专利名称：碳钢与碳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，尤其涉及一种碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法及制得的连接件。
背景技术：
碳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)。然而碳钢存在耐磨性较差、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。而碳化硅陶瓷具有硬度高、 高温抗腐蚀、耐磨损、抗热冲击等优点。碳钢和碳化硅连接在一起制备成复合结构，对于碳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碳钢与碳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。一种碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，包括以下步骤提供待连接的碳钢件、碳化硅陶瓷件及镍箔；将该镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具中，使镍箔夹放在碳钢件与碳化硅陶瓷件之间；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，对碳钢及碳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 20 50MPa，温度到达300°C前升温速率为20°C /min，超过300°C以后升温速率为80 1500C /min，连接温度为800 1100°C，保温时间为10 30分钟，炉膛内真空度为6 IOPa ；待冷却后取出碳钢与碳化硅陶瓷的连接件。一种碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，该碳钢与碳化硅陶瓷的连接件包括碳钢件、碳化硅陶瓷件及连接该碳钢件与该碳化硅陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、镍金属层及第二过渡层，该第一过渡层位于该碳钢件与该镍金属层之间，该第二过渡层位于该碳化硅陶瓷件与该镍金属层之间，该第一过渡层由镍与铁的固熔体及镍铁金属间化合物组成，该第二过渡层由镍碳化合物、镍硅化合物组成。
相较于现有技术，上述碳钢与碳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)对碳钢件与碳化硅陶瓷件施加脉冲电流及轴向压力来实现碳钢与碳化硅陶瓷的连接，在脉冲电流作用下，碳钢件与碳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。由该方法制得的碳钢与碳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碳钢与碳化硅陶瓷连接的原理示意图。图2为本发明较佳实施例的碳钢与碳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碳钢件20碳化硅陶瓷件30镍箔40石墨模具50上压头51下压头52中模53碳钢与碳化硅陶瓷的连接件100连接部60第一过渡层61镍金属层62第二过渡层6具体实施例方式请参阅图1，本发明较佳实施例的碳钢与碳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)提供一待连接的碳钢件20、一碳化硅陶瓷件30及一镍箔40作为连接介质。该镍箔的厚度大约为0. 2 0. 4mm。(2)对碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔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目的金相砂纸对碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔40打磨，使碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔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，以除去碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔40表面杂质及油污等，清洗后吹干备用。以下将碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔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，使镍箔40夹放在碳钢件20与碳化硅陶瓷件30之间，并且用上压头51和下压头52分别从碳钢件20与碳化硅陶瓷件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，用于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、负电极12对准连接，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20 60MPa，温度到达300°C前的升温速率为20°C /min，超过300°C以后升温速率为80 150°C /min,当温度到达连接温度800 1100°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300°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)待冷却后取出碳钢与碳化硅陶瓷的连接件。上述碳钢与碳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)，对碳钢件20与碳化硅陶瓷件30施加脉冲电流，以在碳钢件20与碳化硅陶瓷件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，提高工件表面的原子扩散能力。在受脉冲电流作用下，碳钢件20、碳化硅陶瓷件30及镍箔40产生自发热及局部放电热，连接介质镍箔40软化后释放出M原子，M原子迅速扩散到碳钢件20和碳化硅陶瓷件30表面，并与碳钢件20和碳化硅陶瓷件30发生一物理、化学反应，由此在碳钢/碳化硅陶瓷界面形成新的物相结构，该新的物相结构可缓解碳化硅陶瓷/碳钢界面的内应力，有利于促进碳化硅陶瓷/碳钢界面的扩散结合，加之在轴向压力作用下，工件间接触面积不断增大，最终达到紧密接触而连接在一起。上述碳钢与碳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碳钢与碳化硅陶瓷的连接件100，包括该碳钢件20、该碳化硅陶瓷件30及连接该碳钢件20与该碳化硅陶瓷件30的连接部60。该连接部60包括一第一过渡层61、一镍金属层62及一第二过渡层63。该第一过渡层61位于该碳钢件20与该镍金属层62之间，该第一过渡层61主要由镍与铁的固熔体及镍铁金属间化合物组成。该第二过渡层63位于该碳化硅陶瓷件30与该镍金属层62之间，该第二过渡层 63主要由镍碳化合物、镍硅化合物组成。该第一过渡层61和第二过渡层63的厚度大约均为5 25 μ m，较佳地为10 20 μ m。该镍金属层62的厚度大约为0. 19 0. 39mm。
该碳钢与碳化硅陶瓷的连接件100的连接部60平整均勻，无裂缝，无孔隙。经检测，该碳钢与碳化硅陶瓷的连接件100的碳钢/碳化硅陶瓷界面的剪切强度可达40 80MPa，而现有方法制备的碳钢/碳化硅陶瓷连接头的剪切强度一般为20 60MPa。
权利要求
1.一种碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，包括以下步骤提供待连接的碳钢件、碳化硅陶瓷件及镍箔；将该镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具中，使镍箔夹放在碳钢件与碳化硅陶瓷件之间；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，对碳钢及碳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20 50MPa，温度到达300°C前升温速率为20°C /min，超过300°C以后升温速率为80 150°C / min，连接温度为800 1100°C，保温时间为10 30分钟，炉膛内真空度为6 101 ；待冷却后取出碳钢与碳化硅陶瓷的连接件。
2.如权利要求1所述的碳钢与碳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，所述镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件放置于该中模内，该上压头和下压头分别从碳钢件和碳化硅陶瓷件两侧压紧，并通过该上压头和下压头对镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件施加轴向压力。
3.如权利要求2所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，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、负电极对准连接。
4.如权利要求2所述的碳钢与碳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300°C时，通过上压头和下压头开始对碳钢件和碳化硅陶瓷件施加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所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述镍箔的厚度为 0. 2 0. 4mm。
6.如权利要求1所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，其特征在于该碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法还包括将该镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件放入石墨模具之前，对该碳钢件、 碳化硅陶瓷件及镍箔的待连接表面进行打磨和清洗的步骤。
7.如权利要求1所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接方法，其特征在于所述打磨是使用 400 800目的金相砂纸对镍箔、碳钢件及碳化硅陶瓷件打磨；所述清洗是指用盛装有乙醇的超声波进行振动清洗。
8.一种碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，其特征在于该碳钢与碳化硅陶瓷的连接件包括碳钢件、碳化硅陶瓷件及连接该碳钢件与该碳化硅陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、镍金属层及第二过渡层，该第一过渡层位于该碳钢件与该镍金属层之间，该第二过渡层位于该碳化硅陶瓷件与该镍金属层之间，该第一过渡层由镍与铁的固熔体及镍铁金属间化合物组成，该第二过渡层由镍碳化合物、镍硅化合物组成。
9.如权利要求8所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，其特征在于该第一过渡层和第二过渡层的厚度均为5 25 μ m。
10.如权利要求9所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，其特征在于该第一过渡层和第二过渡层的厚度均为10 20 μ m。
11.如权利要求8所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，其特征在于该镍金属层的厚度为 0. 19 0. 39mm。
12.如权利要求8所述的碳钢与碳化硅陶瓷的连接件，其特征在于该碳钢与碳化硅陶瓷的连接件的碳钢/碳化硅陶瓷界面的剪切强度为40 80MPa。
全文摘要
本发明提供一种碳钢与碳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碳钢、碳化硅陶瓷及镍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碳钢与碳化硅陶瓷的连接件。
文档编号C04B37/02GK102452842SQ20101052538
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29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