碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬與陶瓷的連接方法，尤其涉及一種碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(mǎn)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。而氧化鋯陶瓷具有硬度高、高溫抗腐蝕、耐磨損、抗熱沖擊等優(yōu)點(diǎn)。碳鋼和氧化錯(cuò)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。
[0003]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】

[0004]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)度的碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法。
[0005]—種碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法，包括以下步驟:
[0006]提供一待連接的碳鋼、一氧化錯(cuò)陶瓷及一厚度為0.1?0.5mm的鈦箔；
[0007]對(duì)該鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷的待連接表面進(jìn)行打磨、清洗并吹干，所述打磨是使用400?800目的金相砂紙對(duì)鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷打磨;所述清洗指用稀鹽酸或稀硫酸溶液進(jìn)行清洗；
[0008]提供一石墨模具，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模；
[0009]將該鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷放入石墨模具中，使鈦箔夾放在碳鋼與氧化鋯陶瓷之間，并且用所述上、下壓頭壓緊；
[0010]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，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(duì)準(zhǔn)連，開(kāi)啟直流脈沖電源，以對(duì)碳鋼及氧化鋯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10?50MPa，升溫速率為升溫速率為50?600°C/min，所述連接溫度為時(shí)850?1050°C，保溫時(shí)間較佳為10?30分鐘，對(duì)應(yīng)施加的脈沖電流強(qiáng)度為600?4000A;
[0011 ]待冷卻后取出碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件，該碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件包括一碳鋼件、一氧化鋯陶瓷件及連接該碳鋼件與該氧化鋯陶瓷件的連接部，該連接部包括一第一過(guò)渡層、一鈦金屬層及一第二過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于該碳鋼件與該鈦金屬層之間，該第一過(guò)渡層位于該氧化鋯陶瓷件與該鈦金屬層之間，該第一過(guò)渡層由鈦與鐵的固熔體及鈦鐵金屬間化合物組成，該第二過(guò)渡層主要由鈦氧化合物、鈦鋯化合物組成。
[0012]相較于現(xiàn)有技術(shù)，上述碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備(或者稱(chēng)脈沖電流加熱設(shè)備)對(duì)碳鋼件與氧化鋯陶瓷件施加脈沖電流及壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接，保溫時(shí)間短，能耗低，對(duì)設(shè)備真空度要求較低。由該方法制得的碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件具有較大的剪切強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0013]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)行碳鋼與氧化鋯陶瓷連接的示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件的剖面示意圖。
[0015]主要元件符號(hào)說(shuō)明
[0016]放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10
[0017]軸向壓力系統(tǒng)11
[0018]電極12
[0019]爐膛13
[0020]直流脈沖電源14
[0021]控制系統(tǒng)15
[0022]碳鋼件20
[0023]氧化鋯陶瓷件30
[0024]活性中間層40
[0025]石墨模具50
[0026]上壓頭51
[0027]下壓頭52
[0028]中模53
[0029]碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件100
[0030]連接部60
[0031]第一過(guò)渡層61
[0032]鈦金屬層62
[0033]第二過(guò)渡層63
【具體實(shí)施方式】
[0034]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明較佳實(shí)施例的碳鋼與氧化鋯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:
[0035](I)提供一待連接的碳鋼件20、一氧化鋯陶瓷件30及一活性中間層40。該活性中間層40為鈦箔，其厚度大約為0.1?0.5mm，較佳厚度為0.2?0.3mm。
[0036](2)對(duì)活性中間層40及碳鋼件20和氧化鋯陶瓷件30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)活性中間層40、碳鋼件20及氧化鋯陶瓷件30打磨;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。以下將活性中間層40、碳鋼件20及氧化鋯陶瓷件30統(tǒng)稱(chēng)為工件。
[0037](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。
[0038](4)將工件放入石墨模具50中，使活性中間層40夾放在碳鋼件20與氧化鋯陶瓷件30之間，并且用上壓頭51和下壓頭52壓緊。
[0039](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-1V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、負(fù)電極12;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。
[0040](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，設(shè)置如下工藝參數(shù)對(duì)工件進(jìn)行放電等離子體連接:軸向壓力為10?50MPa，升溫速率為50?600°C/min;當(dāng)溫度為800?1100°C時(shí)，保持該溫度范圍約10?50分鐘時(shí)長(zhǎng)，該溫度即為連接溫度，此時(shí)對(duì)應(yīng)施加的脈沖電流強(qiáng)度大約為2500?4500A。其中所施加的軸向壓力可根據(jù)氧化鋯陶瓷件30的大小、厚度進(jìn)行具體調(diào)整。所述升溫速率較佳為50?3000C/min，連接溫度較佳為850?1050 °C，保溫時(shí)間較佳為10?30分鐘，脈沖電流強(qiáng)度較佳為600?4000A。
[0041 ] (7)待冷卻后取出碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件。
[0042]上述碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法通過(guò)采用一放電等離子體燒結(jié)設(shè)備10(或者稱(chēng)脈沖電流加熱設(shè)備)，對(duì)碳鋼件20與氧化鋯陶瓷件30施加脈沖電流，以在碳鋼件20與氧化鋯陶瓷件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。
[0043]在受脈沖電流作用下，碳鋼件20、氧化鋯陶瓷件30及活性中間層40鈦箔產(chǎn)生自發(fā)熱及局部放電熱，鈦箔的活化溫度低于碳鋼件20和氧化鋯陶瓷件30的軟化溫度，鈦箔首先活化釋放出Ti原子，Ti原子迅速擴(kuò)散到碳鋼件20和氧化鋯陶瓷件30表面，并與碳鋼件20和氧化鋯陶瓷件30發(fā)生一物理、化學(xué)反應(yīng)，比如Ti原子的奪氧能力較強(qiáng)，會(huì)從氧化鋯陶瓷件30中奪取氧，形成鈦氧化合物，同時(shí)會(huì)與鋯形成鈦鋯化合物，還會(huì)與氧化鋯陶瓷件30反應(yīng)形成固熔體等，由此在碳鋼/氧化鋯陶瓷界面形成新的物相結(jié)構(gòu)，該新的物相結(jié)構(gòu)有利于促進(jìn)氧化鋯陶瓷/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。
[0044]上述碳鋼與氧化鋯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。
[0045]圖2所示為由上述連接方法制得的碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件100，包括該碳鋼件20、該氧化鋯陶瓷件30及連接該碳鋼件20與該氧化鋯陶瓷件30的連接部60。該連接部60包括一第一過(guò)渡層61、一鈦金屬層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與該鈦金屬層62之間，該第一過(guò)渡層61主要由鈦與鐵的固熔體及鈦鐵金屬間化合物組成。該第二過(guò)渡層63位于該氧化鋯陶瓷件30與該鈦金屬層62之間，該第二過(guò)渡層63主要由鈦氧化合物、鈦鋯化合物及極少量的鈦鋯固熔體組成。該第一過(guò)渡層61及第二過(guò)渡層63的厚度大約均為5?30μηι，較佳地為1?20μηι。
[0046]該碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件100的連接部60平整均勻，無(wú)裂縫，無(wú)孔隙。經(jīng)檢測(cè)，該碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件100的碳鋼/氧化鋯陶瓷界面的剪切強(qiáng)度可達(dá)80?150MPa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法，包括以下步驟: 提供一待連接的碳鋼、一氧化錯(cuò)陶瓷及一厚度為0.1?0.5mm的鈦箔； 對(duì)該鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷的待連接表面進(jìn)行打磨、清洗并吹干，所述打磨是使用400?800目的金相砂紙對(duì)鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷打磨;所述清洗指用稀鹽酸或稀硫酸溶液進(jìn)行清洗； 提供一石墨模具，該模具包括上壓頭、下壓頭及中模； 將該鈦箔、碳鋼及氧化鋯陶瓷放入石墨模具中，使鈦箔夾放在碳鋼與氧化鋯陶瓷之間，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，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(duì)準(zhǔn)連，開(kāi)啟直流脈沖電源，以對(duì)碳鋼及氧化鋯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10?50MPa，升溫速率為升溫速率為50?600°C/min，所述連接溫度為時(shí)850?1050°C，保溫時(shí)間較佳為10?30分鐘，對(duì)應(yīng)施加的脈沖電流強(qiáng)度為600?4000A; 待冷卻后取出碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件，該碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件包括一碳鋼件、一氧化鋯陶瓷件及連接該碳鋼件與該氧化鋯陶瓷件的連接部，該連接部包括一第一過(guò)渡層、一鈦金屬層及一第二過(guò)渡層，該第一過(guò)渡層位于該碳鋼件與該鈦金屬層之間，該第一過(guò)渡層位于該氧化鋯陶瓷件與該鈦金屬層之間，該第一過(guò)渡層由鈦與鐵的固熔體及鈦鐵金屬間化合物組成，該第二過(guò)渡層主要由鈦氧化合物、鈦鋯化合物組成。2.如權(quán)利要求1所述的碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法，其特征在于:所述溫度為800?1100°C時(shí)，對(duì)應(yīng)施加的脈沖電流強(qiáng)度為2500?4500A。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接方法，該方法主要采用放電等離子體燒結(jié)設(shè)備對(duì)碳鋼、氧化鋯陶瓷及鈦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10～50MPa，升溫速率為50～600℃/min，連接溫度為800～1100℃，保溫時(shí)間為10～50分鐘，爐腔內(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碳鋼與氧化鋯陶瓷的連接件。
【IPC分類(lèi)】C04B37/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105712731
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610012904
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】九尊城網(wǎng)絡(luò)科技（深圳）有限公司