专利名称：不锈钢与氧化锆陶瓷复合件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属与陶瓷的复合件及其制造方法，尤其涉及一种不锈钢与氧化锆陶瓷复合件及其制造方法。
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，在高温、腐蚀性等较为恶劣的环境下，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。而氧化锆陶瓷具有硬度高、高温抗腐蚀、耐磨损、抗冲蚀等优点。因此，不锈钢和氧化锆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，实现不锈钢与氧化锆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，且结合力欠佳。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。
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氧化锆陶瓷复合件。另外，还有必要提供一种制造上述复合件的制造方法。一种不锈钢与氧化锆陶瓷复合件，该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件包括不锈钢件、氧化锆陶瓷件及连接该不锈钢件与该氧化锆陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、钼层、第二过渡层、镍层及第三过渡层，该第一过渡层位于氧化锆陶瓷件与钼层之间，第一过渡层主要由镍钼金属间化合物、锆镍金属间化合物、镍钼固溶体、锆镍固溶体组成，该第二过渡层位于钼层与该镍层之间，第二过渡层主要由钼镍固熔体及钼镍金属间化合物组成，该第三过渡层位于镍层与不锈钢件之间，第三过渡层主要由镍铁金属间化合物及镍铁固熔体组成。一种不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，包括以下步骤提供一不锈钢件、一氧化锆陶瓷件、一钼箔及一镍箔；对该氧化锆陶瓷件、不锈钢件、钼箔及镍箔分别进行打磨和清洗；在该氧化锆陶瓷件表面沉积镍金属层；将氧化锆陶瓷件、钼箔、镍箔及不锈钢件放入一连接模具中，使钼箔和镍箔夹放在氧化锆陶瓷件与不锈钢件之间，并且钼箔与氧化锆陶瓷件上的镍金属层相邻，镍箔与不锈钢件相邻；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氧化锆陶瓷复合件。上述不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法在热压烧结炉中通过施加钼箔和镍箔作为中间介质层，实现氧化锆陶瓷件与不锈钢件的固相扩散连接。在氧化锆陶瓷件一侧施加膨胀系数与氧化锆陶瓷相近的钼箔作为连接介质，钼与氧化锆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镍箔作为连接介质，且镍的膨胀系数介于不锈钢与钼之间，同时镍与钼能实现良好结合；如此，氧化锆陶瓷、钼、镍、不锈钢的热膨胀系数逐渐增大，形成了氧化锆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的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的剖面示意图。
图2为制造图1所示的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的设备示意图。
主要元件符号说明
不锈钢与氧化锆陶瓷复合件10
氧化锆陶瓷件20
不锈钢件30
钼箔40
镍箔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
钼层82
第二过渡层83
镍层84
第三过渡层85
热压烧结炉100
具体实施例方式图1所示为不锈钢与氧化锆陶瓷复合件10，包括该氧化锆陶瓷件20、该不锈钢件30及连接该不锈钢件30与该氧化锆陶瓷件20的连接层80，在制造不锈钢与氧化锆陶瓷复合件10还需要在氧化锆陶瓷件20的表面沉积一镍金属层60。该连接层80包括一第一过渡层81、一钼层82、一第二过渡层83、一镍层84及一第三过渡层85。该第一过渡层81位于氧化锆陶瓷件20与钼层82之间。第一过渡层81主要由镍钼金属间化合物、锆镍金属间化合物、镍钼固溶体、锆镍固溶体组成，另外还包括少量的锆钼金属间化合物及锆钼固溶体。第一过渡层81由所述镀覆在氧化锆陶瓷件20上的镍金属层60与钼层82和氧化锆陶瓷件20中的锆元素反应而得，由于镍金属层60厚度较小，在连接过程中与钼层82和氧化锆陶瓷件20中的锆元素完全反应掉。该第二过渡层83位于钼层82与该镍层84之间，其为钼层82与镍层84连接的过渡层。第二过渡层83主要由钼镍固熔体及钼镍金属间化合物组成。该第三过渡层85位于镍层84与不锈钢件30之间，其为镍层84与不锈钢件30连接的过渡层。第三过渡层85主要由镍铁金属间化合物及镍铁固熔体组成。该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件10的连接层80致密均勻，无裂缝，无孔隙。经测试，该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件10的不锈钢/氧化锆陶瓷界面的剪切强度可达50 80MPa，抗拉强度达60 lOOMPa。请参阅图2，所述复合件10的制造方法主要包括如下步骤(1)提供待连接的氧化锆陶瓷件20和不锈钢件30，同时提供钼箔40和镍箔50作为连接介质。该钼箔40的厚度大约为0. 1 0. 3mm，镍箔50的厚度大约为0. 2 0. 4mm。(2)对氧化锆陶瓷件20、不锈钢件30、钼箔40和镍箔50分别进行打磨、清洗，并吹干。本实施例用金刚石砂纸打磨氧化锆陶瓷件20，用氧化锆砂纸对不锈钢件30、钼箔40和镍箔50进行打磨，使氧化锆陶瓷件20、不锈钢件30、钼箔40和镍箔50表面较为平整。氧化锆陶瓷件20、不锈钢件30、钼箔40和镍箔50放入盛装有乙醇溶液的超声波清洗器中进行振动清洗5 15分钟，以除去氧化锆陶瓷件20、不锈钢件30、钼箔40和镍箔50表面杂质及油污等。清洗后吹干备用。(3)在氧化锆陶瓷件20表面沉积一镍金属层60。该镍金属层60可通过真空镀膜方式，如磁控溅射形成，也可以通过化学镀膜的方式形成，其厚度大约为4 10 μ m较佳。(4)将氧化锆陶瓷件20、钼箔40、镍箔50、不锈钢件30依序层叠放置于放入一连接模具70中，使钼箔40和镍箔50位于氧化锆陶瓷件20与不锈钢件30之间，并且钼箔40与氧化锆陶瓷件20上的镍金属层60相邻，镍箔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(图未标)，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。(5)将连接模具70放入一热压烧结炉100中，在保护气氛下使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，本实施例中，对热压烧结炉100抽真空至5X10_3Pa。然后充入氩气作为保护气氛，充入氩气直到热压烧结炉100内压力为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10 50°C /min，连接时温度为800 1100°C，连接时温度的保温时间为35 75min，轴向压力为10 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IOMPa的轴向压力，加热，在温度到达300°C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。(6)待冷却后取出不锈钢件30与氧化锆陶瓷件20的复合件。上述不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法在氧化锆陶瓷件20的表面沉积一镍金属层60，然后在热压烧结炉100中通过钼箔40和镍箔50作为中间介质层，实现氧化锆陶瓷件20与不锈钢件30的固相扩散连接。在氧化锆陶瓷件20 —侧施加膨胀系数较小的钼箔40作为连接介质，降低了不锈钢与氧化锆陶瓷间的热应力，有效防止裂纹产生，提高了连接强度；沉积在氧化锆陶瓷件20表面的镍金属层60活性较大，弥补了钼与氧化锆陶瓷件反应慢、不易连接的缺陷。而施加在不锈钢件30 —侧的镍箔50活性较好，与不锈钢的固熔性好，易于与不锈钢件30连接。
权利要求
1.一种不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，包括以下步骤提供一不锈钢件、一氧化锆陶瓷件、一钼箔及一镍箔；在该氧化锆陶瓷件表面沉积镍金属层；将氧化锆陶瓷件、钼箔、镍箔及不锈钢件放入一连接模具中，使钼箔和镍箔夹放在氧化锆陶瓷件与不锈钢件之间，并且钼箔与氧化锆陶瓷件上的镍金属层相邻，镍箔与不锈钢件相邻；将连接模具放入一热压烧结炉中，在保护气氛下使氧化锆陶瓷件、钼箔、镍箔及不锈钢件固相扩散连接为不锈钢与氧化锆陶瓷复合件；待冷却后取出不锈钢与氧化锆陶瓷复合件。
2.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，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10 50°C /min，连接温度为800 1100°C，连接温度保温时间为；35 75min，轴向压力为10 50MPa。
3.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于该镍金属层通过真空镀膜方式或化学镀膜的方式形成。
4.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于该镍金属层的厚度为4 10 μ m。
5.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于该钼箔的厚度均为0. 1 0. 3mm。
6.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于该镍箔的厚度均为0. 2 0. 4mm。
7.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于该连接模具包括上压头和下压头，该上压头和下压头分别从两侧将放置于连接模具中的氧化锆陶瓷件、钼箔、镍箔及不锈钢件压紧并对该氧化锆陶瓷件、钼箔、镍箔及不锈钢件施加轴向压力。
8.如权利要求1所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的制造方法，其特征在于所述保护气氛为氩气，保护气氛的压力为0. 3 0. 6MPa。
9.一种不锈钢与氧化锆陶瓷复合件，其特征在于该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件包括不锈钢件、氧化锆陶瓷件及连接该不锈钢件与该氧化锆陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、钼层、第二过渡层、镍层及第三过渡层，该第一过渡层位于氧化锆陶瓷件与钼层之间，第一过渡层主要由镍钼金属间化合物、锆镍金属间化合物、镍钼固溶体、锆镍固溶体组成，该第二过渡层位于钼层与该镍层之间，第二过渡层主要由钼镍固熔体及钼镍金属间化合物组成，该第三过渡层位于镍层与不锈钢件之间，第三过渡层主要由镍铁金属间化合物及镍铁固熔体组成。
10.如权利要求9所述的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件，其特征在于该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件的不锈钢/氧化锆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氧化锆陶瓷复合件的制造方法，该方法主要包括在热压烧结炉中通过施加钼箔和镍箔作为连接介质层，实现不锈钢与氧化锆陶瓷的固相扩散连接。本发明还提供一种由上述制造方法制得的不锈钢与氧化锆陶瓷复合件。不锈钢与氧化锆通过上述制造方法连接具有较高的结合力。该不锈钢与氧化锆陶瓷复合件包括不锈钢件、氧化锆陶瓷件及连接该不锈钢件与该氧化锆陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、钼层、第二过渡层、镍层及第三过渡层。
文档编号B32B15/18GK102557707SQ2010105962
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20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