专利名称：不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法及制得的连接件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属与陶瓷的连接方法及制得的连接件，尤其涉及一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法及制得的连接件。
背景技术：
不锈钢在常温下具有较好的耐腐蚀性能，被广泛应用于制造各种工程结构和机械零件。然而，当在高温、腐蚀性等较为恶劣的环境下使用时，不锈钢的耐腐蚀性、耐磨性、抗冲蚀性、耐高温性能等已经很难满足现代生产技术的进一步需求。而碳化钛陶瓷具有硬度高、高温抗腐蚀、耐磨损、抗冲蚀等优点，因此，不锈钢和碳化钛陶瓷连接在一起制备成复合结构，对于不锈钢在恶劣环境中应用具有非常重要的意义。目前，实现不锈钢与碳化钛陶瓷的连接主要是在两者间添加中间单层或多层金属层，在高温下实现两者的扩散连接。采用单层金属层难于形成热膨胀系数的阶梯式变化，在降低热应力上作用有限，不锈钢与碳化钛陶瓷的结合力欠佳。而目前采用的多层金属层更注重中间金属层的活性和相互间的反应，未能充分考虑到热膨胀系数要形成阶梯式变换， 不能大幅降低热应力。另外，采用三层以上的中间金属层还会造成中间金属层的制备难度加大，增加成本。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种易于实现的、可获得较高连接强度的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法。另外，还有必要提供一种由上述连接方法制得的连接件。一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，包括以下步骤提供一不锈钢件、一碳化钛陶瓷件、一钛箔及一铁箔；对该不锈钢件、碳化钛陶瓷件、钛箔及铁箔分别进行打磨和清洗；将碳化钛陶瓷件、钛箔、铁箔及不锈钢件放入一连接模具中，使钛箔和铁箔夹放在碳化钛陶瓷件与不锈钢件之间，并且钛箔与碳化钛陶瓷件相邻，铁箔与不锈钢件相邻；将连接模具放入一热压烧结炉中，在保护气氛下进行固相扩散连接；待冷却后取出不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件。一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件，包括一不锈钢件、一碳化钛陶瓷件及连接该不锈钢件与该碳化钛陶瓷件的连接层，该连接层包括一第一过渡层、一钛层、一第二过渡层、一铁层及一第三过渡层，该第一过渡层位于碳化钛陶瓷件与钛层之间，第一过渡层主要由钛与碳的化合物组成，该第二过渡层位于钛层与铁层之间，第二过渡层主要由钛铁固熔体及钛铁金属间化合物组成，该第三过渡层位于铁层与不锈钢件之间，第三过渡层主要由铁固熔体组成。相较于现有技术，上述不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法在热压烧结炉中通过施加钛箔和铁箔作为中间介质层，实现碳化钛陶瓷件与不锈钢件的固相扩散连接。在碳化钛陶瓷件一侧施加膨胀系数与碳化钛陶瓷相近的钛箔作为连接介质，钛与碳化钛陶瓷较容易发生反应结合，在不锈钢一侧施加热膨胀系数与不锈钢相近的铁箔作为连接介质，且铁的膨胀系数介于不锈钢与钛之间，钛与铁能实现良好结合；如此，碳化钛陶瓷、钛、铁、不锈钢的热膨胀系数逐渐增大，形成了碳化钛陶瓷至不锈钢的阶梯式变化，有效降低了热应力，提高了结合力。且各金属间产生的金属间化合物较少，不会造成结合强度下降。
图1为本发明较佳实施例不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法原理图。图2为本发明较佳实施例的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件的剖面示意图。主要元件符号说明不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件10碳化钛陶瓷件20不锈钢件30钛箔40铁箔50连接模具70上压头72下压头74中模76连接层80第一过渡层81钛层82第二过渡层83铁层84第三过渡层85热压烧结炉100
具体实施例方式请参阅图1，本发明较佳实施例的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法主要通过固相扩散来完成，该方法主要包括如下步骤(1)提供待连接的碳化钛陶瓷件20和不锈钢件30，同时提供钛箔40和铁箔50 作为连接介质。该钛箔40和铁箔50的厚度均大约为0. 1 0. 5mm，其较佳厚度为0. 1 0. 3mmο(2)对碳化钛陶瓷件20、不锈钢件30、钛箔40和铁箔50分别进行打磨、清洗，并吹干。本实施例用金刚石砂纸打磨碳化钛陶瓷件20，用碳化硅砂纸对不锈钢件30、钛箔40和铁箔50进行打磨，使碳化钛陶瓷件20、不锈钢件30、钛箔40和铁箔50表面较为平整，再用盛装有乙醇的超声波进行振动清洗5 15分钟，以除去碳化钛陶瓷件20、不锈钢件30、钛箔40和铁箔50表面杂质及油污等，清洗后吹干备用。(3)将碳化钛陶瓷件20、钛箔40、铁箔50、不锈钢件30依序放入一连接模具70中，使钛箔40和铁箔50夹放在碳化钛陶瓷件20与不锈钢件30之间，并且钛箔40与碳化钛陶瓷件20相邻，铁箔50与不锈钢件30相邻。该连接模具70包括上压头72、下压头74及中模76。该中模76具有一模腔(图未示)，用于容置待连接工件。该上压头72和下压头74 分别从两端将放置于模腔中的工件压紧。该连接模具70可以为石墨材料制成。(4)将连接模具70放入一热压烧结炉100中，在保护气氛下对工件进行固相扩散连接。连接模具70放入热压烧结炉100后对热压烧结炉100抽真空至10_3Pa级，即
至之间，然后充入氩气作为保护气氛，充入氩气后热压烧结炉100内压力可为0. 3 0. 6MPa。在保护气氛下将热压烧结炉100升温，并在如下工艺参数下对工件进行固相扩散连接升温速率为5 30°C /min，连接时温度为1000 1200，连接时温度的保温时间为25 55min，轴向压力为20 50MPa。轴向压力的具体施加方法为上压头72和下压头74开始对工件施加5MPa的轴向压力，加热，在温度到达300后慢慢增大轴向压力， 直至温度为连接时温度时，轴向压力为最大值。(5)待冷却后取出不锈钢件30与碳化钛陶瓷件20的连接件。上述不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法在热压烧结炉100中通过施加钛箔40和铁箔50作为中间介质层，实现碳化钛陶瓷件20与不锈钢件30的固相扩散连接。在碳化钛陶瓷件一侧施加膨胀系数与碳化钛陶瓷相近的钛箔作为连接介质，钛与碳化钛陶瓷较容易发生反应结合，在不锈钢一侧施加热膨胀系数与不锈钢相近的铁箔作为连接介质，且铁的膨胀系数介于不锈钢与钛之间，钛与铁能实现良好结合；如此，碳化钛陶瓷、钛、铁、不锈钢的热膨胀系数逐渐增大，形成了碳化钛陶瓷至不锈钢热膨胀系数的阶梯式变化，有效降低了热应力提高结合力。且各金属间产生的金属间化合物较少，不会造成结合强度下降。图2所示为由上述连接方法制得的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件10，包括该碳化钛陶瓷件20、该不锈钢件30及连接该不锈钢件30与该碳化钛陶瓷件20的连接层80。该连接层80包括一第一过渡层81、一钛层82、一第二过渡层83、一铁层84及一第三过渡层 85。该第一过渡层81位于碳化钛陶瓷件20与钛层82之间。第一过渡层81由钛与碳的化合物组成，如碳化钛，碳化二钛等。该第二过渡层83位于钛层82与该铁层84之间，其为钛层82与铁层84连接的过渡层。第二过渡层83主要由钛铁固熔体及钛铁金属间化合物组成。该第三过渡层85位于铁层84与不锈钢件30之间，其为铁层84与不锈钢件30连接的过渡层。第三过渡层85主要由铁固熔体组成，包括由不锈钢成分形成的铬固溶体及镍固溶体。该不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件10的连接层80致密均勻，无裂缝，无孔隙。经测试，该不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件10的不锈钢/碳化钛陶瓷界面的剪切强度可达50 80MPa，抗拉强度达60 lOOMPa。
权利要求
1.一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，包括以下步骤提供一不锈钢件、一碳化钛陶瓷件、一钛箔及一铁箔；对该碳化钛陶瓷件、不锈钢件、钛箔及铁箔分别进行打磨和清洗；将碳化钛陶瓷件、钛箔、铁箔及不锈钢件放入一连接模具中，使钛箔和铁箔夹放在碳化钛陶瓷件与不锈钢件之间，并且钛箔与碳化钛陶瓷件相邻，铁箔与不锈钢件相邻；将连接模具放入一热压烧结炉中，在保护气氛下进行固相扩散连接；待冷却后取出不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件。
2.如权利要求1所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，其特征在于所述连接模具放入热压烧结炉后，对热压烧结炉抽真空至10-3 级，然后充入氩气作为保护气氛，充入氩气后热压烧结炉内压力为0. 3 0. 6MPa，并在保护气氛下将热压烧结炉升温。
3.如权利要求2所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，其特征在于所述固相扩散连接是在如下工艺参数下进行升温速率为5 30°C /min，连接时温度为1000 1200°C， 连接时温度的保温时间为22 55min，轴向压力为20 50MPa。
4.如权利要求1所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，其特征在于该钛箔和该铁箔的厚度均为0. 1 0. 5mm。
5.如权利要求1所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，其特征在于该连接模具包括一上压头和一下压头，该上压头和下压头分别从两侧将放置于连接模具中的碳化钛陶瓷件、钛箔、铁箔及不锈钢件压紧并对该碳化钛陶瓷件、钛箔、铁箔及不锈钢件施加轴向压力。
6.如权利要求1所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，其特征在于所述打磨和清洗步骤是指用金刚石砂纸打磨碳化钛陶瓷件，用碳化硅砂纸对不锈钢件、钛箔和铁箔进行打磨，再用盛装有乙醇的超声波进行振动清洗5 15分钟。
7.一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件，该连接件包括一不锈钢件、一碳化钛陶瓷件及连接该不锈钢件与该碳化钛陶瓷件的连接层，其特征在于该连接层包括一第一过渡层、 一钛层、一第二过渡层、一铁层及一第三过渡层，该第一过渡层位于碳化钛陶瓷件与钛层之间，第一过渡层由钛与碳的化合物组成，该第二过渡层位于钛层与该铁层之间，第二过渡层由钛铁固熔体及钛铁金属间化合物组成，该第三过渡层位于铁层与不锈钢件之间，第三过渡层主要由铁固熔体组成。
8.如权利要求7所述的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件，其特征在于该不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件的不锈钢/碳化钛陶瓷界面的剪切强度为50 80MPa，抗拉强度为60 IOOMPa0
全文摘要
本发明提供一种不锈钢与碳化钛陶瓷的连接方法，该方法主要包括在热压烧结炉中通过施加钛箔和铁箔作为连接介质层，实现不锈钢与碳化钛陶瓷的固相扩散连接。本发明还提供一种上述连接方法制得的不锈钢与碳化钛陶瓷的连接件，不锈钢与碳化钛通过上述连接方法连接具有较高的结合力。
文档编号C04B37/02GK102452839SQ20101051823
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者张新倍, 胡文峰, 蒋焕梧, 陈文荣, 陈正士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司