TWI547379B - 黃銅與碳化矽陶瓷複合件及其製造方法 - Google Patents

Description

黃銅與碳化矽陶瓷複合件及其製造方法

本發明涉及一種金屬與陶瓷之複合件及其製造方法，尤其涉及一種黃銅與碳化矽陶瓷複合件及其製造方法。

黃銅在常溫下具有較好之耐腐蝕性能，被廣泛應用於製造各種工程結構和機械零件。然而，在高溫、腐蝕性等較為惡劣之環境下，黃銅之耐腐蝕性、耐磨性、抗沖蝕性、耐高溫性能等已經很難滿足現代生產技術之進一步需求。而碳化矽陶瓷具有硬度高、高溫抗腐蝕、耐磨損、抗沖蝕等優點。因此，黃銅和碳化矽陶瓷連接在一起製備成複合結構，對於黃銅在惡劣環境中應用具有非常重要之意義。

目前，實現黃銅與碳化矽陶瓷之連接主要係在兩者間添加中間單層或多層金屬層，在高溫下實現兩者之擴散連接。採用單層金屬層難於形成熱膨脹係數之階梯式變化，在降低熱應力上作用有限，且結合力欠佳。而目前採用之多層金屬層更注重中間金屬層之活性和相互間之反應，未能充分考慮到熱膨脹係數要形成階梯式變換，不能大幅降低熱應力。

有鑒於此，有必要提供一種易於實現之、可獲得較高連接強度之黃銅與碳化矽陶瓷複合件。

另外，還有必要提供一種製造上述黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法。

一種黃銅與碳化矽陶瓷複合件，該黃銅與碳化矽陶瓷之複合件包括一黃銅件、一碳化矽陶瓷件及連接該黃銅件與該碳化矽陶瓷件之連接層，該連接層包括一第一過渡層、一鈦層、一第二過渡層、一鎳層及一第三過渡層，該第一過渡層位於碳化矽陶瓷件與鈦層之間，第一過渡層主要由鈦碳化合物及矽鈦化合物組成，該第二過渡層位於鈦層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鈦鎳化合物及鈦鎳固溶體組成，該第三過渡層位於鎳層與黃銅件之間，第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。

一種黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，包括以下步驟：提供一黃銅件、一碳化矽陶瓷件、一鈦箔及一鎳箔；對該碳化矽陶瓷件、黃銅件、鈦箔及鎳箔分別進行打磨和清洗；將碳化矽陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件放入一連接模具中，使鈦箔和鎳箔夾放在碳化矽陶瓷件與黃銅件之間，並且鈦箔與碳化矽陶瓷件相鄰，鎳箔與黃銅件相鄰；將連接模具放入一熱壓燒結爐中，對熱壓燒結爐抽真空至10-3Pa級，然後充入氬氣作為保護氣氛，充入氬氣後熱壓燒結爐內壓力為0.3~0.6MPa，並在保護氣氛下將熱壓燒結爐升溫，在保護氣氛下進行固相擴散連接； 待冷卻後取出黃銅與碳化矽陶瓷複合件。

相較於習知技術，上述黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法在熱壓燒結爐中藉由施加鈦箔和鎳箔作為中間介質層，實現碳化矽陶瓷件與黃銅件之固相擴散連接。在碳化矽陶瓷件一側施加膨脹係數與碳化矽陶瓷相近之鈦箔作為連接介質，鈦與碳化矽陶瓷較容易發生反應結合，在黃銅一側施加熱膨脹係數與黃銅相近之鎳箔作為連接介質，且鎳之膨脹係數介於黃銅與鈦之間，同時鎳與鈦能實現良好結合；如此，碳化矽陶瓷、鈦、鎳、黃銅之熱膨脹係數逐漸增大，形成了碳化矽陶瓷至黃銅之階梯式變化，有效降低了熱應力，提高了結合力。且各金屬間產生之金屬間化合物較少，不會造成結合強度下降。

10‧‧‧黃銅與碳化矽陶瓷之複合件

20‧‧‧碳化矽陶瓷件

30‧‧‧黃銅件

40‧‧‧鈦箔

50‧‧‧鎳箔

70‧‧‧連接模具

72‧‧‧上壓頭

74‧‧‧下壓頭

76‧‧‧中模

80‧‧‧連接層

81‧‧‧第一過渡層

82‧‧‧鈦層

83‧‧‧第二過渡層

84‧‧‧鎳層

85‧‧‧第三過渡層

100‧‧‧熱壓燒結爐

圖1為本發明較佳實施例黃銅與碳化矽陶瓷之製造方法原理圖。

圖2為本發明較佳實施例之黃銅與碳化矽陶瓷之複合件之剖面示意圖。

請參閱圖1，本發明較佳實施例之黃銅與碳化矽陶瓷之製造方法主要藉由固相擴散來完成，該方法主要包括如下步驟：

(1)提供待連接之碳化矽陶瓷件20和黃銅件30，同時提供鈦箔40和鎳箔50作為連接介質。該鈦箔40之厚度大約為0.1~0.3mm，鎳箔50之厚度大約為0.1~0.3mm。

(2)對碳化矽陶瓷件20、黃銅件30、鈦箔40和鎳箔50分別進行打磨、清洗，並吹幹。本實施例用金剛石砂紙打磨碳化矽陶瓷件 20，用碳化矽砂紙對黃銅件30、鈦箔40和鎳箔50進行打磨，使碳化矽陶瓷件20、黃銅件30、鈦箔40和鎳箔50表面較為平整。碳化矽陶瓷件20、黃銅件30、鈦箔40和鎳箔50放入盛裝有乙醇溶液之超聲波清洗器中進行振動清洗5~15分鐘，以除去碳化矽陶瓷件20、黃銅件30、鈦箔40和鎳箔50表面維質及油污等。清洗後吹幹備用。

(3)將碳化矽陶瓷件20、鈦箔40、鎳箔50、黃銅件30依序層疊放置於放入一連接模具70中，使鈦箔40和鎳箔50位於碳化矽陶瓷件20與黃銅件30之間，並且鈦箔40與碳化矽陶瓷件20相鄰，鎳箔50與黃銅件30相鄰。該連接模具70包括上壓頭72、下壓頭74及中模76。該中模76具有一模腔(圖未標)，用於容置待連接工件。該上壓頭72和下壓頭74分別從兩端將放置於模腔中之工件壓緊。該連接模具70可以為石墨材料製成。

(4)將連接模具70放入一熱壓燒結爐100中，在保護氣氛下對工件進行固相擴散連接。連接模具70放入熱壓燒結爐100後對熱壓燒結爐100抽真空至10-3Pa級，然後充入氬氣作為保護氣氛，充入氬氣後熱壓燒結爐100內壓力可為0.3~0.6MPa。在保護氣氛下將熱壓燒結爐100升溫，並在如下工藝參數下對工件進行固相擴散連接：升溫速率為10~50℃/min，連接時溫度為650~900℃，連接時溫度之保溫時間為30~70min，軸向壓力為10~40MPa。軸向壓力之具體施加方法為：上壓頭72和下壓頭74開始對工件施加10MPa之軸向壓力，加熱，在溫度到達300℃後慢慢增大軸向壓力，直至溫度為連接時溫度時，軸向壓力為最大值。

(5)待冷卻後取出黃銅件30與碳化矽陶瓷件20複合件。

上述黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法在熱壓燒結爐100中藉由鈦箔40和鎳箔50作為中間介質層，實現碳化矽陶瓷件20與黃銅件30之固相擴散連接。在碳化矽陶瓷件一側施加膨脹係數與碳化矽陶瓷相近之鈦箔作為連接介質，鈦與碳化矽陶瓷較容易發生反應結合，在黃銅一側施加熱膨脹係數與黃銅相近之鎳箔作為連接介質，且鎳之膨脹係數介於黃銅與鈦之間，同時鈦與鎳能實現良好結合；如此，碳化矽陶瓷、鈦、鎳、黃銅之熱膨脹係數逐漸增大，形成了碳化矽陶瓷至黃銅熱膨脹係數之階梯式變化，有效降低了熱應力提高結合力。且各金屬間產生之金屬間化合物較少，不會造成結合強度下降。

圖2所示為由上述製造方法制得之黃銅與碳化矽陶瓷複合件10，包括該碳化矽陶瓷件20、該黃銅件30及連接該黃銅件30與該碳化矽陶瓷件20之連接層80。該連接層80包括一第一過渡層81、一鈦層82、一第二過渡層83、一鎳層84及一第三過渡層85。該第一過渡層81位於碳化矽陶瓷件20與鈦層82之間。第一過渡層81主要由鈦碳化合物及矽鈦化合物組成，如碳化鈦等。該第二過渡層83位於鈦層82與該鎳層84之間，其為鈦層82與鎳層84連接之過渡層。第二過渡層83主要由鈦鎳化合物及鈦鎳固溶體組成。該第三過渡層85位於鎳層84與黃銅件30之間，其為鎳層84與黃銅件30連接之過渡層。第三過渡層85主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。

該黃銅與碳化矽陶瓷複合件10之連接層80緻密均勻，無裂縫，無孔隙。經測試，該黃銅與碳化矽陶瓷複合件10之黃銅/碳化矽陶瓷介面之剪切強度可達50~80MPa，抗拉強度達60~100MPa。

20‧‧‧碳化矽陶瓷件

30‧‧‧黃銅件

40‧‧‧鈦箔

50‧‧‧鎳箔

70‧‧‧連接模具

72‧‧‧上壓頭

74‧‧‧下壓頭

76‧‧‧中模

100‧‧‧熱壓燒結爐

Claims (8)

1. 一種黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，包括以下步驟：提供一黃銅件、一碳化矽陶瓷件、一鈦箔及一鎳箔；對該碳化矽陶瓷件、黃銅件、鈦箔及鎳箔分別進行打磨和清洗；將碳化矽陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件放入一連接模具中，使鈦箔和鎳箔夾放在碳化矽陶瓷件與黃銅件之間，並且鈦箔與碳化矽陶瓷件相鄰，鎳箔與黃銅件相鄰；將連接模具放入一熱壓燒結爐中，對熱壓燒結爐抽真空至10-3Pa級，然後充入氬氣作為保護氣氛，充入氬氣後熱壓燒結爐內壓力為0.3~0.6MPa，並在保護氣氛下將熱壓燒結爐升溫，在保護氣氛下進行固相擴散連接；待冷卻後取出黃銅與碳化矽陶瓷複合件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述固相擴散連接係在如下工藝參數下進行：升溫速率為10~50℃/min，連接時溫度為650~900℃，連接時溫度之保溫時間為30~70min，軸向壓力為10~40MPa。
3. 如申請專利範圍第1項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述鈦箔之厚度為0.1~0.3mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述鎳箔之厚度為0.1~0.3mm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中該連接模具包括一上壓頭和一下壓頭，該上壓頭和下壓頭分別從兩端將放置於連接模具中之碳化矽陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件壓緊並對該碳 化矽陶瓷件、鈦箔、鎳箔及黃銅件施加軸向壓力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述打磨和清洗步驟係指用金剛石砂紙打磨碳化矽陶瓷件，用碳化矽砂紙對黃銅件、鈦箔和鎳箔進行打磨，再用盛裝有乙醇之超聲波進行振動清洗5~15分鐘。
7. 一種黃銅與碳化矽陶瓷複合件，該黃銅與碳化矽陶瓷之複合件包括一黃銅件、一碳化矽陶瓷件及連接該黃銅件與該碳化矽陶瓷件之連接層，其改良在於：該連接層包括一第一過渡層、一鈦層、一第二過渡層、一鎳層及一第三過渡層，該第一過渡層位於碳化矽陶瓷件與鈦層之間，第一過渡層主要由鈦碳化合物及矽鈦化合物組成，該第二過渡層位於鈦層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鈦鎳化合物及鈦鎳固溶體組成，該第三過渡層位於鎳層與黃銅件之間，第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。
8. 如申請專利範圍第7項所述之黃銅與碳化矽陶瓷複合件，其中該黃銅與碳化矽陶瓷之複合件之黃銅/碳化矽陶瓷介面之剪切強度為50~80MPa，抗拉強度為60~100MPa。