[发明专利]碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属与陶瓷的连接方法，尤其涉及一种碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法。

背景技术

碳钢被广泛应用于制造工程结构(比如船舶、发动机、高压容器等)和机械零件(如齿轮、轴等)。然而碳钢存在耐磨性较差、硬度较低、抗热冲击性及高温耐蚀性较低等缺点，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。而氧化锆陶瓷具有硬度高、高温抗腐蚀、耐磨损、抗热冲击等优点。碳钢和氧化锆连接在一起制备成复合结构，对于碳钢在高温环境中应用具有非常重要的意义。

由于这两种材料的物理、化学性能差异较大，使得两者之间的连接非常困难，目前主要采用熔焊、钎焊、固相扩散连接及瞬间液相连接来实现陶瓷与金属的连接。但这些方法存在许多不足：难于制得高结合强度的接头；对金属件表面的清洁度及设备真空度要求很高；固相扩散连接及瞬间液相连接温度要求较高，保温时间长，导致两者间的连接耗时、耗能；熔焊容易产生裂纹；钎焊虽然连接温度较低，但由于钎料的熔点普遍较低，因此钎焊难于制得能在高温下使用的接头。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种加工时间短、可获得较高结合强度的碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法。

一种碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法，包括以下步骤：

提供一待连接的碳钢、一氧化锆陶瓷及一厚度为0.1～0.5mm的钛箔；

对该钛箔、碳钢及氧化锆陶瓷的待连接表面进行打磨、清洗并吹干；

提供一石墨模具，该模具包括上压头、下压头及中模；

将该钛箔、碳钢及氧化锆陶瓷放入石墨模具中，使钛箔夹放在碳钢与氧化锆陶瓷之间，并且用所述上、下压头压紧；

将该石墨模具放入一放电等离子体烧结设备的炉膛中，该放电等离子体烧结设备包括有正、负电极，所述上压头和下压头分别与该正、负电极对准连，开启直流脉冲电源，以对碳钢及氧化锆陶瓷施加脉冲电流而进行放电等离子体连接，设置工艺参数为：轴向压力为10～50MPa，升温速率为升温速率为50～600℃/min，连接温度为800～1100℃，保温时间为10～50分钟，炉膛内的真空度为6～10Pa；

待冷却后取出碳钢与氧化锆陶瓷的连接件，该碳钢与氧化锆陶瓷的连接件包括一碳钢件、一氧化锆陶瓷件及连接该碳钢件与该氧化锆陶瓷件的连接部，该连接部包括一第一过渡层、一钛金属层及一第二过渡层，该第一过渡层位于该碳钢件与该钛金属层之间，该第一过渡层位于该氧化锆陶瓷件与该钛金属层之间，该第一过渡层由钛与铁的固熔体及钛铁金属间化合物组成，该第二过渡层主要由钛氧化合物、钛锆化合物组成。

相较于现有技术，上述碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法采用一放电等离子体烧结设备(或者称脉冲电流加热设备)对碳钢件与氧化锆陶瓷件施加脉冲电流及压力来实现碳钢与氧化锆陶瓷的连接，保温时间短，能耗低，对设备真空度要求较低。由该方法制得的碳钢与氧化锆陶瓷的连接件具有较大的剪切强度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例使用一放电等离子体烧结设备进行碳钢与氧化锆陶瓷连接的示意图。

图2为本发明较佳实施例的碳钢与氧化锆陶瓷的连接件的剖面示意图。

主要元件符号说明

放电等离子体烧结设备10

轴向压力系统11

电极12

炉膛13

直流脉冲电源14

控制系统15

碳钢件20

氧化锆陶瓷件30

活性中间层40

石墨模具50

上压头51

下压头52

中模53

碳钢与氧化锆陶瓷的连接件100

连接部60

第一过渡层61

钛金属层62

第二过渡层63

具体实施方式

请参阅图1，本发明较佳实施例的碳钢与氧化锆陶瓷的连接方法主要通过采用一放电等离子体烧结设备10来完成，该方法主要包括如下步骤：

(1)提供一待连接的碳钢件20、一氧化锆陶瓷件30及一活性中间层40。该活性中间层40为钛箔，其厚度大约为0.1～0.5mm，较佳厚度为0.2～0.3mm。

(2)对活性中间层40及碳钢件20和氧化锆陶瓷件30的待连接表面进行打磨和清洗，并吹干。本实施例中可以使用400～800目的金相砂纸对活性中间层40、碳钢件20及氧化锆陶瓷件30打磨；然后用稀盐酸或稀硫酸溶液进行清洗；酸清洗后用水冲洗并吹干。以下将活性中间层40、碳钢件20及氧化锆陶瓷件30统称为工件。