Συγκόλληση κεραμικών και μετάλλων

1. Συγκολλησιμότητα

Είναι δύσκολο να συγκολληθούν κεραμικά και κεραμικά, κεραμικά και μεταλλικά εξαρτήματα. Το μεγαλύτερο μέρος του συγκολλητικού υλικού σχηματίζει μια μπάλα στην κεραμική επιφάνεια, με ελάχιστη ή καθόλου διαβροχή. Το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης που μπορεί να διαβρέξει τα κεραμικά είναι εύκολο να σχηματίσει μια ποικιλία εύθραυστων ενώσεων (όπως καρβίδια, πυριτίδια και τριαδικές ή πολυμεταβλητές ενώσεις) στη διεπαφή της σύνδεσης κατά τη συγκόλληση. Η ύπαρξη αυτών των ενώσεων επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες της σύνδεσης. Επιπλέον, λόγω της μεγάλης διαφοράς στους συντελεστές θερμικής διαστολής μεταξύ κεραμικού, μετάλλου και συγκολλητικού υλικού, θα υπάρχει υπολειμματική τάση στην σύνδεση αφού η θερμοκρασία συγκόλλησης ψυχθεί σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στην σύνδεση.

Η διαβρεξιμότητα του συγκολλητικού υλικού στην κεραμική επιφάνεια μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη ενεργών μεταλλικών στοιχείων στο κοινό συγκολλητικό υλικό. Η χαμηλή θερμοκρασία και η βραχυπρόθεσμη συγκόλληση μπορούν να μειώσουν την επίδραση της αντίδρασης διεπιφάνειας. Η θερμική τάση της σύνδεσης μπορεί να μειωθεί σχεδιάζοντας μια κατάλληλη μορφή σύνδεσης και χρησιμοποιώντας ένα μονό ή πολυστρωματικό μέταλλο ως ενδιάμεσο στρώμα.

2. Συγκόλληση

Τα κεραμικά και τα μέταλλα συνήθως συνδέονται σε φούρνο κενού ή σε φούρνο υδρογόνου και αργού. Εκτός από τα γενικά χαρακτηριστικά, τα μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης για ηλεκτρονικές συσκευές κενού θα πρέπει επίσης να έχουν ορισμένες ειδικές απαιτήσεις. Για παράδειγμα, το συγκολλητικό υλικό δεν πρέπει να περιέχει στοιχεία που παράγουν υψηλή τάση ατμών, ώστε να μην προκαλείται διαρροή διηλεκτρικού και δηλητηρίαση των συσκευών από την κάθοδο. Γενικά, ορίζεται ότι όταν η συσκευή λειτουργεί, η τάση ατμών του συγκολλητικού υλικού δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10-3pa και οι ακαθαρσίες υψηλής τάσης ατμών που περιέχονται δεν πρέπει να υπερβαίνουν το 0,002% ~ 0,005%. Το w(o) του συγκολλητικού υλικού δεν πρέπει να υπερβαίνει το 0,001%, ώστε να αποφεύγονται οι υδρατμοί που παράγονται κατά τη συγκόλληση σε υδρογόνο, οι οποίοι μπορεί να προκαλέσουν πιτσίλισμα του τηγμένου μετάλλου συγκόλλησης. Επιπλέον, το συγκολλητικό υλικό πρέπει να είναι καθαρό και απαλλαγμένο από επιφανειακά οξείδια.

Κατά την συγκόλληση μετά από κεραμική επιμετάλλωση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαλκός, βάση, άργυρος-χαλκός, χρυσός-χαλκός και άλλα μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης από κράμα.

Για την άμεση συγκόλληση κεραμικών και μετάλλων, θα πρέπει να επιλέγονται μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης που περιέχουν ενεργά στοιχεία Ti και Zr. Τα δυαδικά μέταλλα πλήρωσης είναι κυρίως Ti, Cu και Ti, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στους 1100 ℃. Μεταξύ των τριαδικών συγκολλήσεων, το Ag, Cu, Ti (W) (TI) είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο συγκολλητικό, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμεση συγκόλληση διαφόρων κεραμικών και μετάλλων. Το τριαδικό μέταλλο πλήρωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί με φύλλο αλουμινίου, σκόνη ή ευτηκτικό μέταλλο πλήρωσης Ag, Cu με σκόνη Ti. Το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης B-ti49be2 έχει παρόμοια αντοχή στη διάβρωση με τον ανοξείδωτο χάλυβα και χαμηλή πίεση ατμών. Μπορεί να επιλεγεί κατά προτίμηση στις ενώσεις σφράγισης κενού με αντοχή στην οξείδωση και τη διαρροή. Στο συγκολλητικό ti-v-cr, η θερμοκρασία τήξης είναι η χαμηλότερη (1620 ℃) ​​όταν το w (V) είναι 30% και η προσθήκη Cr μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά το εύρος θερμοκρασίας τήξης. Η συγκόλληση B-ti47.5ta5 χωρίς Cr έχει χρησιμοποιηθεί για άμεση συγκόλληση αλουμίνας και οξειδίου του μαγνησίου και η σύνδεσή της μπορεί να λειτουργήσει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 1000 ℃. Ο Πίνακας 14 δείχνει την ενεργό ροή για άμεση σύνδεση μεταξύ κεραμικού και μετάλλου.

Πίνακας 14 ενεργά μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης για κεραμική και μεταλλική συγκόλληση

2. Τεχνολογία συγκόλλησης

Τα προ-μεταλλωμένα κεραμικά μπορούν να συγκολληθούν σε αδρανές αέριο υψηλής καθαρότητας, υδρογόνο ή περιβάλλον κενού. Η συγκόλληση κενού χρησιμοποιείται γενικά για άμεση συγκόλληση κεραμικών χωρίς μεταλλοποίηση.

(1) Καθολική διαδικασία συγκόλλησης Η καθολική διαδικασία συγκόλλησης κεραμικών και μετάλλων μπορεί να χωριστεί σε επτά διαδικασίες: καθαρισμός επιφάνειας, επίστρωση με πάστα, επιμετάλλωση κεραμικής επιφάνειας, επιμετάλλωση με νικέλιο, συγκόλληση και επιθεώρηση μετά τη συγκόλληση.

Σκοπός του καθαρισμού επιφανειών είναι η αφαίρεση λεκέδων λαδιού, ιδρώτα και μεμβράνης οξειδίου από την επιφάνεια του βασικού μετάλλου. Τα μεταλλικά μέρη και η συγκόλληση πρέπει πρώτα να απολιπανθούν και στη συνέχεια η μεμβράνη οξειδίου πρέπει να αφαιρεθεί με πλύσιμο με οξύ ή αλκάλια, να πλυθεί με τρεχούμενο νερό και να στεγνώσει. Τα μέρη με υψηλές απαιτήσεις πρέπει να υποβληθούν σε θερμική επεξεργασία σε φούρνο κενού ή φούρνο υδρογόνου (μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί μέθοδος βομβαρδισμού με ιόντα) σε κατάλληλη θερμοκρασία και χρόνο για τον καθαρισμό της επιφάνειας των εξαρτημάτων. Τα καθαρισμένα μέρη δεν πρέπει να έρχονται σε επαφή με λιπαρά αντικείμενα ή γυμνά χέρια. Πρέπει να τοποθετούνται αμέσως στην επόμενη διαδικασία ή στο στεγνωτήριο. Δεν πρέπει να εκτίθενται στον αέρα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα κεραμικά μέρη πρέπει να καθαρίζονται με ακετόνη και υπερήχους, να πλένονται με τρεχούμενο νερό και τέλος να βράζονται δύο φορές με απιονισμένο νερό για 15 λεπτά κάθε φορά.

Η επικάλυψη με πάστα είναι μια σημαντική διαδικασία επιμετάλλωσης κεραμικών. Κατά τη διάρκεια της επικάλυψης, εφαρμόζεται στην κεραμική επιφάνεια που πρόκειται να επιμεταλλωθεί με βούρτσα ή μηχανή επικάλυψης με πάστα. Το πάχος της επικάλυψης είναι γενικά 30 ~ 60 mm. Η πάστα παρασκευάζεται γενικά από καθαρή μεταλλική σκόνη (μερικές φορές προστίθεται κατάλληλο μεταλλικό οξείδιο) με μέγεθος σωματιδίων περίπου 1 ~ 5 μm και οργανική κόλλα.

Τα επικολλημένα κεραμικά μέρη αποστέλλονται σε φούρνο υδρογόνου και συντήκονται με υγρό υδρογόνο ή πυρολυμένη αμμωνία στους 1300 ~ 1500 ℃ για 30 ~ 60 λεπτά. Για τα κεραμικά μέρη που είναι επικαλυμμένα με υδρίδια, αυτά πρέπει να θερμανθούν στους περίπου 900 ℃ για να αποσυντεθούν τα υδρίδια και να αντιδράσουν με καθαρό μέταλλο ή τιτάνιο (ή ζιρκόνιο) που παραμένει στην κεραμική επιφάνεια, ώστε να επιτευχθεί μεταλλική επικάλυψη στην κεραμική επιφάνεια.

Για το μεταλλοποιημένο στρώμα Mo-Mn, προκειμένου να βραχεί με το συγκολλητικό, ένα στρώμα νικελίου πάχους 1,4 ~ 5 μm πρέπει να επιμεταλλωθεί με ηλεκτρόλυση ή να επικαλυφθεί με ένα στρώμα σκόνης νικελίου. Εάν η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι χαμηλότερη από 1000 ℃, το στρώμα νικελίου πρέπει να προ-πυροσυσσωματωθεί σε κλίβανο υδρογόνου. Η θερμοκρασία και ο χρόνος πυροσυσσωμάτωσης είναι 1000 ℃ / 15 ~ 20 λεπτά.

Τα επεξεργασμένα κεραμικά είναι μεταλλικά μέρη, τα οποία πρέπει να συναρμολογούνται σε ένα ενιαίο σύνολο με ανοξείδωτο χάλυβα ή γραφίτη και κεραμικά καλούπια. Θα πρέπει να τοποθετείται συγκόλληση στις ενώσεις και το τεμάχιο εργασίας θα πρέπει να διατηρείται καθαρό καθ' όλη τη διάρκεια της εργασίας και να μην αγγίζεται με γυμνά χέρια.

Η συγκόλληση πρέπει να πραγματοποιείται σε φούρνο αργού, υδρογόνου ή κενού. Η θερμοκρασία συγκόλλησης εξαρτάται από το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης. Για να αποφευχθεί η ρωγμάτωση των κεραμικών εξαρτημάτων, ο ρυθμός ψύξης δεν πρέπει να είναι πολύ γρήγορος. Επιπλέον, η συγκόλληση μπορεί επίσης να εφαρμόσει μια ορισμένη πίεση (περίπου 0,49 ~ 0,98mpa).

Εκτός από τον έλεγχο ποιότητας επιφάνειας, οι συγκολλήσεις με συγκόλληση πρέπει επίσης να υποβάλλονται σε έλεγχο θερμικού σοκ και μηχανικών ιδιοτήτων. Τα εξαρτήματα στεγανοποίησης για συσκευές κενού πρέπει επίσης να υποβάλλονται σε έλεγχο διαρροής σύμφωνα με τους σχετικούς κανονισμούς.

(2) Άμεση συγκόλληση κατά την άμεση συγκόλληση (μέθοδος ενεργού μετάλλου), πρώτα καθαρίστε την επιφάνεια των κεραμικών και μεταλλικών συγκολλήσεων και στη συνέχεια συναρμολογήστε τις. Για να αποφευχθούν ρωγμές που προκαλούνται από διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής των υλικών των συστατικών, το στρώμα προστασίας (ένα ή περισσότερα στρώματα μεταλλικών φύλλων) μπορεί να περιστραφεί μεταξύ των συγκολλήσεων. Το μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης πρέπει να συσφιχθεί μεταξύ δύο συγκολλήσεων ή να τοποθετηθεί στη θέση όπου το κενό γεμίζεται με μέταλλο πλήρωσης συγκόλλησης όσο το δυνατόν περισσότερο και στη συνέχεια η συγκόλληση πρέπει να εκτελεστεί όπως η συνηθισμένη συγκόλληση κενού.

Εάν χρησιμοποιείται συγκόλληση Ag Cu Ti για άμεση συγκόλληση, θα πρέπει να υιοθετηθεί η μέθοδος συγκόλλησης κενού. Όταν ο βαθμός κενού στον κλίβανο φτάσει τα 2,7 ×, ξεκινήστε τη θέρμανση στα 10-3pa και η θερμοκρασία μπορεί να αυξηθεί γρήγορα εκείνη τη στιγμή. Όταν η θερμοκρασία είναι κοντά στο σημείο τήξης του συγκολλητικού, η θερμοκρασία πρέπει να αυξηθεί αργά για να γίνει η θερμοκρασία όλων των μερών της συγκόλλησης η ίδια. Όταν το συγκολλητικό υλικό λιώσει, η θερμοκρασία πρέπει να αυξηθεί γρήγορα στη θερμοκρασία συγκόλλησης και ο χρόνος συγκράτησης θα είναι 3 ~ 5 λεπτά. Κατά την ψύξη, πρέπει να ψύχεται αργά πριν από τους 700 ℃ και μπορεί να ψυχθεί φυσικά με τον κλίβανο μετά τους 700 ℃.

Όταν η ενεργή συγκόλληση Ti-Cu συγκολλάται απευθείας, η μορφή της συγκόλλησης μπορεί να είναι φύλλο Cu συν σκόνη Ti ή μέρη Cu συν φύλλο Ti, ή η κεραμική επιφάνεια μπορεί να επικαλυφθεί με σκόνη Ti συν φύλλο Cu. Πριν από τη συγκόλληση, όλα τα μεταλλικά μέρη πρέπει να απαερωθούν με κενό. Η θερμοκρασία απαερίωσης του χαλκού χωρίς οξυγόνο πρέπει να είναι 750 ~ 800 ℃ και τα Ti, Nb, Ta κ.λπ. πρέπει να απαερωθούν στους 900 ℃ για 15 λεπτά. Σε αυτό το σημείο, ο βαθμός κενού δεν πρέπει να είναι μικρότερος από 6,7 × 10-3Pa. Κατά τη συγκόλληση, συναρμολογήστε τα εξαρτήματα που πρόκειται να συγκολληθούν στο εξάρτημα, θερμάνετέ τα στον κλίβανο κενού στους 900 ~ 1120 ℃ και ο χρόνος συγκράτησης είναι 2 ~ 5 λεπτά. Κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας συγκόλλησης, ο βαθμός κενού δεν πρέπει να είναι μικρότερος από 6,7 × 10-3Pa.

Η διαδικασία συγκόλλησης της μεθόδου Ti Ni είναι παρόμοια με αυτή της μεθόδου Ti Cu και η θερμοκρασία συγκόλλησης είναι 900 ± 10 ℃.

(3) Μέθοδος συγκόλλησης με οξείδιο Η μέθοδος συγκόλλησης με οξείδιο είναι μια μέθοδος για την επίτευξη αξιόπιστης σύνδεσης χρησιμοποιώντας τη φάση γυαλιού που σχηματίζεται από την τήξη του συγκολλητικού υλικού οξειδίου για να διεισδύσει στα κεραμικά και να διαβρέξει την μεταλλική επιφάνεια. Μπορεί να συνδέσει κεραμικά με κεραμικά και κεραμικά με μέταλλα. Τα μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης με οξείδιο αποτελούνται κυρίως από Al2O3, Cao, Bao και MgO. Με την προσθήκη B2O3, Y2O3 και ta2o3, μπορούν να ληφθούν μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης με διάφορα σημεία τήξης και συντελεστές γραμμικής διαστολής. Επιπλέον, μέταλλα πλήρωσης συγκόλλησης με φθορίδιο με CaF2 και NaF ως κύρια συστατικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση κεραμικών και μετάλλων για την επίτευξη συνδέσεων με υψηλή αντοχή και υψηλή αντοχή στη θερμότητα.