Brasatura di ceramiche e metalli

1. Brasabilità

È difficile brasare componenti ceramici e ceramici, ceramici e metallici. La maggior parte della lega per saldatura forma una sfera sulla superficie ceramica, con poca o nessuna bagnatura. Il metallo d'apporto per brasatura, che può bagnare la ceramica, è incline a formare una varietà di composti fragili (come carburi, siliciuri e composti ternari o multivariati) all'interfaccia del giunto durante la brasatura. La presenza di questi composti influisce sulle proprietà meccaniche del giunto. Inoltre, a causa della grande differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra ceramica, metallo e lega per saldatura, si verificheranno tensioni residue nel giunto dopo che la temperatura di brasatura si sarà raffreddata a temperatura ambiente, il che potrebbe causare cricche nel giunto.

La bagnabilità della saldatura sulla superficie ceramica può essere migliorata aggiungendo elementi metallici attivi alla saldatura comune; la brasatura a bassa temperatura e breve durata può ridurre l'effetto della reazione di interfaccia; lo stress termico del giunto può essere ridotto progettando una forma di giunto adatta e utilizzando un metallo singolo o multistrato come strato intermedio.

2. Saldatura

Ceramica e metallo vengono solitamente uniti in forni a vuoto o forni a idrogeno e argon. Oltre alle caratteristiche generali, i metalli d'apporto per la brasatura di dispositivi elettronici sotto vuoto devono soddisfare anche alcuni requisiti specifici. Ad esempio, la lega per saldatura non deve contenere elementi che producono un'elevata pressione di vapore, per non causare perdite dielettriche e avvelenamento del catodo dei dispositivi. In genere, quando il dispositivo è in funzione, la pressione di vapore della lega per saldatura non deve superare 10-3 Pa e le impurità ad alta pressione di vapore contenute non devono superare lo 0,002% ~ 0,005%. Il contenuto di acqua (o) della lega per saldatura non deve superare lo 0,001%, per evitare la formazione di vapore acqueo durante la brasatura in idrogeno, che potrebbe causare schizzi di metallo fuso. Inoltre, la lega per saldatura deve essere pulita e priva di ossidi superficiali.

Per la brasatura dopo la metallizzazione ceramica, è possibile utilizzare rame, rame base, rame argento, rame oro e altri metalli di apporto per brasatura in lega.

Per la brasatura diretta di ceramiche e metalli, è necessario selezionare metalli d'apporto contenenti elementi attivi Ti e Zr. I metalli d'apporto binari sono principalmente Ti-Cu e Ti-Ni, che possono essere utilizzati a 1100 °C. Tra i metalli d'apporto ternari, Ag-Cu-Ti (W) (TI) è il più comunemente utilizzato, che può essere utilizzato per la brasatura diretta di vari materiali ceramici e metalli. Il metallo d'apporto ternario può essere utilizzato come foglio, polvere o metallo d'apporto eutettico Ag-Cu con polvere di Ti. Il metallo d'apporto per brasatura B-Ti49be2 ha una resistenza alla corrosione simile a quella dell'acciaio inossidabile e una bassa tensione di vapore. Può essere selezionato preferibilmente nei giunti di tenuta sotto vuoto con resistenza all'ossidazione e alle perdite. Nella saldatura Ti-V-Cr, la temperatura di fusione è la più bassa (1620 °C) quando W (V) è del 30% e l'aggiunta di Cr può ridurre efficacemente l'intervallo di temperatura di fusione. La lega saldante B-ti47.5ta5 senza Cr è stata utilizzata per la brasatura diretta di allumina e ossido di magnesio e la sua giunzione può funzionare a una temperatura ambiente di 1000 ℃. La Tabella 14 mostra il flusso attivo per la connessione diretta tra ceramica e metallo.

Tabella 14 metalli d'apporto per brasatura attiva per brasatura ceramica e metallica

2. Tecnologia di brasatura

Le ceramiche premetallizzate possono essere brasate in gas inerte ad alta purezza, idrogeno o sotto vuoto. La brasatura sotto vuoto è generalmente utilizzata per la brasatura diretta di ceramiche senza metallizzazione.

(1) Processo di brasatura universale Il processo di brasatura universale di ceramica e metallo può essere suddiviso in sette processi: pulizia della superficie, rivestimento in pasta, metallizzazione della superficie ceramica, nichelatura, brasatura e ispezione post-saldatura.

Lo scopo della pulizia superficiale è rimuovere macchie d'olio, macchie di sudore e film di ossido dalla superficie del metallo di base. Le parti metalliche e la saldatura devono essere prima sgrassate, quindi il film di ossido deve essere rimosso mediante lavaggio acido o alcalino, lavate con acqua corrente e asciugate. Le parti con requisiti elevati devono essere trattate termicamente in forno a vuoto o in forno a idrogeno (è possibile utilizzare anche il metodo del bombardamento ionico) a temperatura e tempo appropriati per purificare la superficie delle parti. Le parti pulite non devono entrare in contatto con oggetti unti o con le mani nude. Devono essere immediatamente sottoposte al processo successivo o all'essiccazione. Non devono essere esposte all'aria per lungo tempo. Le parti in ceramica devono essere pulite con acetone e ultrasuoni, lavate con acqua corrente e infine bollite due volte con acqua deionizzata per 15 minuti ciascuna.

Il rivestimento in pasta è un importante processo di metallizzazione della ceramica. Durante il rivestimento, la pasta viene applicata sulla superficie ceramica da metallizzare con una spazzola o una macchina per il rivestimento in pasta. Lo spessore del rivestimento è generalmente di 30 ~ 60 mm. La pasta viene generalmente preparata a partire da polvere metallica pura (a volte viene aggiunto un ossido metallico appropriato) con una granulometria di circa 1 ~ 5 µm e adesivo organico.

Le parti in ceramica incollate vengono inviate a un forno a idrogeno e sinterizzate con idrogeno umido o ammoniaca craccata a 1300 ~ 1500 ℃ per 30 ~ 60 minuti. Le parti in ceramica rivestite con idruri devono essere riscaldate a circa 900 ℃ per decomporre gli idruri e reagire con il metallo puro o il titanio (o zirconio) rimanenti sulla superficie ceramica per ottenere un rivestimento metallico sulla superficie ceramica.

Per lo strato metallizzato Mo Mn, per renderlo bagnato con la lega saldante, è necessario elettrodeporre o ricoprire con uno strato di polvere di nichel uno strato di nichel di 1,4 ~ 5 µm. Se la temperatura di brasatura è inferiore a 1000 ℃, lo strato di nichel deve essere pre-sinterizzato in un forno a idrogeno. La temperatura e il tempo di sinterizzazione sono di 1000 ℃ / 15 ~ 20 min.

Le ceramiche trattate sono parti metalliche, che devono essere assemblate in un unico pezzo con stampi in acciaio inossidabile o grafite e ceramica. La saldatura deve essere applicata alle giunzioni e il pezzo deve essere mantenuto pulito durante l'operazione e non deve essere toccato a mani nude.

La brasatura deve essere eseguita in un forno ad argon, idrogeno o sotto vuoto. La temperatura di brasatura dipende dal metallo d'apporto. Per evitare la formazione di crepe nei componenti ceramici, la velocità di raffreddamento non deve essere troppo elevata. Inoltre, la brasatura può anche applicare una certa pressione (circa 0,49 ~ 0,98 mpa).

Oltre al controllo della qualità superficiale, le saldature brasate devono essere sottoposte anche a prove di resistenza agli shock termici e alle proprietà meccaniche. Anche le parti di tenuta per i dispositivi a vuoto devono essere sottoposte a prova di tenuta secondo le normative vigenti.

(2) Brasatura diretta: quando si esegue la brasatura diretta (metodo del metallo attivo), pulire prima la superficie delle saldature in ceramica e metallo, quindi assemblarle. Per evitare crepe causate dai diversi coefficienti di dilatazione termica dei materiali dei componenti, lo strato tampone (uno o più strati di lamiere) può essere ruotato tra le saldature. Il metallo d'apporto per brasatura deve essere bloccato tra due saldature o posizionato nella posizione in cui lo spazio è riempito il più possibile con il metallo d'apporto per brasatura, quindi la brasatura deve essere eseguita come una normale brasatura sotto vuoto.

Se si utilizza la lega Ag Cu Ti per la brasatura diretta, è necessario adottare il metodo della brasatura sotto vuoto. Quando il grado di vuoto nel forno raggiunge 2,7 ×, iniziare il riscaldamento a 10-3 Pa; la temperatura può aumentare rapidamente in questo momento; quando la temperatura è prossima al punto di fusione della lega, la temperatura deve essere aumentata lentamente per uniformare la temperatura di tutte le parti della saldatura; quando la lega è fusa, la temperatura deve essere aumentata rapidamente fino alla temperatura di brasatura e il tempo di mantenimento deve essere di 3 ~ 5 minuti; durante il raffreddamento, deve essere raffreddato lentamente prima di 700 °C e può essere raffreddato naturalmente nel forno dopo 700 °C.

Quando la lega attiva Ti-Cu viene brasata direttamente, la lega può essere costituita da un foglio di Cu più polvere di Ti o da parti di Cu più un foglio di Ti, oppure la superficie ceramica può essere rivestita con polvere di Ti più un foglio di Cu. Prima della brasatura, tutte le parti metalliche devono essere degassate sotto vuoto. La temperatura di degasaggio del rame privo di ossigeno deve essere di 750 ~ 800 ℃, mentre Ti, Nb, Ta, ecc. devono essere degassati a 900 ℃ per 15 minuti. A questo punto, il grado di vuoto non deve essere inferiore a 6,7 ​​× 10-3Pa. Durante la brasatura, assemblare i componenti da saldare nell'attrezzatura, riscaldarli nel forno sotto vuoto a 900 ~ 1120 ℃ e il tempo di mantenimento è di 2 ~ 5 minuti. Durante l'intero processo di brasatura, il grado di vuoto non deve essere inferiore a 6,7 ​​× 10-3Pa.

Il processo di brasatura del metodo Ti Ni è simile a quello del metodo Ti Cu e la temperatura di brasatura è 900 ± 10 ℃.

(3) Metodo di brasatura con ossido: il metodo di brasatura con ossido è un metodo per realizzare una connessione affidabile utilizzando la fase vetrosa formata dalla fusione della lega di saldatura con ossido per infiltrarsi nella ceramica e bagnare la superficie metallica. Può collegare ceramica con ceramica e ceramica con metalli. I metalli d'apporto per brasatura con ossido sono composti principalmente da Al2O3, Cao, Bao e MgO. Aggiungendo B2O3, Y2O3 e ta2O3, si possono ottenere metalli d'apporto per brasatura con vari punti di fusione e coefficienti di dilatazione lineare. Inoltre, i metalli d'apporto per brasatura con fluoro, con CaF2 e NaF come componenti principali, possono essere utilizzati anche per collegare ceramica e metalli e ottenere giunzioni ad alta resistenza e alta resistenza al calore.