專利名稱：錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種金屬與陶瓷的復(fù)合件及其制造方法，尤其涉及一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件及其制造方法。
背景技術(shù)：
錫青銅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，錫青銅的耐腐蝕性、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)ー步需求。而碳化硅陶瓷具有硬度高、高溫抗腐蝕、耐磨損、抗沖蝕等優(yōu)點。因此，錫青銅和碳化硅陶瓷連接在一起制備成復(fù)合結(jié)構(gòu)，對于錫青銅在惡劣環(huán)境中應(yīng)用具有非常重要的意義。目前，實現(xiàn)錫青銅與碳化硅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)カ上作用有限，錫青銅與碳化硅陶瓷的結(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，有必要提供ー種易于實現(xiàn)的、可獲得較高連接強(qiáng)度的錫青銅與碳化硅陶瓷復(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。一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件，該錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件包括一錫青銅件、一碳化硅陶瓷件及連接該錫青銅件與該碳化硅陶瓷件的連接層，該連接層包括一第一過渡層、一鋁層、一第二過渡層、一鎳層及一第三過渡層，該第一過渡層位于碳化硅陶瓷件與鋁層之間，第一過渡層主要由鋁碳化合物及硅鋁化合物組成，該第二過渡層位于鋁層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成，該第三過渡層位于鎳層與錫青銅件之間，第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，包括以下步驟提供一錫青銅件、ー碳化硅陶瓷件、一鋁箔及ー鎳箔；對該碳化硅陶瓷件、錫青銅件、鋁箔及鎳箔分別進(jìn)行打磨和清洗；將碳化硅陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件放入一連接模具中，使鋁箔和鎳箔夾放在碳化硅陶瓷件與錫青銅件之間，并且鋁箔與碳化硅陶瓷件相鄰，鎳箔與錫青銅件相鄰；將連接模具放入ー熱壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行固相擴(kuò)散連接；待冷卻后取出錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件。上述錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法在熱壓燒結(jié)爐中通過施加鋁箔和鎳箔作為中間介質(zhì)層，實現(xiàn)碳化硅陶瓷件與錫青銅件的固相擴(kuò)散連接。在碳化硅陶瓷件ー側(cè)施加膨脹系數(shù)與碳化硅陶瓷相近的鋁箔作為連接介質(zhì)，鋁與碳化硅陶瓷較容易發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，在錫青銅一側(cè)施加熱膨脹系數(shù)與錫青銅相近的鎳箔作為連接介質(zhì)，且鎳的膨脹系數(shù)介于錫青銅與鋁之間，同時鎳與鋁能實現(xiàn)良好結(jié)合；如此，碳化硅陶瓷、鋁、鎳、錫青銅的熱膨脹系數(shù)逐漸増大，形成了碳化硅陶瓷至錫青銅的階梯式變化，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，不會造成結(jié)合強(qiáng)度下降。


圖ι為本發(fā)明較佳實施例的錫1 銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的剖面示意圖。
圖2為制造圖1所示的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的設(shè)備示意圖。
主要元件符號說明
錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件10
碳化硅陶瓷件20
錫青銅件30
鋁箔40
鎳箔50
連接模具70
上壓頭72
下壓頭74
中模76
連接層80
第一過渡層81
82
第二過渡層83
鎳層84
第三過渡層85
熱壓燒結(jié)爐100
具體實施例方式圖1所示本發(fā)明較佳實施例的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件10剖面示意圖。錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件10包括該碳化硅陶瓷件20、該錫青銅件30及連接該錫青銅件30與該碳化硅陶瓷件20的連接層80。該連接層80包括一第一過渡層81、ー鋁層82、一第二過渡層83、ー鎳層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與鋁層82 之間。第一過渡層81主要由鋁碳化合物及硅鋁化合物組成，如碳化鋁等。該第二過渡層83 位于鋁層82與該鎳層84之間，其為鋁層82與鎳層84連接的過渡層。第二過渡層83主要由鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成。該第三過渡層85位于鎳層84與錫青銅件30之間，其為鎳層84與錫青銅件30連接的過渡層。第三過渡層85主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。因為錫青銅中含有原子百分含量不高于10%的錫(Sn)，因此第三過渡層85還包括鎳錫化合物及鎳錫固溶體。該錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件10的連接層80致密均勻，無裂縫，無孔隙。經(jīng)測試， 該錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件10的錫青銅/碳化硅陶瓷界面的剪切強(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)提供待連接的碳化硅陶瓷件20和錫青銅件30，同時提供鋁箔40和鎳箔50作為連接介質(zhì)。該鋁箔40的厚度大約為0. 1 0. 5mm，鎳箔50的厚度大約為0. 1 0. 5mm。(2)對碳化硅陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50分別進(jìn)行打磨、清洗，井吹干。本實施例用金剛石砂紙打磨碳化硅陶瓷件20，用碳化硅砂紙對錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50進(jìn)行打磨，使碳化硅陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50表面較為平整。碳化硅陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50放入盛裝有乙醇溶液的超聲波清洗器中進(jìn)行振動清洗5 15分鐘，以除去碳化硅陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50表面雜質(zhì)及油污等。清洗后吹干備用。(3)將碳化硅陶瓷件20、鋁箔40、鎳箔50、錫青銅件30依序?qū)盈B放置于放入ー連接模具70中，使鋁箔40和鎳箔50位于碳化硅陶瓷件20與錫青銅件30之間，并且鋁箔40 與碳化硅陶瓷件20相鄰，鎳箔50與錫青銅件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具有ー模腔(圖未標(biāo))，用于容置待連接エ件。該上壓頭72和下壓頭74分別從兩端將放置于模腔中的エ件壓緊。該連接模具70可以為石墨材料制成。(4)將連接模具70放入ー熱壓燒結(jié)爐100中，在保護(hù)氣氛下使エ件進(jìn)行固相擴(kuò)散連接。連接模具70放入熱壓燒結(jié)爐100后對熱壓燒結(jié)爐100抽真空至10’a級，本實施例中，對熱壓燒結(jié)爐100抽真空至5 X IO-3Pa0然后充入氬氣作為保護(hù)氣氛，充入氬氣直至熱壓燒結(jié)爐100內(nèi)壓カ為0. 3 0. 6MPa。在保護(hù)氣氛下將熱壓燒結(jié)爐100升溫，并在如下エ藝參數(shù)下對エ件進(jìn)行固相擴(kuò)散連接升溫速率為1 20°C /min，連接時溫度為680 980°C， 連接時溫度的保溫時間為40 80min，軸向壓カ為10 50MPa。軸向壓力的具體施加方法為上壓頭72和下壓頭74開始對エ件施加IOMPa的軸向壓力，加熱，在溫度到達(dá)300°C后慢慢増大軸向壓力，直至溫度為連接時溫度時，軸向壓カ為最大值。(5)待冷卻后取出錫青銅件30與碳化硅陶瓷件20的復(fù)合件。上述錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法在熱壓燒結(jié)爐100中通過鋁箔40和鎳箔50作為中間介質(zhì)層，實現(xiàn)碳化硅陶瓷件20與錫青銅件30的固相擴(kuò)散連接。在碳化硅陶瓷件一側(cè)施加膨脹系數(shù)與碳化硅陶瓷相近的鋁箔作為連接介質(zhì)，鋁與碳化硅陶瓷較容易發(fā)生反應(yīng)結(jié)合，在錫青銅一側(cè)施加熱膨脹系數(shù)與錫青銅相近的鎳箔作為連接介質(zhì)，且鎳的膨脹系數(shù)介于錫青銅與鋁之間，同時鋁與鎳能實現(xiàn)良好結(jié)合；如此，碳化硅陶瓷、鋁、鎳、錫青銅的熱膨脹系數(shù)逐漸増大，形成了碳化硅陶瓷至錫青銅熱膨脹系數(shù)的階梯式變化，有效降低了熱應(yīng)カ提高結(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(qiáng)度下降。
權(quán)利要求
1.一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，包括以下步驟提供一錫青銅件、ー碳化硅陶瓷件、一鋁箔及ー鎳箔；將碳化硅陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件放入一連接模具中，使鋁箔和鎳箔夾放在碳化硅陶瓷件與錫青銅件之間，并且鋁箔與碳化硅陶瓷件相鄰，鎳箔與錫青銅件相鄰；將連接模具放入ー熱壓燒結(jié)爐中，在保護(hù)氣氛下使碳化硅陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件連接為錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件；待冷卻后取出錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件。
2.如權(quán)利要求1所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述連接模具放入熱壓燒結(jié)爐后，對熱壓燒結(jié)爐抽真空至10-3 級，然后充入氬氣作為保護(hù)氣氛， 充入氬氣后熱壓燒結(jié)爐內(nèi)壓カ為0. 3 0. 6MPa，并在保護(hù)氣氛下將熱壓燒結(jié)爐升溫。
3.如權(quán)利要求2所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述固相擴(kuò)散連接是在如下エ藝參數(shù)下進(jìn)行升溫速率為1 20°C /min，連接時溫度為680 980°C，連接時溫度的保溫時間為40 80min，軸向壓カ為10 50MPa。
4.如權(quán)利要求1所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述鋁箔的厚度為0. 1 0. 5mm。
5.如權(quán)利要求1所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述鎳箔的厚度為0. 1 0. 5mm。
6.如權(quán)利要求1所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于該連接模具包括一上壓頭和一下壓頭，該上壓頭和下壓頭分別從兩端將放置于連接模具中的碳化硅陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件壓緊并對該碳化硅陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件施加軸向壓力。
7.如權(quán)利要求1所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，其特征在于所述打磨和清洗步驟是指用金剛石砂紙打磨碳化硅陶瓷件，用碳化硅砂紙對錫青銅件、鋁箔和鎳箔進(jìn)行打磨，再用盛裝有乙醇的超聲波清洗器進(jìn)行振動清洗5 15分鐘。
8.一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件，該錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件包括一錫青銅件、 一碳化硅陶瓷件及連接該錫青銅件與該碳化硅陶瓷件的連接層，其特征在于該連接層包括一第一過渡層、一鋁層、一第二過渡層、一鎳層及一第三過渡層，該第一過渡層位于碳化硅陶瓷件與鋁層之間，第一過渡層主要由鋁碳化合物及硅鋁化合物組成，該第二過渡層位于鋁層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成，該第三過渡層位于鎳層與錫青銅件之間，第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。
9.如權(quán)利要求8所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件，其特征在于該錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的錫青銅/碳化硅陶瓷界面的剪切強(qiáng)度為50 80MPa，抗拉強(qiáng)度為60 1OOMPa。
10.如權(quán)利要求8所述的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件，其特征在于該第三過渡層還包括鎳錫化合物及鎳錫固溶體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件的制造方法，該方法主要包括在熱壓燒結(jié)爐中通過施加鋁箔和鎳箔作為連接介質(zhì)層，實現(xiàn)錫青銅與碳化硅陶瓷的固相擴(kuò)散連接。本發(fā)明還提供一種由上述制造方法制得的錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件。錫青銅與碳化硅通過上述制造方法連接具有較高的結(jié)合力。錫青銅與碳化硅陶瓷復(fù)合件包括一錫青銅件、一碳化硅陶瓷件及連接該錫青銅件與該碳化硅陶瓷件的連接層，該連接層包括一第一過渡層、一鋁層、一第二過渡層、一鎳層及一第三過渡層。
文檔編號B32B15/04GK102557706SQ2010105874
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14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