專利名稱：錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法及制得的連接件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬與陶瓷的連接方法及制得的連接件，尤其涉及一種錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法及制得的連接件。
背景技術：
由于錫青銅與氧化鋁陶瓷在晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)、熔點等方面存在巨大的差異， 使得兩者之間的連接非常困難。目前可能采用的連接方法有釬焊、固相擴散連接及瞬間液相擴散連接，但這些方法存在許多不足釬焊的連接溫度通常較低，但由于釬料的熔點普遍較低，因此釬焊難于制得能在高溫下使用的接頭；對于固相擴散連接，要實現(xiàn)與陶瓷的連接需要很高的溫度，而且在連接溫度下保溫時間常常大于1小時，加工時間長，能耗大；使用瞬間液相擴散連接方法來實現(xiàn)錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接，必須使二者均出現(xiàn)液相，受到錫青銅與氧化鋁陶瓷之間的熔點、擴散性能等差異的影響，需要延長液相保持時間，而連接時間過長容易使錫青銅過多的熔化而溢流至接頭以外，影響接頭質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種有效的、可獲得較高結(jié)合強度的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法。另外，還有必要提供一種由上述連接方法制得的連接件。一種錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供待連接的錫青銅件、氧化鋁陶瓷件，及金屬中間層作為連接介質(zhì)；對該錫青銅件、氧化鋁陶瓷件及金屬中間層的待連接表面進行打磨、清洗并吹干；提供一石墨模具，該石墨模具包括上壓頭、下壓頭及中模，該中模包括上部、與上部連接的下部及貫通該上部及下部的容置部，該上部沿垂直于上部與下部連接方向的截面積小于下部沿垂直于上部與下部連接方向的截面積；將該錫青銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層放入中模的容置部，使金屬中間層夾放在錫青銅件與氧化鋁陶瓷件之間，氧化鋁陶瓷件位于上部，錫青銅件位于下部，然后用所述上、下壓頭壓緊；將該石墨模具放入一放電等離子體燒結(jié)設備的爐膛中，對錫青銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層施加脈沖電流以進行放電等離子體連接；待冷卻后取出錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。一種由上述方法制得的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件，該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件包括一錫青銅件、一氧化鋁陶瓷件及連接該錫青銅件與該氧化鋁陶瓷件的連接部， 該連接部包括一銅層、第一過渡層、一鎳層、一第二過渡層、一鈦層及一第三過渡層，該銅層與錫青銅件連接，該第一過渡層位于銅層與鎳層之間，第一過渡層由銅與鎳的固熔體及銅鎳金屬間化合物組成，該第二過渡層位于鎳層與該鈦層之間，第二過渡層由鎳鈦固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，該第三過渡層位于鈦與氧化鋁陶瓷件之間，第三過渡層主要由鈦氧化合物及鈦鋁金屬間化合物組成。相較于現(xiàn)有技術，上述錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法通過采用一放電等離子體燒結(jié)設備(或者稱脈沖電流加熱設備)對錫青銅件、氧化鋁陶瓷件及金屬中間層施加脈沖電流使工件升溫，并且根據(jù)錫青銅與氧化鋁陶瓷的熔點差異，設計石墨模具的上部與下部具有不同的截面積，將氧化鋁陶瓷件位于具有較大截面積的上部，而錫青銅件置于具有具有較小截面積的下部，因此，當電流通過該石墨模具時，上部的電流密度大于下部的電流密度，使位于同一模具中的錫青銅件與氧化鋁陶瓷件受到不同電流密度的作用，作用于氧化鋁陶瓷件的電流密度大于作用于錫青銅件的電流密度，由此使氧化鋁陶瓷件的升溫速率大于錫青銅件的升溫速率，從而使錫青銅件與氧化鋁陶瓷件可以幾乎同時分別達到各自的軟化溫度而軟化，由此可以縮短保溫時間，降低能耗。由該方法制得的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件具有較大的剪切強度。


圖1為本發(fā)明較佳實施例錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法中使用的放電等離子體燒結(jié)設備的示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實施例使用圖1所示放電等離子體燒結(jié)設備進行錫青銅與氧化鋁陶瓷連接的示意圖。圖3為由本發(fā)明較佳實施例的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法所制得的連接件的結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號說明
放電等離子體燒結(jié)設備10
軸向壓力系統(tǒng)11
正、負電極12
爐膛13
直流脈沖電源14
控制系統(tǒng)15
錫青銅件20
氧化鋁陶瓷件30
金屬中間層40
銅箔41
鎳箔42
鈦箔43
石墨模具50
上壓頭51
下壓頭52
中模53
上部532
下部534
容置部536錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件100連接部60銅層61第一過渡層62鎳層63第二過渡層64鈦層65第三過渡層6具體實施例方式請參閱圖1及圖2，本發(fā)明較佳實施例的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法主要通過采用一放電等離子體燒結(jié)設備10來完成，該方法主要包括如下步驟(1)提供一待連接的錫青銅件20、一氧化鋁陶瓷件30及金屬中間層40作為連接介質(zhì)。該金屬中間層40可由一銅箔41、一鎳箔42及一鈦箔43組成，其中該銅箔41的厚度大約為0. 1 0. 3mm,該鎳箔42的厚度大約為0. 3 0. 6mm,該鈦箔43的厚度大約為0. 1 0. 3mm。(2)對錫青銅件20、氧化鋁陶瓷件30及各金屬中間層40的待連接表面進行打磨和清洗，并吹干。本實施例中可以使用400 800目的金相砂紙對錫青銅件20、氧化鋁陶瓷件30及金屬中間層40打磨，以初步去除表面氧化膜；然后用稀鹽酸或稀硫酸溶液進行清洗；酸清洗后用水沖洗并吹干。以下將錫青銅件20、氧化鋁陶瓷件30及金屬中間層40統(tǒng)稱為工件。(3)提供一石墨模具50，用于裝載工件并置于放電等離子體燒結(jié)設備10中進行放電等離子體連接。該石墨模具50包括上壓頭51、下壓頭52及中模53。該中模53包括一上部532、與該上部532連接的下部5；34及貫通該上部532及下部534的容置部536。該上部532沿垂直于上部532與下部534連接方向(即圖2中A-A方向)的截面積小于下部 534沿垂直于上部532與下部534連接方向(即圖2中B-B方向)的截面積，且下部534的截面積大約為上部532截面積的1.3 2. 5倍，較佳為1.5 2倍。所述容置部536用于容置待連接工件。所述上壓頭51和下壓頭52分別用于從上部532和下部534 —側(cè)壓緊工件，并對工件施壓。該石墨模具50由于其上部532的截面積小于下部534的截面積，當電流通過該石墨模具50時，流經(jīng)上部532的電流密度將大于流經(jīng)下部534的電流密度。(4)請參圖2，將工件放入石墨模具50中，使金屬中間層40夾放在錫青銅件20與氧化鋁陶瓷件30之間，使銅箔41鄰接錫青銅件20，鈦箔43鄰接氧化鋁陶瓷件30，而鎳箔 42置于銅箔41與鈦箔43之間。并且，使氧化鋁陶瓷件30位于上部532 ；錫青銅件20位于下部534。然后，用上壓頭51和下壓頭52分別從上部532和下部534 —側(cè)將工件壓緊。(5)提供一放電等離子體燒結(jié)設備10，比如可采用日本住友石炭公司生產(chǎn)的SP S 3. 20MK-IV型放電等離子燒結(jié)設備。該放電等離子體燒結(jié)設備10主要包括軸向壓力系統(tǒng) 11，用于對燒結(jié)工件提供軸向壓力；正、負電極12 ；爐膛13 ；直流脈沖電源14，用于對燒結(jié)工件提供脈沖電流，使工件升溫；溫度測量單元(圖未示)及控制系統(tǒng)15等。該直流脈沖電源脈寬比為12 2，最大電流可達5000A。(6)將石墨模具50放入該放電等離子體燒結(jié)設備10的爐膛13中，并且用上壓頭 51和下壓頭52分別與放電等離子體燒結(jié)設備10的正、負電極12對準連接，爐膛13抽真空至真空度為6 10Pa，開啟直流脈沖電源14使工件升溫，設置如下工藝參數(shù)對工件進行放電等離子體連接軸向壓力為20 40MPa，升溫速率為50 300°C /min ；當溫度為700 900°C時，保持該溫度范圍約20 40分鐘時長，該溫度即為連接溫度。(7)待冷卻后取出錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。上述錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，通過采用一放電等離子體燒結(jié)設備10(或者稱脈沖電流加熱設備)對工件施加脈沖電流以使工件升溫，并通過設計石墨模具50的上部532與下部534具有不同的垂直于電流方向的截面積，使氧化鋁陶瓷件30位于具有較小截面積的上部532，而錫青銅件20設于具有較大截面積的下部534，電流通過該石墨模具 50時，上部532的電流密度大于下部534的電流密度，使位于同一模具中的錫青銅件20與氧化鋁陶瓷件30受到不同電流密度的作用，作用于氧化鋁陶瓷件30的電流密度大于作用于錫青銅件20的電流密度，由此使氧化鋁陶瓷件30的升溫速率大于錫青銅件20的升溫速率，從而使錫青銅件20與氧化鋁陶瓷件30可以幾乎同時達到各自的軟化溫度而軟化，由此可以縮短連接時間。另外，在脈沖電流作用下，在錫青銅件20與氧化鋁陶瓷件30之間放電產(chǎn)生高熱等離子體，該等離子體清潔并活化工件的表面，提高工件表面的原子擴散能力。而且，在受脈沖電流作用下，錫青銅件20、氧化鋁陶瓷件30及金屬中間層40產(chǎn)生自發(fā)熱及局部放電熱， 促進了接觸界面的物理、化學反應及原子的擴散。加之在軸向壓力作用下，工件間接觸面積不斷增大，最終達到緊密接觸而連接在一起。該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法在錫青銅件20和氧化鋁陶瓷件30之間依次放置銅箔、鎳箔及鈦箔作為連接介質(zhì)，因鎳與銅具有相近的膨脹系數(shù)，有利于與錫青銅件20 結(jié)合，而鈦的膨脹系數(shù)較低，與氧化鋁陶瓷的膨脹系數(shù)比較接近，且鈦的高溫活性高，有利于與氧化鋁陶瓷件30的結(jié)合。因此，當銅箔、鎳箔及鈦箔一起作為連接介質(zhì)有利于錫青銅件20和氧化鋁陶瓷件30的連接。通過上述方法可實現(xiàn)錫青銅與氧化鋁陶瓷的高強度連接，而且該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法保溫時間短，能耗低，對爐膛真空度要求較低。圖3所示為由上述連接方法制得的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件100，包括該錫青銅件20、該氧化鋁陶瓷件30及連接該錫青銅件20與該氧化鋁陶瓷件30的連接部60。該連接部60包括一銅層61、一第一過渡層62、一鎳層63、一第二過渡層64、一鈦層65及一第三過渡層66。該銅層61直接與錫青銅件20連接，由于銅與錫青銅件20的主要組成比較接近，因此銅層61與錫青銅件20之間沒有產(chǎn)生明顯的過渡層。該第一過渡層62位于銅層 61與鎳層63之間，其為銅層61與鎳層63連接的過渡層。第一過渡層62主要由銅與鎳的固熔體及銅鎳金屬間化合物組成，其厚度大約為20 40mm。該第二過渡層64位于鎳層63 與該鈦層65之間，其為鎳層63與鈦層65連接的過渡層。第二過渡層64主要由鎳鈦固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，其厚度大約為20 40mm。該第三過渡層66位于鈦層65與氧化鋁陶瓷件30之間，第三過渡層66主要由鈦氧化合物、鈦鋁金屬間化合物及少量的鈦鋁固熔體組成，其厚度大約為10 20mm。
該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件100的連接部60致密均勻，無裂縫，無孔隙。經(jīng)檢測，該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件100的錫青銅/氧化鋁陶瓷界面的剪切強度可達50 IOOMPa0
權利要求
1.一種錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，包括以下步驟提供待連接的錫青銅件、氧化鋁陶瓷件，及金屬中間層作為連接介質(zhì)；對該錫青銅件、氧化鋁陶瓷件及金屬中間層的待連接表面進行打磨、清洗并吹干；提供一石墨模具，該石墨模具包括上壓頭、下壓頭及中模，該中模包括上部、與上部連接的下部及貫通該上部及下部的容置部，該上部沿垂直于上部與下部連接方向的截面積小于下部沿垂直于上部與下部連接方向的截面積；將該錫青銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層放入中模的容置部，使金屬中間層夾放在錫青銅件與氧化鋁陶瓷件之間，氧化鋁陶瓷件位于上部，錫青銅件位于下部，然后用所述上、下壓頭壓緊；將該石墨模具放入一放電等離子體燒結(jié)設備的爐膛中，對錫青銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層施加脈沖電流以進行放電等離子體連接；待冷卻后取出錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。
2.如權利要求1所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述放電等離子體連接在如下參數(shù)條件下進行軸向壓力為20 60MPa，升溫速率為50 300°C /min, 連接溫度為700 900°C，保溫時間為20 40分鐘，爐膛內(nèi)的真空度為6 lOI^a。
3.如權利要求1所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于該金屬中間層包括一銅箔、一鎳箔及一鈦箔。
4.如權利要求3所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于該金屬中間層置于該錫青銅與該氧化鋁陶瓷之間時，該銅箔鄰接錫青銅件，鈦箔鄰接氧化鋁陶瓷件，鎳箔位于銅箔與鈦箔之間。
5.如權利要求3所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于該銅箔的厚度為0. 1 0. 3mm,該鎳箔的厚度為0. 3 0. 6mm,該鈦箔的厚度為0. 1 0. 3mm。
6.如權利要求1所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述下部的截面積為該上部截面積的1. 3 2. 5倍。
7.如權利要求6所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于所述下部的截面積為該上部截面積的1. 5 2倍。
8.如權利要求1所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，其特征在于該放電等離子體燒結(jié)設備包括有正、負電極，所述上壓頭和下壓頭分別與該正、負電極對準連接。
9.一種錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件包括一錫青銅件、一氧化鋁陶瓷件及連接該錫青銅件與該氧化鋁陶瓷件的連接部，該連接部包括一銅層、第一過渡層、一鎳層、一第二過渡層、一鈦層及一第三過渡層，該銅層與錫青銅件連接，該第一過渡層位于銅層與鎳層之間，第一過渡層由銅與鎳的固熔體及銅鎳金屬間化合物組成，該第二過渡層位于鎳層與該鈦層之間，第二過渡層由鎳鈦固熔體及鈦鎳金屬間化合物組成，該第三過渡層位于鈦與氧化鋁陶瓷件之間，第三過渡層主要由鈦氧化合物及鈦鋁金屬間化合物組成。
10.如權利要求9所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第三過渡層還包含有鈦鋁固熔體。
11.如權利要求9所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該第一過渡層和第二過渡層的厚度均為20 40mm，該第三過渡層的厚度為10 20 μ m。
12.如權利要求9所述的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件，其特征在于該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件的錫青銅/氧化鋁陶瓷界面的剪切強度為50 lOOMPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，該方法主要采用放電等離子體燒結(jié)設備對錫青銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層施加脈沖電流而進行放電等離子體連接，并通過設計連接模具的上部與下部具有不同的垂直于電流方向的截面積，使熔點高的氧化鋁陶瓷件位于上部，而熔點較低的錫青銅件設于下部，使作用于氧化鋁陶瓷件的電流大于作用于錫青銅的電流，從而使二者達到同時軟化而連接。本發(fā)明還提供一種上述連接方法制得的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。
文檔編號C04B37/02GK102336578SQ201010233870
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權日2010年7月22日
發(fā)明者張新倍, 胡文峰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司