TWI547380B - 錫青銅與碳化矽陶瓷複合件及其製造方法 - Google Patents

Description

錫青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，尤其涉及一種錫青銅與碳化矽陶瓷複合件及其製造方法。

錫青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，錫青銅之耐腐蝕性、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，錫青銅和碳化矽陶瓷連接在一起製備成複合結構，對於錫青銅在惡劣環境中應用具有非常重要之意義。

目前，實現錫青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，錫青銅與碳化矽陶瓷之結合力欠佳。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錫青銅與碳化矽陶瓷複合件。

另外，還有必要提供一種製造上述複合件之製造方法。

一種錫青銅與碳化矽陶瓷複合件，該錫青銅與碳化矽陶瓷複合件包括一錫青銅件、一碳化矽陶瓷件及連接該錫青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、一鋁層、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鋁層之間，第一過渡層主要由鋁碳化合物及矽鋁化合物組成，該第二過渡層位於鋁層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成，該第三過渡層位於鎳層與錫青銅件之間，第三過渡層主要由鎳銅固溶體及鎳銅化合物組成。

一種錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，包括以下步驟：提供一錫青銅件、一碳化矽陶瓷件、一鋁箔及一鎳箔；對該碳化矽陶瓷件、錫青銅件、鋁箔及鎳箔分別進行打磨和清洗；將碳化矽陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件放入一連接模具中，使鋁箔和鎳箔夾放在碳化矽陶瓷件與錫青銅件之間，並且鋁箔與碳化矽陶瓷件相鄰，鎳箔與錫青銅件相鄰；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； 待冷卻後取出錫青銅與碳化矽陶瓷複合件。

上述錫青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鋁箔和鎳箔作為中間介質層，實現碳化矽陶瓷件與錫青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鋁箔作為連接介質，鋁與碳化矽陶瓷較容易發生反應結合，在錫青銅一側施加熱膨脹係數與錫青銅相近之鎳箔作為連接介質，且鎳之膨脹係數介於錫青銅與鋁之間，同時鎳與鋁能實現良好結合；如此，碳化矽陶瓷、鋁、鎳、錫青銅之熱膨脹係數逐漸增大，形成了碳化矽陶瓷至錫青銅之階梯式變化，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‧‧‧錫青銅與碳化矽陶瓷複合件

20‧‧‧碳化矽陶瓷件

30‧‧‧錫青銅件

40‧‧‧鋁箔

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‧‧‧鋁層

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之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之剖面示意圖。

圖2為製造圖1所示之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之設備示意圖。

圖1所示本發明較佳實施例之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件10剖面示意圖。錫青銅與碳化矽陶瓷複合件10包括該碳化矽陶瓷件20、該錫青銅件30及連接該錫青銅件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、一鋁層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與鋁層82之間。第一過渡層81主要由鋁碳化合物及矽鋁化合物組成，如碳化鋁等。該第二過渡層83位於鋁層82與該鎳層84之間，其為鋁層82與鎳層84連接之過渡層。第二過渡層83主要由 鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成。該第三過渡層85位於鎳層84與錫青銅件30之間，其為鎳層84與錫青銅件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。因為錫青銅中含有原子百分含量不高於10%之錫(Sn)，因此第三過渡層85還包括鎳錫化合物及鎳錫固溶體。

該錫青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，該錫青銅與碳化矽陶瓷複合件10之錫青銅/碳化矽陶瓷介面之剪切強度可達50~80MPa，抗拉強度達60~100MPa。

請參閱圖2，所述複合件10之製造方法主要包括如下步驟：(1)提供待連接之碳化矽陶瓷件20和錫青銅件30，同時提供鋁箔40和鎳箔50作為連接介質。該鋁箔40之厚度大約為0.1~0.5mm，鎳箔50之厚度大約為0.1~0.5mm。

(2)對碳化矽陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔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，用碳化矽砂紙對錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50進行打磨，使碳化矽陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50表面較為平整。碳化矽陶瓷件20、錫青銅件30、鋁箔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、錫青銅件30、鋁箔40和鎳箔50表面雜質及油污等。清洗後吹幹備用。

(3)將碳化矽陶瓷件20、鋁箔40、鎳箔50、錫青銅件30依序層 疊放置於放入一連接模具70中，使鋁箔40和鎳箔50位於碳化矽陶 瓷件20與錫青銅件30之間，並且鋁箔40與碳化矽陶瓷件20相鄰，鎳箔50與錫青銅件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，在保護氣氛下使工 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，本實施例中，對熱壓燒結爐100抽真空至5×10-3Pa。然後充入氬氣作為保護氣氛，充入氬氣直至熱壓燒結爐100內壓力為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1~20℃/min，連接時溫度為680~980℃，連接時溫度之保溫時間為40~80min，軸向壓力為10~50MPa。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)待冷卻後取出錫青銅件30與碳化矽陶瓷件20之複合件。

上述錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法在熱壓燒結爐100中藉由鋁箔40和鎳箔50作為中間介質層，實現碳化矽陶瓷件20與錫青銅件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鋁箔作為連接介質，鋁與碳化矽陶瓷較容易發生反應結合，在錫青銅一側施加熱膨脹係數與錫青銅相近之鎳箔作為連接介質，且鎳之膨脹係數介於錫青銅與鋁之間，同時鋁與鎳能實現良好結合；如此，碳化矽陶瓷、鋁、鎳、錫青銅之熱膨 脹係數逐漸增大，形成了碳化矽陶瓷至錫青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。

20‧‧‧碳化矽陶瓷件

30‧‧‧錫青銅件

40‧‧‧鋁箔

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 (9)

1. 一種錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，包括以下步驟：提供一錫青銅件、一碳化矽陶瓷件、一鋁箔及一鎳箔；將碳化矽陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件放入一連接模具中，使鋁箔和鎳箔夾放在碳化矽陶瓷件與錫青銅件之間，並且鋁箔與碳化矽陶瓷件相鄰，鎳箔與錫青銅件相鄰；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，在保護氣氛下使碳化矽陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件連接為錫青銅與碳化矽陶瓷複合件；待冷卻後取出錫青銅與碳化矽陶瓷複合件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述碳化矽陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件之連接為固相擴散連接，該固相擴散連接係在如下工藝參數下進行：升溫速率為1~20℃/min，連接時溫度為680~980℃，連接時溫度之保溫時間為40~80min，軸向壓力為10~50MPa。
3. 如申請專利範圍第1項所述之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之製造方法，其中所述鋁箔之厚度為0.1~0.5mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之錫青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0.1~0.5mm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之錫青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、鋁箔、鎳箔及錫青銅件壓緊並對 該碳化矽陶瓷件、鋁箔、鎳箔及錫青銅件施加軸向壓力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之錫青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，用碳化矽砂紙對錫青銅件、鋁箔和鎳箔進行打磨，再用盛裝有乙醇之超聲波清洗器進行振動清洗5~15分鐘。
7. 一種錫青銅與碳化矽陶瓷複合件，該錫青銅與碳化矽陶瓷複合件包括一錫青銅件、一碳化矽陶瓷件及連接該錫青銅件與該碳化矽陶瓷件之連接層，其特徵在於：該連接層包括一第一過渡層、一鋁層、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鋁層之間，第一過渡層主要由鋁碳化合物及矽鋁化合物組成，該第二過渡層位於鋁層與該鎳層之間，第二過渡層主要由鋁鎳化合物及鋁鎳固溶體組成，該第三過渡層位於鎳層與錫青銅件之間，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項所述之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件，其中該錫青銅與碳化矽陶瓷複合件之錫青銅/碳化矽陶瓷介面之剪切強度為50~80MPa，抗拉強度為60~100MPa。
9. 如申請專利範圍第7項所述之錫青銅與碳化矽陶瓷複合件，其中該第三過渡層還包括鎳錫化合物及鎳錫固溶體。