专利名称：不锈钢与氮化硅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氮化硅陶瓷的连接方法及制得的连接件。
背景技术：
不锈钢被广泛应用于制造工程结构(比如船舶、发动机、高压容器等)和机械零件 (如齿轮、轴等)。然而不锈钢存在耐磨性较差、硬度较低、抗热冲击性及高温耐蚀性较低等缺点，已经很难满足现代生产技术对材料综合性能的进一步需求。而氮化硅陶瓷具有硬度高、高温抗腐蚀、耐磨损、抗热冲击等优点。不锈钢和氮化硅连接在一起制备成复合结构，对于不锈钢在高温环境中应用具有非常重要的意义。
由于这两种材料的物理、化学性能差异较大，使得两者之间的连接非常困难，目前主要采用熔焊、钎焊、固相扩散连接及瞬间液相连接来实现陶瓷与金属的连接。但这些方法存在许多不足难于制得高结合强度的接头；对金属件表面的清洁度及设备真空度要求很高；固相扩散连接及瞬间液相连接温度要求较高，保温时间长，导致两者间的连接耗时、耗能；熔焊容易产生裂纹；钎焊虽然连接温度较低，但由于钎料的熔点普遍较低，因此钎焊难于制得能在高温下使用的接头。发明内容
有鉴于此，有必要提供一种加工时间短、可获得较高结合强度的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法。
另外，还有必要提供一种由上述连接方法制得的连接件。
一种不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，包括以下步骤
提供待连接的不锈钢件、氮化硅陶瓷件及铝箔；
将该铝箔、不锈钢件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具中，使铝箔夹放在不锈钢件与氮化硅陶瓷件之间；
将该石墨模具放入放电等离子体烧结设备的炉膛中，开启直流脉冲电源，对不锈钢及氮化硅陶瓷施加脉冲电流，并在如下连接参数下进行放电等离子体连接轴向压力为 10 lOOMPa，温度到达200°C前升温速率为20 40°C /min，超过200°C以后升温速率为 80 150°C /min，连接温度为500 650°C，连接温度的保温时间为10 30分钟，炉膛内真空度为6 101 ；
待冷却后取出不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件。
一种不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件，该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件包括不锈钢件、氮化硅陶瓷件及连接该不锈钢件与该氮化硅陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、铝金属层及第二过渡层，该第一过渡层位于该不锈钢件与该铝金属层之间，该第二过渡层位于该氮化硅陶瓷件与该铝金属层之间，该第一过渡层由铝铁固熔体及铝铁金属间化合物组成，该第二过渡层由铝氮化合物、铝硅化合物组成。
上述不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法采用一放电等离子体烧结设备(也称脉冲电流加热设备)对不锈钢件与氮化硅陶瓷件施加脉冲电流及轴向压力来实现不锈钢与氮化硅陶瓷的连接，在脉冲电流作用下，不锈钢件与氮化硅陶瓷件的接触缝隙之间放电产生高热等离子体及在连接处产生局部高温，有利于原子扩散，促进工件连接。该方法保温时间短，能耗低，连接介质层少，对设备真空度要求较低。由该方法制得的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件具有较大的剪切强度。
图1为本发明较佳实施例使用一放电等离子体烧结设备进行不锈钢与氮瓷连接的原理示意图。
图2为本发明较佳实施例的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件的剖面示意图。
主要元件符号说明
放电等离子体烧结设备10
轴向压力系统11
正电极12
炉膛13
直流脉冲电源14
控制系统15
负电极16
不锈钢件20
氮化硅陶瓷件30
铝箔40
石墨模具50
上压头51
下压头52
中模53
不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件100
连接部60
第一过渡层61
铝金属层62
第二过渡层具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施例的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法主要通过采用一放电等离子体烧结设备10来完成，该方法主要包括如下步骤
(1)提供待连接的不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40作为连接介质。该铝箔的厚度大约为0. 1 0. 5mm。
(2)对不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40的待连接表面进行打磨和清洗，并吹干。本实施例中可以使用400 800目的金相砂纸对不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40打磨，使不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40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，以除去不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40表面杂质及油污等，清洗后吹干备用。以下将不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40统称为工件。
(3)提供一石墨模具50，该石墨模具50包括上压头51、下压头52及中模53，该中模53具有一模腔(图未示)，用于容置待连接工件。
(4)将工件放入石墨模具50的模腔内，使铝箔40夹放在不锈钢件20与氮化硅陶瓷件30之间，并且用上压头51和下压头52分别从不锈钢件20与氮化硅陶瓷件30两侧压紧。
(5)提供一放电等离子体烧结设备10，比如可采用日本住友石炭公司生产的 SPS3. 20MK-IV型放电等离子烧结设备。该放电等离子体烧结设备10主要包括轴向压力系统11，用于对烧结工件提供轴向压力；正电极12、负电极16 ；炉膛13 ；直流脉冲电源14， 该直流脉冲电源14的正极和负极分别与正电极12和负电极16连接，以对烧结工件提供脉冲电流，使工件升温；温度测量单元(图未示)及控制系统15等，该控制系统15用于控制直流脉冲电源14的电流输出、轴向压力系统11施加压力的大小、以及升温速率等。该直流脉冲电源脉宽比为12 2，最大电流可达5000A。
(6)将石墨模具50放入该放电等离子体烧结设备10的炉膛13中，并且用上压头 51和下压头52分别与放电等离子体烧结设备10的正电极12和负电极16对准并进行电连接，炉膛13抽真空至真空度为6 10Pa，开启直流脉冲电源14，在如下工艺参数下对工件进行放电等离子体连接轴向压力为10 lOOMPa，温度到达200°C前的升温速率为20 400C /min,超过200°C以后升温速率为80 150°C /min,当温度到达连接温度500 650°C 时，保持该温度范围约10 30分钟时长。轴向压力的具体施加方法为在温度到达200°C 时，通过上压头51和下压头52开始对工件施加IOMPa的轴向压力，之后逐渐增大轴向压力，直至温度为连接温度时轴向压力为最大值。
在上述温度、压力及脉冲电流作用下，各工件接触界面之间充分地相互扩散；在连接温度的保温时间控制在10 30分钟范围内时，各接触界面间形成的扩散过渡层厚度对应的连接强度最大；保温时间过长时(即大于30分钟)，不利于节约能源，如果保温时间过短(即小于10分钟)，则工件之间扩散不充分，难以形成明显的扩散过渡层，使工件之间难以形成良好的连接。
(7)待冷却后取出不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件。
上述不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法通过采用放电等离子体烧结设备10(也称脉冲电流加热设备)，对不锈钢件20与氮化硅陶瓷件30施加脉冲电流，以在不锈钢件20与氮化硅陶瓷件30的接触缝隙之间放电产生高热等离子体，等离子体清洁并活化工件的表面，因而可提高工件表面的原子扩散能力，防止接头中掺入氧化物产生不良影响，而且降低了对设备真空度和工件表面清洁度的要求。
在受脉冲电流作用下，不锈钢件20、氮化硅陶瓷件30及铝箔40产生自发热及局部放电热，连接介质铝箔40软化后释放出铝原子，铝原子迅速扩散到不锈钢件20和氮化硅陶瓷件30表面，并与不锈钢件20和氮化硅陶瓷件30发生物理、化学反应，由此在不锈钢/氮化硅陶瓷界面形成新的物相结构，该新的物相结构可缓解氮化硅陶瓷/不锈钢界面的内应力，有利于促进氮化硅陶瓷/不锈钢界面的扩散结合，加之在轴向压力作用下，工件间接触5面积不断增大，最终达到紧密接触而连接在一起。
上述不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法保温时间短，能耗低，对炉膛真空度要求较低。
图2所示为由上述连接方法制得的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件100，包括该不锈钢件20、该氮化硅陶瓷件kg 30及连接该不锈钢件20与该氮化硅陶瓷件30的连接部60。 该连接部60包括一第一过渡层61、一铝金属层62及一第二过渡层63。该第一过渡层61 位于该不锈钢件20与该铝金属层62之间，该第一过渡层61主要由铝铁固熔体及铝铁金属间化合物(如 ^Α ;3)组成。该第二过渡层63位于该氮化硅陶瓷件30与该铝金属层62 之间，该第二过渡层63主要由铝氮化合物及铝硅化合物组成。该第一过渡层61的厚度大约为20 30 μ m,第二过渡层63的厚度大约为10 20 μ m。该铝金属层62的厚度大约为 0. 08 0. 48mm。
该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件100的连接部60平整均勻，无裂缝，无孔隙。经检测，该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件100的不锈钢/氮化硅陶瓷界面的剪切强度大约为 30 60MPao
权利要求
1.一种不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，包括以下步骤提供待连接的不锈钢件、氮化硅陶瓷件及铝箔；将该铝箔、不锈钢件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具中，使铝箔夹放在不锈钢件与氮化硅陶瓷件之间；将该石墨模具放入放电等离子体烧结设备的炉膛中，开启直流脉冲电源，对不锈钢及氮化硅陶瓷施加脉冲电流，并在如下连接参数下进行放电等离子体连接轴向压力为10 lOOMPa，温度到达200°C前升温速率为20 40°C /min，超过200°C以后升温速率为80 1500C /min，连接温度为500 650°C，连接温度的保温时间为10 30分钟，炉膛内真空度为6 IOPa ；待冷却后取出不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件。
2.如权利要求1所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述石墨模具包括上压头、下压头及中模，所述铝箔、不锈钢件及氮化硅陶瓷件放置于该中模内，该上压头和下压头分别从不锈钢件和氮化硅陶瓷件两侧压紧，并通过该上压头和下压头对铝箔、 不锈钢件及氮化硅陶瓷件施加轴向压力。
3.如权利要求2所述的不锈钢与氮化娃陶瓷的连接方法，其特征在于该放电等离子体烧结设备包括正、负电极，所述上压头和下压头分别与该正电极和负电极对准，并进行电连接。
4.如权利要求2所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述轴向压力的具体施加方法为在温度到达200°C时，通过上压头和下压头开始对不锈钢件和氮化硅陶瓷件施加IOMPa的轴向压力，之后逐渐增大轴向压力，直至温度为连接温度时轴向压力到达最大值。
5.如权利要求1所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述铝箔的厚度为0. 1 0. 5mm。
6.如权利要求1所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，其特征在于该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法还包括将该铝箔、不锈钢件及氮化硅陶瓷件放入石墨模具之前，对该不锈钢件、氮化硅陶瓷件及铝箔的待连接表面进行打磨和清洗的步骤。
7.如权利要求6所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述打磨是使用400 800目的金相砂纸对铝箔、不锈钢件及氮化硅陶瓷件打磨；所述清洗是指用盛装有乙醇的超声波进行振动清洗。
8.一种不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件，其特征在于该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件包括不锈钢件、氮化硅陶瓷件及连接该不锈钢件与该氮化硅陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、铝金属层及第二过渡层，该第一过渡层位于该不锈钢件与该铝金属层之间， 该第二过渡层位于该氮化硅陶瓷件与该铝金属层之间，该第一过渡层由铝铁固熔体及铝铁金属间化合物组成，该第二过渡层由铝氮化合物、铝硅化合物组成。
9.如权利要求8所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件，其特征在于该第一过渡层的厚度为20 30 μ m,该第二过渡层的厚度为10 20 μ m。
10.如权利要求8所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件，其特征在于该铝金属层的厚度为 0. 08 0. 48mm。
11.如权利要求8所述的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件，其特征在于该不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件的不锈钢/氮化硅陶瓷界面的剪切强度为30 60MPa。
全文摘要
本发明提供一种不锈钢与氮化硅陶瓷的连接方法，该方法主要采用放电等离子体烧结设备对不锈钢、氮化硅陶瓷及铝箔活性中间层施加脉冲电流而进行放电等离子体连接，放电等离子体连接的工艺参数为轴向压力为20～50MPa，温度到达300℃前升温速率为20℃/min，超过300℃以后升温速率为80～150℃/min，连接温度为800～1100℃，保温时间为10～30分钟，炉膛内真空度为6～10Pa。本发明还提供一种上述连接方法制得的不锈钢与氮化硅陶瓷的连接件。
文档编号C04B37/02GK102476954SQ20101055380
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22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