Lutowanie ceramiki i metali

1. Lutowalność

Lutowanie twarde elementów ceramicznych i ceramicznych, a także metalowo-ceramicznych, jest trudne. Większość lutu tworzy kulkę na powierzchni ceramiki, z niewielkim lub zerowym zwilżeniem. Spoiwo lutownicze, które może zwilżyć ceramikę, łatwo tworzy różnorodne kruche związki (takie jak węgliki, krzemki oraz związki trójskładnikowe lub wieloskładnikowe) na styku spoiny podczas lutowania twardego. Obecność tych związków wpływa na właściwości mechaniczne spoiny. Ponadto, ze względu na dużą różnicę współczynników rozszerzalności cieplnej między ceramiką, metalem i lutem, po schłodzeniu lutowania do temperatury pokojowej w spoinie występują naprężenia szczątkowe, które mogą powodować pękanie spoiny.

Zwilżalność lutu na powierzchni ceramicznej można poprawić, dodając do zwykłego lutu aktywne pierwiastki metalowe. Lutowanie w niskiej temperaturze i krótkim czasie może ograniczyć wpływ reakcji międzyfazowej. Naprężenia cieplne połączenia można zmniejszyć, projektując odpowiedni kształt połączenia i stosując pojedynczą lub wielowarstwową warstwę metalu jako warstwę pośrednią.

2. Lutowanie

Ceramika i metal są zazwyczaj łączone w piecu próżniowym lub piecu wodorowo-argonowym. Oprócz ogólnych cech, spoiwa lutownicze do próżniowych urządzeń elektronicznych powinny również spełniać pewne specjalne wymagania. Na przykład, lut nie powinien zawierać pierwiastków o wysokiej prężności par, aby nie powodować wycieku dielektrycznego i zatrucia katody urządzeń. Ogólnie określa się, że podczas pracy urządzenia prężność par lutu nie powinna przekraczać 10-3 Pa, a zawarte w nim zanieczyszczenia o wysokiej prężności par nie powinny przekraczać 0,002% ~ 0,005%; W(O) lutu nie powinna przekraczać 0,001%, aby uniknąć tworzenia się pary wodnej podczas lutowania w wodorze, która może powodować rozpryskiwanie stopionego metalu lutowniczego; Ponadto lut musi być czysty i wolny od tlenków powierzchniowych.

Do lutowania twardego po metalizacji ceramicznej można stosować luty miedziane, bazowe, miedziano-srebrne, miedziano-złote i inne stopy lutownicze.

Do bezpośredniego lutowania ceramiki i metali należy wybierać spoiwa zawierające aktywne pierwiastki Ti i Zr. Spoiwa binarne to głównie Ti Cu i Ti Ni, które można stosować w temperaturze 1100°C. Spośród lutów potrójnych, Ag Cu Ti (W) (TI) jest najczęściej stosowanym lutem, który można stosować do bezpośredniego lutowania różnych materiałów ceramicznych i metali. Spoiwo potrójne może być stosowane w postaci folii, proszku lub eutektycznego spoiwa Ag Cu z proszkiem Ti. Spoiwo lutownicze B-ti49be2 ma podobną odporność na korozję do stali nierdzewnej i niską prężność par. Może być preferencyjnie wybierane w złączach próżniowych ze względu na odporność na utlenianie i przecieki. W lutowiu ti-v-cr temperatura topnienia jest najniższa (1620°C), gdy w (V) wynosi 30%, a dodatek Cr może skutecznie obniżyć zakres temperatur topnienia. Lut B-ti47.5ta5 bez Cr został użyty do bezpośredniego lutowania tlenku glinu i tlenku magnezu, a jego połączenie może pracować w temperaturze otoczenia 1000℃. Tabela 14 przedstawia aktywny topnik do bezpośredniego połączenia ceramiki z metalem.

Tabela 14. Aktywne spoiwa lutownicze do lutowania ceramiki i metali

2. Technologia lutowania

Wstępnie metalizowana ceramika może być lutowana w atmosferze gazu obojętnego o wysokiej czystości, wodoru lub próżni. Lutowanie próżniowe jest zazwyczaj stosowane do bezpośredniego lutowania ceramiki bez metalizacji.

(1) Uniwersalny proces lutowania Uniwersalny proces lutowania ceramiki i metalu można podzielić na siedem procesów: czyszczenie powierzchni, powlekanie pastą, metalizacja powierzchni ceramicznej, niklowanie, lutowanie twarde i kontrola po spawaniu.

Celem czyszczenia powierzchni jest usunięcie plam olejowych, plam potu i warstwy tlenków z powierzchni metalu bazowego. Części metalowe i lut należy najpierw odtłuścić, a następnie usunąć warstwę tlenków poprzez mycie kwasem lub zasadą, przemyć bieżącą wodą i osuszyć. Części o wysokich wymaganiach należy poddać obróbce cieplnej w piecu próżniowym lub piecu wodorowym (można również zastosować metodę bombardowania jonami) w odpowiedniej temperaturze i czasie, aby oczyścić powierzchnię części. Oczyszczone części nie powinny mieć kontaktu z tłustymi przedmiotami ani gołymi rękami. Należy je natychmiast poddać następnemu procesowi lub suszarce. Nie powinny być wystawione na długotrwałe działanie powietrza. Części ceramiczne należy czyścić acetonem i ultradźwiękami, myć bieżącą wodą, a na koniec gotować dwukrotnie w wodzie dejonizowanej przez 15 minut za każdym razem.

Powlekanie pastą to ważny proces metalizacji ceramiki. Podczas powlekania, powłoka jest nakładana na powierzchnię ceramiki za pomocą pędzla lub maszyny do powlekania pastą. Grubość powłoki wynosi zazwyczaj 30–60 mm. Pasta jest zazwyczaj przygotowywana z czystego proszku metalicznego (czasami dodawany jest odpowiedni tlenek metalu) o wielkości cząstek około 1–5 μm i organicznego kleju.

Połączone elementy ceramiczne są umieszczane w piecu wodorowym i spiekane w wilgotnym wodorze lub krakowanym amoniaku w temperaturze 1300–1500°C przez 30–60 minut. Elementy ceramiczne pokryte powłoką z wodorków są podgrzewane do około 900°C w celu rozłożenia wodorków i reakcji z czystym metalem lub tytanem (lub cyrkonem) pozostałym na powierzchni ceramiki, tworząc powłokę metaliczną.

W przypadku warstwy metalizowanej Mo-Mn, aby umożliwić jej zwilżenie lutem, warstwa niklu o grubości 1,4–5 µm musi zostać galwanizowana lub pokryta warstwą proszku niklowego. Jeśli temperatura lutowania jest niższa niż 1000°C, warstwa niklu musi zostać wstępnie spiekana w piecu wodorowym. Temperatura i czas spiekania wynoszą 1000°C / 15–20 min.

Obrobiona ceramika to elementy metalowe, które należy zmontować w całość za pomocą form ze stali nierdzewnej lub grafitu i ceramiki. W miejscach połączeń należy zastosować lut, a obrabiany element należy utrzymywać w czystości przez cały czas obróbki i nie wolno go dotykać gołymi rękami.

Lutowanie twarde powinno odbywać się w piecu argonowym, wodorowym lub próżniowym. Temperatura lutowania twardego zależy od spoiwa. Aby zapobiec pękaniu elementów ceramicznych, szybkość chłodzenia nie powinna być zbyt duża. Dodatkowo, lutowanie twarde może również wymagać zastosowania określonego ciśnienia (około 0,49–0,98 MPa).

Oprócz kontroli jakości powierzchni, lutowane spoiny należy również poddać badaniu odporności na szok termiczny i kontroli właściwości mechanicznych. Elementy uszczelniające urządzeń próżniowych należy również poddać próbie szczelności zgodnie z odpowiednimi przepisami.

(2) Lutowanie bezpośrednie: w przypadku lutowania bezpośredniego (metodą aktywnego metalu) należy najpierw oczyścić powierzchnię ceramicznych i metalowych spoin, a następnie je zmontować. Aby uniknąć pęknięć spowodowanych różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej materiałów składowych, warstwę buforową (jedną lub więcej warstw blach) można obracać między spoinami. Spoiwo lutownicze należy zamocować między dwoma spoinami lub umieścić w miejscu, w którym szczelina jest wypełniona spoiwem lutowniczym w miarę możliwości, a następnie lutowanie przeprowadzić jak zwykłe lutowanie próżniowe.

W przypadku lutowania bezpośredniego lutem Ag Cu Ti należy zastosować metodę lutowania próżniowego. Gdy stopień próżni w piecu osiągnie 2,7 ×, należy rozpocząć nagrzewanie z prędkością 10–3 Pa, a temperatura może w tym czasie gwałtownie wzrosnąć. Gdy temperatura jest bliska temperatury topnienia lutu, należy ją powoli podnosić, aby wszystkie elementy spoiny miały jednakową temperaturę. Po stopieniu lutu temperaturę należy szybko podnieść do temperatury lutowania, a czas wygrzewania powinien wynosić 3–5 minut. Podczas chłodzenia lut należy powoli schładzać przed osiągnięciem temperatury 700°C, a po osiągnięciu tej temperatury można go schłodzić naturalnie w piecu.

W przypadku lutowania bezpośredniego lutem aktywnym Ti-Cu, forma lutu może mieć postać folii Cu z proszkiem Ti lub części Cu z folią Ti, lub powierzchnia ceramiczna może być pokryta proszkiem Ti z folią Cu. Przed lutowaniem wszystkie metalowe części powinny zostać odgazowane próżniowo. Temperatura odgazowania miedzi beztlenowej powinna wynosić 750–800°C, a Ti, Nb, Ta itp. powinny być odgazowane w temperaturze 900°C przez 15 minut. W tym czasie stopień próżni nie powinien być mniejszy niż 6,7 × 10-3Pa. Podczas lutowania, zmontuj elementy do spawania w uchwycie, nagrzej je w piecu próżniowym do temperatury 900–1120°C, a czas wygrzewania wynosi 2–5 minut. Podczas całego procesu lutowania stopień próżni nie powinien być mniejszy niż 6,7 × 10-3Pa.

Proces lutowania metodą Ti Ni jest podobny do metody Ti Cu, a temperatura lutowania wynosi 900 ± 10 ℃.

(3) Metoda lutowania twardego tlenkiem to metoda uzyskiwania niezawodnego połączenia poprzez wykorzystanie fazy szklanej utworzonej w wyniku stopienia lutu tlenkowego do infiltracji w głąb ceramiki i zwilżenia powierzchni metalu. Umożliwia ona łączenie ceramiki z ceramiką oraz ceramiki z metalami. Spoiwa lutownicze tlenkowe składają się głównie z Al2O3, CaO, BaO i MgO. Dodanie B2O3, Y2O3 i ta2O3 pozwala uzyskać spoiwa lutownicze o różnych temperaturach topnienia i współczynnikach rozszerzalności liniowej. Ponadto, spoiwa lutownicze fluorkowe, których głównymi składnikami są CaF2 i NaF, mogą być również stosowane do łączenia ceramiki z metalami w celu uzyskania połączeń o wysokiej wytrzymałości i odporności termicznej.