201206861 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及-種金屬與陶究的連接方法及製得的連接件 ，尤其涉及-祕青銅崎化料接方法 的連接件。 "f 【先前技術】 闺φ於錫青銅與氧化紹陶究在晶體結構、熱膨服係數、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。目前可能制的連接方法有釺焊、固相擴散連接及 瞬間液相擴散連接，然該等方法亦在許多不足：奸焊的 連接溫度通常較低’但由於釺料⑽點普遍較低， 焊難於製得能在高溫下使用的接頭；對於_擴散連接 ’要實現與陶究的連接需要很高的溫度，而且在連接溫 度I保溫時間常常大於1小時，加工時間長，能耗大使 =間液相擴散連接方法來實現錫青銅與氧 f門必須使二者均出現液相，受到錫青銅與氧隸陶 瓷之間的熔點、擴散性能等差马 保持時間，而連接時間過長蓉易楼£主’需要延長液相 溢流至接頭以外，影響接頭品質。锡月銅過多的熔化而 【發明内容】 [0003] ==‘”提供—種有效的、可獲得較高結合強 度的錫月銅與氧化鋁陶瓷的連接方法。 [0004] [0005] 另’還有必要提供，上述連接_得的連接件。 -種錫青銅與氧化銘陶曼的連接方法，包括以下步驟： 099125823 表單编號A0101 第4頁/共18頁 0992045311 201206861 [0006] [0007] [0008] G [0009] [0010] G [0011] [0012] ，及金屬中間層 099125823 0992045311-0 =:連接的錫青銅件、氧化_究件 作為連接介質； 4月鋼件、氧化㈣兗件及金屬中間層的待連接表 面進行打磨、清洗並吹幹； 2、a 土模具，該石墨模具包括上壓頭、下壓頭及中 /中棋包括上部、與上部連接的下部及貫通該上部 P的令置邹’該上部沿垂直於上部與下部連接方向 1 &下部沿垂直於上部與下部連接方向的截面 積； 將X錫青鋼、氣化軸莞及金屬中間層放人中模的容置 使金屬中間層夾放在錫青銅件與氧化㈣宪件之間 氧化銘陶究件位於上部，锡青銅件位於下部 ，然後用 所述上'下壓頭壓緊； 將該石墨模具放人—放電等離子體燒結麟的爐腔中， 對錫月銅、氧化鋁陶瓷及金屬中間層施加脈衝電流以進 行放電等離子體連接； 待冷卻後取出錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。 種由上述方法製得的錫青銅與氧化紹陶瓷的連接件， 該錫青銅與氧德喊的連接件包括-錫青銅件、-氧 化銘陶甍件及連接該錫青銅4牛與該氧化銘陶竟件的連接 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，該第一過渡層位於銅層與鎳層之間，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 表單編號A0101 第5頁/共18頁 201206861 渡層位於鎳層與該鈦層之間，第二過渡層由鎳鈦固熔體 及鈦鎳金屬間化合物組成，該第三過渡層位於鈦與氧化 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。 [0013] 相較於習知技術，上述錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法 採用一放電等離子體燒結設備（或者稱脈衝電流加熱設 備）對踢青銅件、氧化鋁陶瓷件及金屬中間層施加脈衝 電"IL使工件升溫’並且根據錫青銅與氧化鋁陶瓷的炼點 差異’設計石墨模具的上部與下部具有不同的戴面積， 將氧化鋁陶瓷件位於具有較大截面積的上部，而錫青銅 件置於具有具有較小截面積的下部，故，當電流通過該 石墨模具時，上部的電流密度大於下部的電流密度使 位於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，作用於氧化鋁陶瓷件的電流密度大於作 用於錫青銅件的電流密度，由此使氧化鋁陶瓷件的升溫 速率大於錫青銅件的升溫速率，k而使病青銅件與氧化 紹陶兗件可以幾乎同時分別達时各自的軟化溫度而軟化 ’由此可縮短保溫時間，降低能耗。由該方法製得的錫 青銅與氧化鋁陶瓷的連接件具有較大的剪切強度。 【實施方式】 [0014] 請參閱圖1及圖2，本發明較佳實施例的錫青銅與氧化鋁 陶瓷的連接方法主要採用一放電等離子體燒結設備10來 完成’該方法主要包括如下步驟： [0015] (1)提供一待連接的錫青銅件20 ' —氧化鋁陶瓷件30及 金屬中間層40作為連接介質。該金屬中間層40可由一銅 099125823 表單編號 A0101 第 6 頁/共 ig 頁 0992045311-0 201206861 名41 鎳箔42及一鈦箔43組成，其中該銅箔41的厚度 為0. 1 〇. 3mm ’該錄箔42的厚度大約為〇. 3~〇. 6mm ’該欽落43的厚度大約為0.卜0. 3mm。 [0016] (2) 對踢青銅件2〇、氧化鋁陶瓷件3〇及各金屬中間層4〇 的待連接表面進行打磨和清洗，並吹幹。本實施例中可 以使用400〜8〇〇目的金相砂紙對錫青銅件2〇、氧化鋁陶 究件3Q及金屬中間層4G打磨’以初步去除表面氧化膜； 然後用稀鹽酸或稀硫酸溶液進行清洗；酸清洗後用水沖 Ο [0017] 洗並吹幹。以下將錫青鋼件20、氧化鋁陶瓷件30及金屬 中間層40統稱為工件。
G (3) 提供—石墨模具50，用於裝載工件並置於放電等離 子體燒結設備1〇中進行放電等離子體連接：讀石墨模具 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53_及貫通該上部532 及下部534的容置部536。該上部532沿垂直於上部532與 下部534連接方向（即圖2中A-A方向）的截面積小於下部 5 3 4沿垂直於上部5 3 2與下部5 3 4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l5〜2倍。所述容置部536用 於容置待連接工件。所述上壓頭51和下壓頭52分別用於 從上部532和下部534—側壓緊工件，並對工件施壓《該 石墨模具50由於其上部532的截面積小於下部534的截面 積’當電流通過該石墨模具5〇時，流經上部532的電流密 度將大於流經下部534的電流密度。 [0018] (4) 請參圖2 ’將工件放入石墨模具5〇中，使金屬中間 099125823 表單編號A0101 第7頁/共18頁 0992045311-0 201206861 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置於銅箔41與鈦箔43之間。並且，使氧化鋁陶瓷件 30位於上部532 ;錫青銅件20位於下部534。然後，用上 壓頭51和下壓頭52分別從上部5 3 2和下部5 34—側將工件 壓緊。 [0019] (5)提供一放電等離子體燒結設備10，比如可採用日本住 友石炭公司生產的SPS3. 20MK-IV型放電等離子燒結設備 。該放電等離子體燒結設備10主要包括：軸向壓力系統 11，用於對燒結工件提供軸向壓力；正、負電極12 ;爐 膛13 ;直流脈衝電源14，用於對燒結工件提供脈衝電流 ，使工件升溫；溫度測量單元（圖未示）及控制系統15等
。該直流脈衝電源脈寬比為1 2 : 2，最大電流可達5 0 0 0 A 〇 [0020] (6)將石墨模具50放入該放電等離子體燒結設備10的爐 膛13中，並且用上壓頭51和下壓頭52分別與放電等離子 體燒結設備10的正、負電極12對準連接，爐膛13抽真空 至真空度為6〜10Pa，開啟直流脈衝電源14使工件升溫， 設置如下工藝參數對工件進行放電等離子體連接：轴向 壓力為20〜40MPa，升溫速率為50〜300°C/min ;當溫度 為700〜900°C時，保持該溫度範圍約20〜40分鐘時長，該 溫度即為連接溫度。 [0021] (7)待冷卻後取出錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件。 [0022] 上述錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接方法，採用一放電等離 099125823 表單編號A0101 第8頁/共18頁 0992045311-0 201206861 Ο 子體燒結設備10 (或者稱脈衝電流加熱設備）對工件施 加脈衝電流以使工件升溫，並設計石墨模具5〇的上部532 與下部534具有不同的垂直於電流方向的截面積，使氧化 紹陶兗件30位於具有較小截面積的上部532，而锡青銅件 20設於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的電流密度大於下部534的電流密度，使 位於同一模具中的錫青銅件2〇與氧化鋁陶瓷件3〇受到不 同電流密度的作用，作用於氧化鋁陶瓷件3〇的電流密度 大於作用於錫青銅件20的電流密度，由此使氧化鋁陶瓷 件3〇的升溫速率大於錫青銅件2〇的升溫遂率，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1 [0023] Ο 另’在脈衝電流作用下’在錫青銅件2 〇與氧化紹陶究件 30之間放電產生尚熱等離子體’該等離子體清潔並活化 工件的表面’提高工件表面的原子擴散能力。又，在受 脈衝電流作用下，錫青銅件20、氧化銘陶究件3〇及金屬 中間層40產生自發熱及局部放電熱，促進了接觸介面的 物理、化學反應及原子的擴散。加之在轴向壓力作用下 ，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。 [0024] 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，因鎳與銅具有相近的膨脹係數，有利於與錫青銅件 2 0結合’而欽的膨脹係數較低，與氧化銘陶竟的膨脹係 數比較接近，且欽的高溫活性高，有利於與氧化銘陶竟 099125823 表單編號A0101 第9頁/共18頁 0992045311-0 201206861 件3 0的結合。故，者铜笮、镇$芬从# 田銅泊鎳泊及鈦箔一起作為連接介 貝有利於锡青銅件2。和氧化紹陶究件3。的連接。 [0025] [0026] 藉由上述Μ可實郷青銅與氡灿喊的高強度連接 ，而且销青銅與氧化㈣㈣連接方法保溫時間短， 旎耗低，對爐膛真空度要求較低。 圖3所不為由上述連接方法製得的錫青銅與氧化鋁陶瓷的 連接件100，包括該錫青銅件2〇、該氧化鋁陶瓷件及連 接該錫青銅件20與該氧化鋁陶瓷件3〇的連接部6〇。該連 接部60包括一銅層61、一第一過渡層:.6.2 ' —錄層β3、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’由於銅與錫青銅件2〇的主要組 成比較接近，因此銅層61與錫青銅件20之間沒有產生明 顯的過渡層。該第一過渡層62位於銅層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位於鎳層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位於鈦層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 〇 該錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接件100的連接部60緻密均勻 ，無裂縫，無孔隙。經檢測，該錫青銅與氧化鋁陶瓷的 連接件100的錫青銅/氧化鋁陶瓷介面的剪切強度可達 099125823 表單編號A0101 第10頁/共18頁 0992045311-0 [0027] 201206861 50~10OMPa。 【圖式簡單說明】 [0028] 圖1為本發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設備的示意圖。 [0029] 圖2為本發明較佳實施例使用圖1所示放電等離子體燒結 設備進行錫青銅與氧化銘陶兗連接的示意圖。 [0030] 圖3為由本發明較佳實施例的錫青銅與氧化鋁陶瓷的連接 方法所製得的連接件的結構示意圖。
【主要元件符號說明】 [0031] 放電等離子體燒結設備：10 [0032] 軸向壓力系統：1 1 [0033] 正、負電極：12 [0034] 爐膛：13 [0035] 直流脈衝電源：14 [0036] 控制系統：15 [0037] 锡青銅件· 2 0 [0038] 氧化鋁陶瓷件：30 [0039] 金屬中間層：40 [0040] 銅箱：41 [0041] 鎳箔：42 [0042] 鈦箔：43 表單編號A0101 第11頁/共18頁
099125823 0992045311-0 201206861 [0043] 石墨模具：50 [0044] 上壓頭：51 [0045] 下壓頭：52 [0046] 中模：53 [0047] 上部：53 2 [0048] 下部：534 [0049] 容置部：536 [0050] 鍚青銅與氧化鋁陶瓷的連接件：100 [0051] 連接部：60 [0052] 銅層：61 [0053] 第一過渡層：62 [0054] 鎳層：63 [0055] 第二過渡層：64 [0056] 鈦層：65 [0057] 第三過渡層：66 099125823 表單編號A0101 第12頁/共18頁 0992045311-0