CN103273155B - 一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法，在碳化硅陶瓷与不锈钢待连接的接触面之间添加Al-Si中间合金，并将待连接的碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢板工件用扩散连接设备的上、下压头压紧，置于真空室中，真空扩散连接，工艺参数为：加热温度500℃～540℃，保温时间25min～50min，压力40MPa～90MPa，真空度为1.33×10^-3Pa～1.33×10^-2Pa；冷却、清洗、烘干既得。本发明通过添加Al-Si合金箔，在扩散连接过程中在接触表面形成过渡液相，实现碳化硅陶瓷与不锈钢的扩散连接。Al-Si合金箔的熔化温度远低于铁素体不锈钢的软化温度，有利于促进碳化硅陶瓷/不锈钢界面形成良好的扩散结合。

Description

一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷与不锈钢的扩散连接方法，尤其涉及一种添加中间合金扩散连接碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的方法，属于焊接技术领域。

背景技术

陶瓷是硬而脆的高熔点材料，具有低的导热性、良好的化学稳定性和热稳定性，以及较高的压缩强度和独特的性能，如绝缘和电、磁、声、光、热及生物相容性等，日益受到人们的重视。由于陶瓷材料的本征脆性以及制备高性能构件的难度很大，将陶瓷与不锈钢连接在一起制备成复合结构，在能源、化工、电子、机械和航空航天等领域有广泛的应用前景。

目前将碳化硅陶瓷与不锈钢连接在一起主要是采用钎焊方法，包括陶瓷-不锈钢金属化钎焊法和陶瓷-不锈钢活性钎焊法等。采用钎焊方法连接陶瓷-不锈钢虽然可以获得连接良好的接头，但钎焊接头的使用温度一般不超过300～500℃，不能充分发挥陶瓷材料的耐高温和热稳定性的优势。如果要获得具有一定耐高温性能的碳化硅陶瓷/不锈钢钎焊接头，必须采用高温钎料在1000～1300℃下进行钎焊连接，一般是采用以贵金属为基的合金，如金、铂、镍等。由于受焊接成本的影响，采用贵金属钎料钎焊碳化硅陶瓷与不锈钢的应用受到很大的限制。

现有的扩散连接方法也是多以贵金属为中间合金，而且温度较高，不仅成本高，也不利于扩散反应。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，针对碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢，提出一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法，实现碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接，获得界面结合良好和满足使用要求的碳化硅陶瓷与不锈钢焊接接头。

本发明采取的技术方案为：

一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法，包括步骤如下：

（1）清理碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的待连接表面，并用酒精将待连接工件表面擦拭干净、吹干；

（2）将碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢板水平放置，在碳化硅陶瓷与不锈钢待连接的接触面之间添加Al-Si中间合金，并将待连接的碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢板工件用扩散连接设备的上、下压头压紧，置于真空室中，真空扩散连接，工艺参数为：加热温度500℃～540℃，保温时间25min～50min，压力40MPa～90MPa，真空度为1.33×10^-3Pa～1.33×10^-2Pa；

（3）真空室用水循环冷却，待扩散连接完成和真空室冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却至30℃以下（约需5～8h）即可取出扩散连接工件；

（4）用热水清洗、烘干后，即得到扩散接合良好的碳化硅陶瓷与不锈钢的连接件。

上述制备方法中，步骤（1）所述铁素体不锈钢的待焊表面清理步骤是先经过喷砂处理，然后进行砂纸打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra1.6～4.2。薄件和小件不必进行喷砂处理，扩散连接处用砂纸打磨干净、露出金属光泽即可。

上述步骤（2）所述的Al-Si中间合金是指厚度100μm～300mm的Al-Si合金箔，它们以顺序为“碳化硅陶瓷－Al-Si合金箔－铁素体不锈钢”的方式放置。

其中，上述Al-Si合金箔的化学成分（以质量百分数计）为：Si5.5%～6.5%，Cu3.3%～4.7%，Zn0.10%～0.20%，Fe0.4%～0.6%，Ti0.10%～0.20%，Mn0.05%～0.10%，其余为Al。

本发明的添加中间合金扩散连接碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的方法，是通过添加Al-Si合金箔，在扩散连接过程中在接触表面形成过渡液相，实现碳化硅陶瓷与不锈钢的扩散连接。Al-Si合金箔的熔化温度远低于铁素体不锈钢的软化温度，有利于促进碳化硅陶瓷/不锈钢界面形成良好的扩散结合。在扩散连接过程中施加压力，可以减小碳化硅陶瓷、中间合金与不锈钢之间的微观间隙，增大碳化硅陶瓷和不锈钢与中间合金的接触面积，促进碳化硅陶瓷/不锈钢界面处的原子扩散，有利于扩散反应，提高碳化硅陶瓷/不锈钢扩散连接界面的结合强度。

本发明的碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法具有成本低、工艺简便，适用性强、便于推广应用等优点。本发明的方法尤其适用于碳化硅陶瓷－不锈钢复合层的制备，也可应用于其他陶瓷－不锈钢复合结构件的制造。

具体实施方式

实施例1：

直径30mm×10mm的碳化硅陶瓷与直径30mm×60mm的00Cr18Mo2铁素体不锈钢圆柱体的扩散连接。

具体工艺步骤如下：

（1）将直径30mm×60mm的00Cr18Mo2铁素体不锈钢圆柱体待连接表面砂纸打磨，露出金属光泽，使待连接面的粗糙度达到Ra2.0～4.0；然后用酒精将表面擦拭干净，吹干。另用酒精将直径30mm×10mm的碳化硅陶瓷待连接表面擦洗干净，吹干。

（2）在碳化硅陶瓷与00Cr18Mo2铁素体不锈钢的待连接接触面之间，放置厚度180μm的Al-Si合金箔，Al-Si合金箔的化学成分（以质量百分数计）为：Si6.2%，Cu3.6%，Zn0.15%，Fe0.5%，Ti0.18%，Mn0.10%，其余为Al。

（3）将夹有Al-Si合金箔的碳化硅陶瓷与00Cr18Mo2不锈钢圆柱状组合件放置于扩散焊设备的真空室中，并用上、下压头压紧；进行真空扩散连接，工艺参数为：加热温度540℃，保温时间35min，压力60MPa，真空度为1.33×10^-3Pa。

（4）待扩散连接的保温时间35min后，通过水循环系统冷却真空室，待真空室冷却至100℃以下时，停止水循环冷却；然后真空室自然冷却到30℃后，取出碳化硅陶瓷/00Cr18Mo2不锈钢扩散连接件。

（5）用热水清洗，烘干后，得到扩散接合良好的碳化硅陶瓷与00Cr18Mo2不锈钢的连接件。经测试，制得碳化硅陶瓷与00Cr18Mo2铁素体不锈钢扩散焊界面的剪切强度达140MPa。

实施例2：

20mm×20mm×4mm的碳化硅陶瓷与20mm×20mm×30mm的1Cr17Mo铁素体不锈钢方柱体的扩散连接。

具体工艺步骤如下：

（1）将1Cr17Mo铁素体不锈钢待连接表面用砂纸打磨，露出金属光泽，使其表面粗糙度达到Ra2.5～4.0μm；再用酒精将表面擦拭干净，吹干。另用酒精将碳化硅陶瓷待焊表面擦洗干净，吹干。

（2）在碳化硅陶瓷与1Cr17Mo铁素体不锈钢的待连接接触面之间，放置厚度150μm的Al-Si合金箔，Al-Si合金箔的化学成分（以质量百分数计）为：Si6.2%，Cu3.6%，Zn0.15%，Fe0.5%，Ti0.18%，Mn0.10%，其余为Al。

（3）将夹有Al-Si合金箔的碳化硅陶瓷与1Cr17Mo铁素体不锈钢组合件放置于真空扩散焊设备的真空室中，用上、下压头压紧，进行真空扩散连接，工艺参数为：加热温度510℃，保温时间45min，压力55MPa，真空度为1.33×10^-3Pa。

（4）待扩散连接的保温时间50min后，通过水循环系统冷却真空室，待真空室冷却至100℃以下时，停止水循环冷却；然后真空室自然冷却到30℃后，取出碳化硅陶瓷/1Cr17Mo不锈钢扩散连接件。

（5）用热水清洗，烘干后，得到扩散接合良好的碳化硅陶瓷与1Cr17Mo不锈钢的连接件。经测试，制得碳化硅陶瓷与1Cr17Mo铁素体不锈钢扩散焊界面的剪切强度达152MPa。

Claims (2)

1.一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法，其特征是，包括步骤如下：(1)清理碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的待连接表面，并用酒精将待连接工件表面擦拭干净、吹干；(2)将碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢板水平放置，在碳化硅陶瓷与不锈钢待连接的接触面之间添加Al-Si中间合金，并将待连接的碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢板工件用扩散连接设备的上、下压头压紧，置于真空室中，真空扩散连接，工艺参数为：加热温度500℃～540℃，保温时间25min～50min，压力40MPa～90MPa，真空度为1.33×10^-3Pa～1.33×10^-2Pa；所述的Al-Si中间合金是指厚度100μm～300mm的Al-Si合金箔；(3)真空室用水循环冷却，待扩散连接完成和真空室冷却至100℃以下时，停止水循环冷却，真空室自然冷却至30℃以下即可取出扩散连接工件；(4)用热水清洗、烘干后，即得到扩散接合良好的碳化硅陶瓷与不锈钢的连接件；

Al-Si合金箔的化学成分以质量百分数计为：Si 5.5％～6.5％，Cu 3.3％～4.7％，Zn 0.10％～0.20％，Fe 0.4％～0.6％，Ti 0.10％～0.20％，Mn 0.05％～0.10％，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷与铁素体不锈钢的扩散连接方法，其特征是，步骤(1)所述铁素体不锈钢的待焊表面清理步骤是先经过喷砂处理，然后进行砂纸打磨，或不经喷砂直接打磨，使待焊面的粗糙度达到Ra 1.6～4.2。