CN102336578A - 锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法及制得的连接件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，该方法主要采用放电等离子体烧结设备对锡青铜、氧化铝陶瓷及金属中间层施加脉冲电流而进行放电等离子体连接，并通过设计连接模具的上部与下部具有不同的垂直于电流方向的截面积，使熔点高的氧化铝陶瓷件位于上部，而熔点较低的锡青铜件设于下部，使作用于氧化铝陶瓷件的电流大于作用于锡青铜的电流，从而使二者达到同时软化而连接。本发明还提供一种上述连接方法制得的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件。

Description

锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法及制得的连接件

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，尤其涉及一种锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法及制得的连接件。

背景技术

由于锡青铜与氧化铝陶瓷在晶体结构、热膨胀系数、熔点等方面存在巨大的差异，使得两者之间的连接非常困难。目前可能采用的连接方法有钎焊、固相扩散连接及瞬间液相扩散连接，但这些方法存在许多不足：钎焊的连接温度通常较低，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；对于固相扩散连接，要实现与陶瓷的连接需要很高的温度，而且在连接温度下保温时间常常大于1小时，加工时间长，能耗大；使用瞬间液相扩散连接方法来实现锡青铜与氧化铝陶瓷的连接，必须使二者均出现液相，受到锡青铜与氧化铝陶瓷之间的熔点、扩散性能等差异的影响，需要延长液相保持时间，而连接时间过长容易使锡青铜过多的熔化而溢流至接头以外，影响接头质量。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种有效的、可获得较高结合强度的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法。

另外，还有必要提供一种由上述连接方法制得的连接件。

一种锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，包括以下步骤：

提供待连接的锡青铜件、氧化铝陶瓷件，及金属中间层作为连接介质；

对该锡青铜件、氧化铝陶瓷件及金属中间层的待连接表面进行打磨、清洗并吹干；

提供一石墨模具，该石墨模具包括上压头、下压头及中模，该中模包括上部、与上部连接的下部及贯通该上部及下部的容置部，该上部沿垂直于上部与下部连接方向的截面积小于下部沿垂直于上部与下部连接方向的截面积；

将该锡青铜、氧化铝陶瓷及金属中间层放入中模的容置部，使金属中间层夹放在锡青铜件与氧化铝陶瓷件之间，氧化铝陶瓷件位于上部，锡青铜件位于下部，然后用所述上、下压头压紧；

将该石墨模具放入一放电等离子体烧结设备的炉膛中，对锡青铜、氧化铝陶瓷及金属中间层施加脉冲电流以进行放电等离子体连接；

待冷却后取出锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件。

一种由上述方法制得的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件，该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件包括一锡青铜件、一氧化铝陶瓷件及连接该锡青铜件与该氧化铝陶瓷件的连接部，该连接部包括一铜层、第一过渡层、一镍层、一第二过渡层、一钛层及一第三过渡层，该铜层与锡青铜件连接，该第一过渡层位于铜层与镍层之间，第一过渡层由铜与镍的固熔体及铜镍金属间化合物组成，该第二过渡层位于镍层与该钛层之间，第二过渡层由镍钛固熔体及钛镍金属间化合物组成，该第三过渡层位于钛与氧化铝陶瓷件之间，第三过渡层主要由钛氧化合物及钛铝金属间化合物组成。

相较于现有技术，上述锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法通过采用一放电等离子体烧结设备(或者称脉冲电流加热设备)对锡青铜件、氧化铝陶瓷件及金属中间层施加脉冲电流使工件升温，并且根据锡青铜与氧化铝陶瓷的熔点差异，设计石墨模具的上部与下部具有不同的截面积，将氧化铝陶瓷件位于具有较大截面积的上部，而锡青铜件置于具有具有较小截面积的下部，因此，当电流通过该石墨模具时，上部的电流密度大于下部的电流密度，使位于同一模具中的锡青铜件与氧化铝陶瓷件受到不同电流密度的作用，作用于氧化铝陶瓷件的电流密度大于作用于锡青铜件的电流密度，由此使氧化铝陶瓷件的升温速率大于锡青铜件的升温速率，从而使锡青铜件与氧化铝陶瓷件可以几乎同时分别达到各自的软化温度而软化，由此可以缩短保温时间，降低能耗。由该方法制得的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件具有较大的剪切强度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法中使用的放电等离子体烧结设备的示意图。

图2为本发明较佳实施例使用图1所示放电等离子体烧结设备进行锡青铜与氧化铝陶瓷连接的示意图。

图3为由本发明较佳实施例的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法所制得的连接件的结构示意图。

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、负电极                  12

炉膛                        13

直流脉冲电源                14

控制系统                    15

锡青铜件                    20

氧化铝陶瓷件                30

金属中间层                  40

铜箔                        41

镍箔                        42

钛箔                        43

石墨模具                    50

上压头                      51

下压头                      52

中模                        53

上部                        532

下部                        534

容置部                      536

锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件  100

连接部                      60

铜层                        61

第一过渡层                  62

镍层                        63

第二过渡层                  64

钛层                        65

第三过渡层                  66

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明较佳实施例的锡青铜与氧化铝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)提供一待连接的锡青铜件20、一氧化铝陶瓷件30及金属中间层40作为连接介质。该金属中间层40可由一铜箔41、一镍箔42及一钛箔43组成，其中该铜箔41的厚度大约为0.1～0.3mm，该镍箔42的厚度大约为0.3～0.6mm，该钛箔43的厚度大约为0.1～0.3mm。

(2)对锡青铜件20、氧化铝陶瓷件30及各金属中间层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目的金相砂纸对锡青铜件20、氧化铝陶瓷件30及金属中间层40打磨，以初步去除表面氧化膜；然后用稀盐酸或稀硫酸溶液进行清洗；酸清洗后用水冲洗并吹干。以下将锡青铜件20、氧化铝陶瓷件30及金属中间层40统称为工件。

(3)提供一石墨模具50，用于装载工件并置于放电等离子体烧结设备10中进行放电等离子体连接。该石墨模具50包括上压头51、下压头52及中模53。该中模53包括一上部532、与该上部532连接的下部534及贯通该上部532及下部534的容置部536。该上部532沿垂直于上部532与下部534连接方向(即图2中A-A方向)的截面积小于下部534沿垂直于上部532与下部534连接方向(即图2中B-B方向)的截面积，且下部534的截面积大约为上部532截面积的1.3～2.5倍，较佳为1.5～2倍。所述容置部536用于容置待连接工件。所述上压头51和下压头52分别用于从上部532和下部534一侧压紧工件，并对工件施压。该石墨模具50由于其上部532的截面积小于下部534的截面积，当电流通过该石墨模具50时，流经上部532的电流密度将大于流经下部534的电流密度。

(4)请参图2，将工件放入石墨模具50中，使金属中间层40夹放在锡青铜件20与氧化铝陶瓷件30之间，使铜箔41邻接锡青铜件20，钛箔43邻接氧化铝陶瓷件30，而镍箔42置于铜箔41与钛箔43之间。并且，使氧化铝陶瓷件30位于上部532；锡青铜件20位于下部534。然后，用上压头51和下压头52分别从上部532和下部534一侧将工件压紧。

(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SP S 3.20MK-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、负电极12；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使工件升温，设置如下工艺参数对工件进行放电等离子体连接：轴向压力为20～40MPa，升温速率为50～300℃/min；当温度为700～900℃时，保持该温度范围约20～40分钟时长，该温度即为连接温度。

(7)待冷却后取出锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件。

上述锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，通过采用一放电等离子体烧结设备10(或者称脉冲电流加热设备)对工件施加脉冲电流以使工件升温，并通过设计石墨模具50的上部532与下部534具有不同的垂直于电流方向的截面积，使氧化铝陶瓷件30位于具有较小截面积的上部532，而锡青铜件20设于具有较大截面积的下部534，电流通过该石墨模具50时，上部532的电流密度大于下部534的电流密度，使位于同一模具中的锡青铜件20与氧化铝陶瓷件30受到不同电流密度的作用，作用于氧化铝陶瓷件30的电流密度大于作用于锡青铜件20的电流密度，由此使氧化铝陶瓷件30的升温速率大于锡青铜件20的升温速率，从而使锡青铜件20与氧化铝陶瓷件30可以几乎同时达到各自的软化温度而软化，由此可以缩短连接时间。

另外，在脉冲电流作用下，在锡青铜件20与氧化铝陶瓷件30之间放电产生高热等离子体，该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。而且，在受脉冲电流作用下，锡青铜件20、氧化铝陶瓷件30及金属中间层40产生自发热及局部放电热，促进了接触界面的物理、化学反应及原子的扩散。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。

该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法在锡青铜件20和氧化铝陶瓷件30之间依次放置铜箔、镍箔及钛箔作为连接介质，因镍与铜具有相近的膨胀系数，有利于与锡青铜件20结合，而钛的膨胀系数较低，与氧化铝陶瓷的膨胀系数比较接近，且钛的高温活性高，有利于与氧化铝陶瓷件30的结合。因此，当铜箔、镍箔及钛箔一起作为连接介质有利于锡青铜件20和氧化铝陶瓷件30的连接。

通过上述方法可实现锡青铜与氧化铝陶瓷的高强度连接，而且该锡青铜与氧化铝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3所示为由上述连接方法制得的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件100，包括该锡青铜件20、该氧化铝陶瓷件30及连接该锡青铜件20与该氧化铝陶瓷件30的连接部60。该连接部60包括一铜层61、一第一过渡层62、一镍层63、一第二过渡层64、一钛层65及一第三过渡层66。该铜层61直接与锡青铜件20连接，由于铜与锡青铜件20的主要组成比较接近，因此铜层61与锡青铜件20之间没有产生明显的过渡层。该第一过渡层62位于铜层61与镍层63之间，其为铜层61与镍层63连接的过渡层。第一过渡层62主要由铜与镍的固熔体及铜镍金属间化合物组成，其厚度大约为20～40mm。该第二过渡层64位于镍层63与该钛层65之间，其为镍层63与钛层65连接的过渡层。第二过渡层64主要由镍钛固熔体及钛镍金属间化合物组成，其厚度大约为20～40mm。该第三过渡层66位于钛层65与氧化铝陶瓷件30之间，第三过渡层66主要由钛氧化合物、钛铝金属间化合物及少量的钛铝固熔体组成，其厚度大约为10～20mm。

该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件100的连接部60致密均匀，无裂缝，无孔隙。经检测，该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件100的锡青铜/氧化铝陶瓷界面的剪切强度可达50～100MPa。

Claims (12)

1.一种锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，包括以下步骤：

提供待连接的锡青铜件、氧化铝陶瓷件，及金属中间层作为连接介质；

对该锡青铜件、氧化铝陶瓷件及金属中间层的待连接表面进行打磨、清洗并吹干；

提供一石墨模具，该石墨模具包括上压头、下压头及中模，该中模包括上部、与上部连接的下部及贯通该上部及下部的容置部，该上部沿垂直于上部与下部连接方向的截面积小于下部沿垂直于上部与下部连接方向的截面积；

将该锡青铜、氧化铝陶瓷及金属中间层放入中模的容置部，使金属中间层夹放在锡青铜件与氧化铝陶瓷件之间，氧化铝陶瓷件位于上部，锡青铜件位于下部，然后用所述上、下压头压紧；

将该石墨模具放入一放电等离子体烧结设备的炉膛中，对锡青铜、氧化铝陶瓷及金属中间层施加脉冲电流以进行放电等离子体连接；

待冷却后取出锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件。

2.如权利要求1所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：所述放电等离子体连接在如下参数条件下进行：轴向压力为20～60MPa，升温速率为50～300℃/min，连接温度为700～900℃，保温时间为20～40分钟，炉膛内的真空度为6～10Pa。

3.如权利要求1所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该金属中间层包括一铜箔、一镍箔及一钛箔。

4.如权利要求3所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该金属中间层置于该锡青铜与该氧化铝陶瓷之间时，该铜箔邻接锡青铜件，钛箔邻接氧化铝陶瓷件，镍箔位于铜箔与钛箔之间。

5.如权利要求3所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该铜箔的厚度为0.1～0.3mm，该镍箔的厚度为0.3～0.6mm，该钛箔的厚度为0.1～0.3mm。

6.如权利要求1所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：所述下部的截面积为该上部截面积的1.3～2.5倍。

7.如权利要求6所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：所述下部的截面积为该上部截面积的1.5～2倍。

8.如权利要求1所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该放电等离子体烧结设备包括有正、负电极，所述上压头和下压头分别与该正、负电极对准连接。

9.一种锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件包括一锡青铜件、一氧化铝陶瓷件及连接该锡青铜件与该氧化铝陶瓷件的连接部，该连接部包括一铜层、第一过渡层、一镍层、一第二过渡层、一钛层及一第三过渡层，该铜层与锡青铜件连接，该第一过渡层位于铜层与镍层之间，第一过渡层由铜与镍的固熔体及铜镍金属间化合物组成，该第二过渡层位于镍层与该钛层之间，第二过渡层由镍钛固熔体及钛镍金属间化合物组成，该第三过渡层位于钛与氧化铝陶瓷件之间，第三过渡层主要由钛氧化合物及钛铝金属间化合物组成。

10.如权利要求9所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：该第三过渡层还包含有钛铝固熔体。

11.如权利要求9所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：该第一过渡层和第二过渡层的厚度均为20～40mm，该第三过渡层的厚度为10～20μm。

12.如权利要求9所述的锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：该锡青铜与氧化铝陶瓷的连接件的锡青铜/氧化铝陶瓷界面的剪切强度为50～100MPa。

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