CN102485696B - 不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法及制得的连接件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，该方法主要通过在氧化铝陶瓷件一侧设置容易在低温下与氧化铝陶瓷发生反应连接的铝箔，在不锈钢件一侧则设置不容易与不锈钢生成金属间化合物的银箔共同作为连接介质，实现氧化铝陶瓷件与不锈钢件的低温固相扩散连接。本发明还提供一种上述连接方法制得的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件。
Description
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氧化铝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。而氧化铝陶瓷具有硬度高、高温抗腐蚀、耐磨损、抗冲蚀等优点，因此，不锈钢与氧化铝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。
目前采用的不锈钢与氧化铝陶瓷固相扩散连接方法的连接温度大多超多800℃，而且连接时间较长，造成能耗高、成本上升。虽然有现有技术采用铝箔作为连接介质实现了不锈钢与氧化铝陶瓷的低温固相扩散连接，但由于铝与不锈钢容易生成大量金属间化合物，当连接时间较长时，铝与不锈钢之间可能会由于金属间化合物的大量生成而先断裂，从而降低了不锈钢与氧化铝陶瓷的连接强度。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种既能在较低温度下实现不锈钢与氧化铝陶瓷的扩散连接，又可防止因过多金属间化合物生成而降低连接强度的连接方法。
另外，还有必要提供一种由上述连接方法制得的连接件。
一种不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，包括以下步骤：
提供待连接的不锈钢件、氧化铝瓷件、铝箔及银箔；
将氧化铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件放入连接模具中，使铝箔和银箔夹置在氧化铝陶瓷件与不锈钢件之间，并且铝箔与氧化铝陶瓷件相邻接，银箔与不锈钢件相邻接；
将连接模具放入热压烧结炉中，在保护气氛下对氧化铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件进行固相扩散连接，以制成不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件。
一种由上述方法制得的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件，包括不锈钢件、氧化铝陶瓷件及连接该不锈钢件与该氧化铝陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、铝层、第二过渡层、银层及第三过渡层，该第一过渡层位于氧化铝陶瓷件与铝层之间，第一过渡层由铝及氧化铝组成，该第二过渡层位于铝层与该银层之间，第二过渡层由银铝金属间化合物及银铝固熔体组成，该第三过渡层位于银层与不锈钢件之间，第三过渡由银铁金属间化合物及银铁固熔体组成。
相较于现有技术，上述不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法在热压烧结炉中通过在氧化铝陶瓷件一侧施加容易在低温下与氧化铝陶瓷发生反应连接的铝箔，在不锈钢件一侧则施加不容易与不锈钢生成金属间化合物的银箔共同作为连接介质，实现氧化铝陶瓷件与不锈钢件的低温固相扩散连接。铝箔与氧化铝陶瓷件的低温反应活性较大，易于低温连接；而施加在不锈钢件一侧的银箔与不锈钢的固熔性好，不易与不锈钢生成金属间化合物，有利于提高连接强度。
附图说明
图1为本发明较佳实施例不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法原理示意图。
图2为本发明较佳实施例的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件的剖面示意图。
主要元件符号说明
不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件 10
氧化铝陶瓷件 20
不锈钢件 30
铝箔 40
银箔 50
连接模具 70
上压头 72
下压头 74
中模 76
连接部 80
第一过渡层 81
铝层 82
第二过渡层 83
铝层 84
第三过渡层 85
热压烧结炉 100
具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施例的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法通过低温固相扩散来完成，该方法包括如下步骤：
(1)提供待连接的氧化铝陶瓷件20和不锈钢件30，同时提供铝箔40和银箔50作为连接介质。该铝箔40和银箔50的厚度均大约为0.1～0.5mm，其较佳厚度为0.2～0.3mm。
(2)对氧化铝陶瓷件20、不锈钢件30、铝箔40和银箔50分别进行打磨、清洗，并吹干。本实施例用金相砂纸进行打磨，经打磨后氧化铝陶瓷件20、不锈钢件30、铝箔40和银箔50表面较为平整，表面粗糙度大约为1～2微米。然后用盛装有乙醇的超声波清洗仪中进行振动清洗5～15分钟，以除去氧化铝陶瓷件20、不锈钢件30、铝箔40和银箔50表面杂质及油污等，清洗后吹干备用。以下将氧化铝陶瓷件20、不锈钢件30、铝箔40和银箔50统称为工件。
(3)将工件按照氧化铝陶瓷件20-铝箔40-银箔50-不锈钢件30的顺序放入一连接模具70中，使铝箔40和银箔50夹置在氧化铝陶瓷件20与不锈钢件30之间，并且铝箔40与氧化铝陶瓷件20相邻接，银箔50与不锈钢件30相邻接。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分别从两侧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2×10-3Pa～8×10-3Pa，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0.2～0.5MPa。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℃/min，连接温度为600～655℃，在连接温度的保温时间为30～60min，轴向压力为20～50MPa。轴向压力的具体施加方法为：在温度到达300℃时，通过上压头72和下压头74开始对工件施力10MPa的轴向压力，之后慢慢增大轴向压力，直至温度为连接温度时轴向压力为最大值。
在上述温度及压力作用下，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30～60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，不利于节约能源，而如果保温时间过短，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。
(6)待冷却后取出不锈钢件30与氧化铝陶瓷件20的连接件。
上述不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法在热压烧结炉100中通过在氧化铝陶瓷件20一侧设置容易在低温下与氧化铝陶瓷发生反应连接的铝箔40，在不锈钢件30一侧则设置不容易与不锈钢生成金属间化合物的银箔50共同作为连接介质，实现氧化铝陶瓷件20与不锈钢件30的低温固相扩散连接。铝箔40与氧化铝陶瓷件20的低温反应活性较大，易于低温连接；而设置在不锈钢件30一侧的银箔50与不锈钢的固熔性好，不易与不锈钢生成金属间化合物，有利于提高连接强度。
图2所示为由上述连接方法制得的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件10，包括该氧化铝陶瓷件20、该不锈钢件30及连接该不锈钢件30与该氧化铝陶瓷件20的连接部80。该连接部80包括一第一过渡层81、一铝层82、一第二过渡层83、一银层84及一第三过渡层85。
该第一过渡层81位于氧化铝陶瓷件20与铝层82之间。第一过渡层81主要由铝和氧化铝组成。第一过渡层81由氧化铝陶瓷件20与所述铝层82发生扩散反应形成。
该第二过渡层83位于铝层82与该银层84之间，其为铝层82与银层84连接的过渡层。第二过渡层83主要由银铝金属间化合物及银铝固熔体组成。
该第三过渡层85位于银层84与不锈钢件30之间，其为银层84与不锈钢件30连接的过渡层。第三过渡层85主要由银铁金属间化合物及银铁固熔体组成。
所述第一过渡层81、第二过渡层83及第三过渡层85的厚度大约均为10～20μm，所述铝层82和银层84的厚度大约均为0.08～0.45mm。
该不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件10的连接部80致密均匀，无裂缝，无孔隙。经测试，该不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件10的不锈钢/氧化铝陶瓷界面的剪切强度大约为20～30MPa，抗拉强度大约为40～50MPa。
Claims (10)
1.一种不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，包括以下步骤：
提供待连接的不锈钢件、氧化铝瓷件、铝箔及银箔；
将氧化铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件放入连接模具中，使铝箔和银箔夹置在氧化铝陶瓷件与不锈钢件之间，并且铝箔与氧化铝陶瓷件相邻接，银箔与不锈钢件相邻接；
将连接模具放入热压烧结炉中，在保护气氛下对氧化铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件进行固相扩散连接，以制成不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件。
2.如权利要求1所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，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10～50℃/min，连接温度为600～655℃，连接温度保温时间为30～60min，轴向压力为20～50MPa。
3.如权利要求1所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该铝箔和该银箔的厚度均为0.1～0.5mm。
4.如权利要求1所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，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铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件压紧并对该氧化铝陶瓷件、铝箔、银箔及不锈钢件施加轴向压力。
5.如权利要求1所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：所述保护气氛为氩气，保护气氛的压力为0.2～0.5MPa。
6.如权利要求1所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：该连接方法还包括在所述固相扩散连接前对该氧化铝陶瓷件、不锈钢件、铝箔及银箔分别进行打磨和清洗的步骤。
7.如权利要求6所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接方法，其特征在于：所述打磨和清洗步骤是指用金刚石砂纸打磨氧化铝陶瓷件，用金相砂纸对不锈钢件、铝箔和银箔进行打磨至表面粗糙度为1～2微米，再用盛装有乙醇的超声波进行振动清洗5～15分钟。
8.一种不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：该不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件包括不锈钢件、氧化铝陶瓷件及连接该不锈钢件与该氧化铝陶瓷件的连接部，该连接部包括第一过渡层、铝层、第二过渡层、银层及第三过渡层，该第一过渡层位于氧化铝陶瓷件与铝层之间，第一过渡层由铝及氧化铝组成，该第二过渡层位于铝层与该银层之间，第二过渡层由银铝金属间化合物及银铝固熔体组成，该第三过渡层位于银层与不锈钢件之间，第三过渡由银铁金属间化合物及银铁固熔体组成，所述不锈钢件、银层、铝层及氧化铝陶瓷件是通过固相扩散连接方式结合成一体的。
9.如权利要求8所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：所述第一过渡层、第二过渡层及第三过渡层的厚度均为10～20μm。
10.如权利要求8所述的不锈钢与氧化铝陶瓷的连接件，其特征在于：所述铝层和银层的厚度均为0.08～0.45mm。
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| 陶瓷与金属扩散连接的研究现状;刘会杰等;《焊接》;20001231(第9期) * |
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