專利名稱：不銹鋼與氧化鋁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，尤其涉及一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法及制得的連接件。
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，當(dāng)在高溫、腐蝕性等較為惡劣的環(huán)境下使用時，不銹鋼的耐腐蝕性、耐磨性、抗沖蝕性、耐高溫性能等已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步需求。而氧化鋁陶瓷具有硬度高、高溫抗腐蝕、耐磨損、抗沖蝕等優(yōu)點，因此，不銹鋼和氧化鋁連接在一起制備成復(fù)合結(jié)構(gòu)，對于不銹鋼在惡劣環(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(qiáng)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(kuò)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，因此難于釬焊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短、可獲得較高結(jié)合強(qiáng)度的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法。另外，還有必要提供一種由上述連接方法制得的連接件。一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供一待連接的不銹鋼、一氧化鋁陶瓷及一鎳箔；對該鎳箔、不銹鋼及氧化鋁陶瓷的待連接表面進(jìn)行打磨、清洗并吹干；提供一石墨模具，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模；將該鎳箔、不銹鋼及氧化鋁陶瓷放入石墨模具中，使鎳箔夾放在不銹鋼與氧化鋁陶瓷之間，并且用所述上、下壓頭壓緊；將該石墨模具放入一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，開啟直流脈沖電源，以對不銹鋼及氧化鋁陶瓷施加脈沖電流而進(jìn)行放電等離子體連接，設(shè)置工藝參數(shù)為軸向壓力為20 60MPa，升溫速率為50 300°C /min，連接溫度為950 1150°C，保溫時間為20 40分鐘，爐膛內(nèi)的真空度為6 101 ；待冷卻后取出不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件。一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，該不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件包括一不銹鋼件、一氧化鋁陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氧化鋁陶瓷件的連接部，該連接部包括一第一過渡層、一鎳金屬層及一第二過渡層，該第一過渡層位于該不銹鋼件與該鎳金屬層之間， 該第一過渡層主要由鎳與鐵的固熔體及鎳鐵金屬間化合物組成，該第二過渡層位于該氧化鋁陶瓷件與該鎳金屬層之間，該第二過渡層主要由鎳氧化合物及鎳鋁化合物組成。相較于現(xiàn)有技術(shù)，上述不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法通過采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備(或者稱脈沖電流加熱設(shè)備)對不銹鋼件與氧化鋁陶瓷件施加脈沖電流及壓力來實現(xiàn)不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接，保溫時間短，能耗低，對設(shè)備真空度要求較低。由該方法制得的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件具有較大的剪切強(qiáng)度。


圖1為本發(fā)明較佳實施例使用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行不銹鋼與氧化鋁陶瓷連接的示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實施例的不銹鋼與氧化鋁陶瓷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
正、負(fù)電極12
爐膛13
直流脈沖電源14
控制系統(tǒng)15
不銹鋼件20
氧化鋁陶瓷件30
鎳箔40
石墨模具50
上壓頭51
下壓頭52
中模53
不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件100
連接部60
第一過渡層61
鎳金屬層62
第二過渡層6具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施例的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法主要通過采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10來完成，該方法主要包括如下步驟(1)提供一待連接的不銹鋼件20、一氧化鋁陶瓷件30及一鎳箔40作為連接介質(zhì)。 該鎳箔的厚度大約為0. 1 0. 4mm，其較佳厚度為0. 2 0. 3mm。(2)對鎳箔40及不銹鋼件20和氧化鋁陶瓷件30的待連接表面進(jìn)行打磨和清洗， 并吹干。本實施例中可以使用400 800目的金相砂紙對活性中間層40、不銹鋼件20及氧化鋁陶瓷件30打磨，以初步去除表面氧化膜；然后用稀鹽酸或稀硫酸溶液進(jìn)行清洗；酸清洗后用水沖洗并吹干。以下將鎳箔40、不銹鋼件20及氧化鋁陶瓷件30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中，使鎳箔40夾放在不銹鋼件20與氧化鋁陶瓷件30 之間，并且用上壓頭51和下壓頭52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，用于對燒結(jié)工件提供軸向壓力；正、負(fù)電極12 ；爐膛13 ；直流脈沖電源14，用于對燒結(jié)工件提供脈沖電流，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對準(zhǔn)連接，爐膛13抽真空至真空度為6 10Pa，開啟直流脈沖電源14，設(shè)置如下工藝參數(shù)對工件進(jìn)行放電等離子體連接軸向壓力為20 60MPa，升溫速率為50 300°C /min ；當(dāng)溫度為950 1150°C時，保持該溫度范圍約20 40分鐘時長，該溫度即為連接溫度，此時對應(yīng)施加的直流脈沖電流強(qiáng)度大約為3000 4000A。所述軸向壓力較佳為30 50MPa，升溫速率較佳為60 200°C / min，連接溫度較佳為1000 1100°C，保溫時間較佳為25 ；35分鐘。(7)待冷卻后取出不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件。上述不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10 (或者稱脈沖電流加熱設(shè)備)，在該放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10的脈沖電流作用下，在不銹鋼件20與氧化鋁陶瓷件30的接觸縫隙之間放電產(chǎn)生高熱等離子體，該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，不銹鋼件20、氧化鋁陶瓷件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)散到不銹鋼件20和氧化鋁陶瓷件30表面，并與不銹鋼件20和氧化鋁陶瓷件30發(fā)生一物理、化學(xué)反應(yīng)，比如M原子會與氧化鋁陶瓷件30中的氧結(jié)合形成鎳氧化合物，同時會與鋁形成鎳鋁化合物，還會與氧化鋁陶瓷件30反應(yīng)形成固溶體等，由此在不銹鋼/氧化鋁陶瓷界面形成新的物相結(jié)構(gòu)，該新的物相結(jié)構(gòu)可緩解氧化鋁陶瓷/不銹鋼界面的內(nèi)應(yīng)力，有利于促進(jìn)氧化鋁陶瓷/不銹鋼界面的擴(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。上述不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法保溫時間短，能耗低，對爐膛真空度要求較低。圖2所示為由上述連接方法制得的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件100，包括該不銹鋼件20、該氧化鋁陶瓷件30及連接該不銹鋼件20與該氧化鋁陶瓷件30的連接部60。 該連接部60包括一第一過渡層61、一鎳金屬層62及一第二過渡層63。該第一過渡層61 位于該不銹鋼件20與該鎳金屬層62之間，該第一過渡層61主要由鎳與鐵的固熔體、鎳鐵金屬間化合物及少量的鎳鉻金屬間化合物組成。該第二過渡層63位于該氧化鋁陶瓷件30 與該鎳金屬層62之間，該第二過渡層63主要由鎳氧化合物、鎳鋁化合物及極少量的鎳鋁固熔體組成。該第一過渡層61及第二過渡層63的厚度大約均為5 30 μ m，較佳地為10 20 μ m0
該不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件100的連接部60致密均勻，無裂縫，無孔隙。經(jīng)檢測，該不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件100的不銹鋼/氧化鋁陶瓷界面的剪切強(qiáng)度可達(dá)80 150MPao
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供一待連接的不銹鋼、一氧化鋁陶瓷及一鎳箔；對該鎳箔、不銹鋼及氧化鋁陶瓷的待連接表面進(jìn)行打磨、清洗并吹干；提供一石墨模具，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模；將該鎳箔、不銹鋼及氧化鋁陶瓷放入石墨模具中，使鎳箔夾放在不銹鋼與氧化鋁陶瓷之間，并且用所述上、下壓頭壓緊；將該石墨模具放入一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備的爐膛中，開啟直流脈沖電源，以對不銹鋼及氧化鋁陶瓷施加脈沖電流而進(jìn)行放電等離子體連接，設(shè)置工藝參數(shù)為軸向壓力為 20 60MPa，升溫速率為50 300°C /min，連接溫度為950 1150°C，保溫時間為20 40 分鐘，爐膛內(nèi)的真空度為6 10 ；待冷卻后取出不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件。
2.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述軸向壓力為 30 50MPa。
3.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述升溫速率為 60 200 0C /min ο
4.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述連接溫度為1000 1100°C，保溫時間為25 ；35分鐘。
5.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述鎳箔的厚度為0. 1 0. 4mm。
6.如權(quán)利要求1所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于該放電等離子體燒結(jié)設(shè)備包括有正、負(fù)電極，所述上壓頭和下壓頭分別與該正、負(fù)電極對準(zhǔn)連接。
7.一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件包括一不銹鋼件、一氧化鋁陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氧化鋁陶瓷件的連接部，該連接部包括一第一過渡層、一鎳金屬層及一第二過渡層，該第一過渡層位于該不銹鋼件與該鎳金屬層之間，該第一過渡層主要由鎳與鐵的固熔體及鎳鐵金屬間化合物組成，該第二過渡層位于該氧化鋁陶瓷件與該鎳金屬層之間，該第二過渡層主要由鎳氧化合物及鎳鋁化合物組成。
8.如權(quán)利要求7所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第一過渡層還包含有鎳鉻金屬間化合物。
9.如權(quán)利要求7所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第二過渡層還包含有鎳鋁固熔體。
10.如權(quán)利要求7所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第一過渡層和第二過渡層的厚度均為5 30 μ m。
11.如權(quán)利要求10所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第一過渡層和第二過渡層的厚度均為10 20 μ m。
12.如權(quán)利要求7所述的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件的不銹鋼/氧化鋁陶瓷界面的剪切強(qiáng)度為80 150MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接方法，該方法主要采用放電等離子體燒結(jié)設(shè)備對不銹鋼、氧化鋁陶瓷及鎳箔活性中間層進(jìn)行施加脈沖電流而進(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10～50MPa，升溫速率為50～600℃/min，連接溫度為800～1100℃，保溫時間為10～50分鐘，真空腔內(nèi)的真空度為6～10Pa。本發(fā)明還提供一種上述連接方法制得的不銹鋼與氧化鋁陶瓷的連接件。
文檔編號B23K10/02GK102335793SQ201010233919
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22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