專利名稱：不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法及制得的連接件的制作方法
技術領域：
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氮化硅陶瓷的連接方法及制得的連接件。
背景技術：
不銹鋼被廣泛應用于制造工程結構(比如船舶、發(fā)動機、高壓容器等)和機械零件 (如齒輪、軸等)。然而不銹鋼存在耐磨性較差、硬度較低、抗熱沖擊性及高溫耐蝕性較低等缺點，已經很難滿足現代生產技術對材料綜合性能的進一步需求。而氮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。不銹鋼和氮化硅連接在一起制備成復合結構，對于不銹鋼在高溫環(huán)境中應用具有非常重要的意義。
由于這兩種材料的物理、化學性能差異較大，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合強度的接頭；對金屬件表面的清潔度及設備真空度要求很高；固相擴散連接及瞬間液相連接溫度要求較高，保溫時間長，導致兩者間的連接耗時、耗能；熔焊容易產生裂紋；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)明內容
有鑒于此，有必要提供一種加工時間短、可獲得較高結合強度的不銹鋼與氮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。
一種不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟
提供待連接的不銹鋼件、氮化硅陶瓷件及鋁箔；
將該鋁箔、不銹鋼件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具中，使鋁箔夾放在不銹鋼件與氮化硅陶瓷件之間；
將該石墨模具放入放電等離子體燒結設備的爐膛中，開啟直流脈沖電源，對不銹鋼及氮化硅陶瓷施加脈沖電流，并在如下連接參數下進行放電等離子體連接軸向壓力為 10 lOOMPa，溫度到達200°C前升溫速率為20 40°C /min，超過200°C以后升溫速率為 80 150°C /min，連接溫度為500 650°C，連接溫度的保溫時間為10 30分鐘，爐膛內真空度為6 101 ；
待冷卻后取出不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件。
一種不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件，該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件包括不銹鋼件、氮化硅陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氮化硅陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過渡層、鋁金屬層及第二過渡層，該第一過渡層位于該不銹鋼件與該鋁金屬層之間，該第二過渡層位于該氮化硅陶瓷件與該鋁金屬層之間，該第一過渡層由鋁鐵固熔體及鋁鐵金屬間化合物組成，該第二過渡層由鋁氮化合物、鋁硅化合物組成。
上述不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法采用一放電等離子體燒結設備(也稱脈沖電流加熱設備)對不銹鋼件與氮化硅陶瓷件施加脈沖電流及軸向壓力來實現不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接，在脈沖電流作用下，不銹鋼件與氮化硅陶瓷件的接觸縫隙之間放電產生高熱等離子體及在連接處產生局部高溫，有利于原子擴散，促進工件連接。該方法保溫時間短，能耗低，連接介質層少，對設備真空度要求較低。由該方法制得的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件具有較大的剪切強度。


圖1為本發(fā)明較佳實施例使用一放電等離子體燒結設備進行不銹鋼與氮瓷連接的原理示意圖。
圖2為本發(fā)明較佳實施例的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件的剖面示意圖。
主要元件符號說明
放電等離子體燒結設備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
負電極16
不銹鋼件20
氮化硅陶瓷件30
鋁箔40
石墨模具50
上壓頭51
下壓頭52
中模53
不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件100
連接部60
第一過渡層61
鋁金屬層62
第二過渡層具體實施方式
請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施例的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法主要通過采用一放電等離子體燒結設備10來完成，該方法主要包括如下步驟
(1)提供待連接的不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40作為連接介質。該鋁箔的厚度大約為0. 1 0. 5mm。
(2)對不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40的待連接表面進行打磨和清洗，并吹干。本實施例中可以使用400 800目的金相砂紙對不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40打磨，使不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40表面較為平整；再用盛裝有乙醇的超聲波進行振動清洗5 15分鐘，以除去不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40表面雜質及油污等，清洗后吹干備用。以下將不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔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，使鋁箔40夾放在不銹鋼件20與氮化硅陶瓷件30之間，并且用上壓頭51和下壓頭52分別從不銹鋼件20與氮化硅陶瓷件30兩側壓緊。
(5)提供一放電等離子體燒結設備10，比如可采用日本住友石炭公司生產的 SPS3. 20MK-IV型放電等離子燒結設備。該放電等離子體燒結設備10主要包括軸向壓力系統(tǒng)11，用于對燒結工件提供軸向壓力；正電極12、負電極16 ；爐膛13 ；直流脈沖電源14， 該直流脈沖電源14的正極和負極分別與正電極12和負電極16連接，以對燒結工件提供脈沖電流，使工件升溫；溫度測量單元(圖未示)及控制系統(tǒng)15等，該控制系統(tǒng)15用于控制直流脈沖電源14的電流輸出、軸向壓力系統(tǒng)11施加壓力的大小、以及升溫速率等。該直流脈沖電源脈寬比為12 2，最大電流可達5000A。
(6)將石墨模具50放入該放電等離子體燒結設備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設備10的正電極12和負電極16對準并進行電連接，爐膛13抽真空至真空度為6 10Pa，開啟直流脈沖電源14，在如下工藝參數下對工件進行放電等離子體連接軸向壓力為10 lOOMPa，溫度到達200°C前的升溫速率為20 400C /min,超過200°C以后升溫速率為80 150°C /min,當溫度到達連接溫度500 650°C 時，保持該溫度范圍約10 30分鐘時長。軸向壓力的具體施加方法為在溫度到達200°C 時，通過上壓頭51和下壓頭52開始對工件施加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散；在連接溫度的保溫時間控制在10 30分鐘范圍內時，各接觸界面間形成的擴散過渡層厚度對應的連接強度最大；保溫時間過長時(即大于30分鐘)，不利于節(jié)約能源，如果保溫時間過短(即小于10分鐘)，則工件之間擴散不充分，難以形成明顯的擴散過渡層，使工件之間難以形成良好的連接。
(7)待冷卻后取出不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件。
上述不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法通過采用放電等離子體燒結設備10(也稱脈沖電流加熱設備)，對不銹鋼件20與氮化硅陶瓷件30施加脈沖電流，以在不銹鋼件20與氮化硅陶瓷件30的接觸縫隙之間放電產生高熱等離子體，等離子體清潔并活化工件的表面，因而可提高工件表面的原子擴散能力，防止接頭中摻入氧化物產生不良影響，而且降低了對設備真空度和工件表面清潔度的要求。
在受脈沖電流作用下，不銹鋼件20、氮化硅陶瓷件30及鋁箔40產生自發(fā)熱及局部放電熱，連接介質鋁箔40軟化后釋放出鋁原子，鋁原子迅速擴散到不銹鋼件20和氮化硅陶瓷件30表面，并與不銹鋼件20和氮化硅陶瓷件30發(fā)生物理、化學反應，由此在不銹鋼/氮化硅陶瓷界面形成新的物相結構，該新的物相結構可緩解氮化硅陶瓷/不銹鋼界面的內應力，有利于促進氮化硅陶瓷/不銹鋼界面的擴散結合，加之在軸向壓力作用下，工件間接觸5面積不斷增大，最終達到緊密接觸而連接在一起。
上述不銹鋼與氮化硅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氮化硅陶瓷的連接件100，包括該不銹鋼件20、該氮化硅陶瓷件kg 30及連接該不銹鋼件20與該氮化硅陶瓷件30的連接部60。 該連接部60包括一第一過渡層61、一鋁金屬層62及一第二過渡層63。該第一過渡層61 位于該不銹鋼件20與該鋁金屬層62之間，該第一過渡層61主要由鋁鐵固熔體及鋁鐵金屬間化合物(如 ^Α ;3)組成。該第二過渡層63位于該氮化硅陶瓷件30與該鋁金屬層62 之間，該第二過渡層63主要由鋁氮化合物及鋁硅化合物組成。該第一過渡層61的厚度大約為20 30 μ m,第二過渡層63的厚度大約為10 20 μ m。該鋁金屬層62的厚度大約為 0. 08 0. 48mm。
該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件100的連接部60平整均勻，無裂縫，無孔隙。經檢測，該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件100的不銹鋼/氮化硅陶瓷界面的剪切強度大約為 30 60MPao
權利要求
1.一種不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供待連接的不銹鋼件、氮化硅陶瓷件及鋁箔；將該鋁箔、不銹鋼件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具中，使鋁箔夾放在不銹鋼件與氮化硅陶瓷件之間；將該石墨模具放入放電等離子體燒結設備的爐膛中，開啟直流脈沖電源，對不銹鋼及氮化硅陶瓷施加脈沖電流，并在如下連接參數下進行放電等離子體連接軸向壓力為10 lOOMPa，溫度到達200°C前升溫速率為20 40°C /min，超過200°C以后升溫速率為80 1500C /min，連接溫度為500 650°C，連接溫度的保溫時間為10 30分鐘，爐膛內真空度為6 IOPa ；待冷卻后取出不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件。
2.如權利要求1所述的不銹鋼與氮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，所述鋁箔、不銹鋼件及氮化硅陶瓷件放置于該中模內，該上壓頭和下壓頭分別從不銹鋼件和氮化硅陶瓷件兩側壓緊，并通過該上壓頭和下壓頭對鋁箔、 不銹鋼件及氮化硅陶瓷件施加軸向壓力。
3.如權利要求2所述的不銹鋼與氮化娃陶瓷的連接方法，其特征在于該放電等離子體燒結設備包括正、負電極，所述上壓頭和下壓頭分別與該正電極和負電極對準，并進行電連接。
4.如權利要求2所述的不銹鋼與氮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200°C時，通過上壓頭和下壓頭開始對不銹鋼件和氮化硅陶瓷件施加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軸向壓力到達最大值。
5.如權利要求1所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述鋁箔的厚度為0. 1 0. 5mm。
6.如權利要求1所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，其特征在于該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法還包括將該鋁箔、不銹鋼件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具之前，對該不銹鋼件、氮化硅陶瓷件及鋁箔的待連接表面進行打磨和清洗的步驟。
7.如權利要求6所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，其特征在于所述打磨是使用400 800目的金相砂紙對鋁箔、不銹鋼件及氮化硅陶瓷件打磨；所述清洗是指用盛裝有乙醇的超聲波進行振動清洗。
8.一種不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件，其特征在于該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件包括不銹鋼件、氮化硅陶瓷件及連接該不銹鋼件與該氮化硅陶瓷件的連接部，該連接部包括第一過渡層、鋁金屬層及第二過渡層，該第一過渡層位于該不銹鋼件與該鋁金屬層之間， 該第二過渡層位于該氮化硅陶瓷件與該鋁金屬層之間，該第一過渡層由鋁鐵固熔體及鋁鐵金屬間化合物組成，該第二過渡層由鋁氮化合物、鋁硅化合物組成。
9.如權利要求8所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件，其特征在于該第一過渡層的厚度為20 30 μ m,該第二過渡層的厚度為10 20 μ m。
10.如權利要求8所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件，其特征在于該鋁金屬層的厚度為 0. 08 0. 48mm。
11.如權利要求8所述的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件，其特征在于該不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件的不銹鋼/氮化硅陶瓷界面的剪切強度為30 60MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接方法，該方法主要采用放電等離子體燒結設備對不銹鋼、氮化硅陶瓷及鋁箔活性中間層施加脈沖電流而進行放電等離子體連接，放電等離子體連接的工藝參數為軸向壓力為20～50MPa，溫度到達300℃前升溫速率為20℃/min，超過300℃以后升溫速率為80～150℃/min，連接溫度為800～1100℃，保溫時間為10～30分鐘，爐膛內真空度為6～10Pa。本發(fā)明還提供一種上述連接方法制得的不銹鋼與氮化硅陶瓷的連接件。
文檔編號C04B37/02GK102476954SQ20101055380
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權日2010年11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