(shí)施例中，對(duì)熱壓燒結(jié)爐100抽真空至5X10_3Pa。然后充入氬氣作為保護(hù)氣氛，充入氬氣直到熱壓燒結(jié)爐100內(nèi)壓力為0. 3 0. 6MPa。在保護(hù)氣氛下將熱壓燒結(jié)爐100升溫，并在如下工藝參數(shù)下對(duì)工件進(jìn)行固相擴(kuò)散連接升溫速率為10 50°C /min，連接時(shí)溫度為800 1100°C，連接時(shí)溫度的保溫時(shí)間為35 75min，軸向壓力為10 50MPa。軸向壓力的具體施加方法為上壓頭72和下壓頭74開(kāi)始對(duì)工件施加IOMPa的軸向壓力，加熱，在溫度到達(dá)300°C后慢慢增大軸向壓力，直至溫度為連接時(shí)溫度時(shí)，軸向壓力為最大值。(6)待冷卻后取出不銹鋼件30與氧化鋯陶瓷件20的復(fù)合件。上述不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法在氧化鋯陶瓷件20的表面沉積一鎳金屬層60，然后在熱壓燒結(jié)爐100中通過(guò)鉬箔40和鎳箔50作為中間介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)氧化鋯陶瓷件20與不銹鋼件30的固相擴(kuò)散連接。在氧化鋯陶瓷件20 —側(cè)施加膨脹系數(shù)較小的鉬箔40作為連接介質(zhì)，降低了不銹鋼與氧化鋯陶瓷間的熱應(yīng)力，有效防止裂紋產(chǎn)生，提高了連接強(qiáng)度；沉積在氧化鋯陶瓷件20表面的鎳金屬層60活性較大，彌補(bǔ)了鉬與氧化鋯陶瓷件反應(yīng)慢、不易連接的缺陷。而施加在不銹鋼件30 —側(cè)的鎳箔50活性較好，與不銹鋼的固熔性好，易于與不銹鋼件30連接。
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，包括以下步驟提供一不銹鋼件、一氧化鋯陶瓷件、一鉬箔及一鎳箔；在該氧化鋯陶瓷件表面沉積鎳金屬層；將氧化鋯陶瓷件、鉬箔、鎳箔及不銹鋼件放入一連接模具中，使鉬箔和鎳箔夾放在氧化鋯陶瓷件與不銹鋼件之間，并且鉬箔與氧化鋯陶瓷件上的鎳金屬層相鄰，鎳箔與不銹鋼件相鄰；將連接模具放入一熱壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下使氧化鋯陶瓷件、鉬箔、鎳箔及不銹鋼件固相擴(kuò)散連接為不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件；待冷卻后取出不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件。
2.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述固相擴(kuò)散連接是在如下工藝參數(shù)下進(jìn)行升溫速率為10 50°C /min，連接溫度為800 1100°C，連接溫度保溫時(shí)間為；35 75min，軸向壓力為10 50MPa。
3.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該鎳金屬層通過(guò)真空鍍膜方式或化學(xué)鍍膜的方式形成。
4.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該鎳金屬層的厚度為4 10 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該鉬箔的厚度均為0. 1 0. 3mm。
6.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該鎳箔的厚度均為0. 2 0. 4mm。
7.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該連接模具包括上壓頭和下壓頭，該上壓頭和下壓頭分別從兩側(cè)將放置于連接模具中的氧化鋯陶瓷件、鉬箔、鎳箔及不銹鋼件壓緊并對(duì)該氧化鋯陶瓷件、鉬箔、鎳箔及不銹鋼件施加軸向壓力。
8.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述保護(hù)氣氛為氬氣，保護(hù)氣氛的壓力為0. 3 0. 6MPa。
9.一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件，其特征在于該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件包括不銹鋼件、氧化鋯陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氧化鋯陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過(guò)渡層、鉬層、第二過(guò)渡層、鎳層及第三過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于氧化鋯陶瓷件與鉬層之間，第一過(guò)渡層主要由鎳鉬金屬間化合物、鋯鎳金屬間化合物、鎳鉬固溶體、鋯鎳固溶體組成，該第二過(guò)渡層位于鉬層與該鎳層之間，第二過(guò)渡層主要由鉬鎳固熔體及鉬鎳金屬間化合物組成，該第三過(guò)渡層位于鎳層與不銹鋼件之間，第三過(guò)渡層主要由鎳鐵金屬間化合物及鎳鐵固熔體組成。
10.如權(quán)利要求9所述的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件，其特征在于該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的不銹鋼/氧化鋯陶瓷界面的剪切強(qiáng)度為50 80MPa，抗拉強(qiáng)度為60 IOOMPa0
全文摘要
本發(fā)明提供一種不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件的制造方法，該方法主要包括在熱壓燒結(jié)爐中通過(guò)施加鉬箔和鎳箔作為連接介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)不銹鋼與氧化鋯陶瓷的固相擴(kuò)散連接。本發(fā)明還提供一種由上述制造方法制得的不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件。不銹鋼與氧化鋯通過(guò)上述制造方法連接具有較高的結(jié)合力。該不銹鋼與氧化鋯陶瓷復(fù)合件包括不銹鋼件、氧化鋯陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氧化鋯陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過(guò)渡層、鉬層、第二過(guò)渡層、鎳層及第三過(guò)渡層。
文檔編號(hào)B32B15/18GK102557707SQ2010105962
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20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