Brasatura di ceramiche e metalli

1. Brasabilità

È difficile brasare componenti ceramici e ceramici, o componenti ceramici e metallici. La maggior parte della saldatura forma una sfera sulla superficie ceramica, con scarsa o nessuna bagnatura. Il metallo d'apporto per brasatura, pur bagnando la ceramica, tende a formare una varietà di composti fragili (come carburi, siliciuri e composti ternari o multivariati) all'interfaccia di giunzione durante la brasatura. La presenza di questi composti influisce sulle proprietà meccaniche della giunzione. Inoltre, a causa della grande differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra ceramica, metallo e saldatura, si generano tensioni residue nella giunzione dopo il raffreddamento a temperatura ambiente, che possono causare la formazione di cricche.

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

2. Saldare

La ceramica e il metallo vengono solitamente uniti in un forno a vuoto o in un forno a idrogeno e argon. Oltre alle caratteristiche generali, i metalli d'apporto per la brasatura di dispositivi elettronici sottovuoto devono anche soddisfare alcuni requisiti specifici. Ad esempio, la lega saldante non deve contenere elementi che producono un'elevata pressione di vapore, in modo da non causare perdite dielettriche e avvelenamento del catodo dei dispositivi. Generalmente si specifica che, durante il funzionamento del dispositivo, la pressione di vapore della lega saldante 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 ossigeno (w(o)) della lega saldante non deve superare lo 0,001%, in modo da evitare la formazione di vapore acqueo durante la brasatura in idrogeno, che potrebbe causare schizzi di lega saldante fusa; inoltre, la lega saldante deve essere pulita e priva di ossidi superficiali.

Nella brasatura successiva alla metallizzazione ceramica, è possibile utilizzare rame, leghe di base, rame argentato, rame dorato e altri metalli d'apporto per brasatura.

Per la brasatura diretta di ceramiche e metalli, è necessario selezionare leghe d'apporto per brasatura contenenti gli elementi attivi Ti e Zr. Le leghe d'apporto binarie sono principalmente Ti-Cu e Ti-Ni, utilizzabili a 1100 °C. Tra le leghe ternarie, la più comunemente utilizzata è Ag-Cu-Ti(W)(TI), adatta alla brasatura diretta di diverse ceramiche e metalli. La lega d'apporto ternaria può essere costituita da fogli, polvere o da una lega eutettica Ag-Cu con polvere di Ti. La lega d'apporto per brasatura B-Ti49Be2 presenta una resistenza alla corrosione simile a quella dell'acciaio inossidabile e una bassa pressione di vapore. Può essere scelta preferibilmente per giunzioni sottovuoto con resistenza all'ossidazione e alle perdite. Nella lega Ti-V-Cr, la temperatura di fusione è minima (1620 °C) quando w(V) è pari al 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 attivi per brasatura di ceramica e metallo

2. Tecnologia di brasatura

Le ceramiche pre-metallizzate possono essere brasate in atmosfera di gas inerte ad elevata purezza, idrogeno o sottovuoto. La brasatura sottovuoto viene 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 fasi: pulizia della superficie, rivestimento con pasta, metallizzazione della superficie ceramica, nichelatura, brasatura e ispezione post-saldatura.

Lo scopo della pulizia superficiale è rimuovere macchie di olio, sudore e ossido dalla superficie del metallo di base. Le parti metalliche e le saldature devono essere prima sgrassate, quindi l'ossido deve essere rimosso mediante lavaggio con acido o alcali, risciacquate con acqua corrente e asciugate. Le parti con requisiti elevati devono essere trattate termicamente in un forno sottovuoto o in un forno ad idrogeno (può essere utilizzato anche il metodo di bombardamento ionico) a temperatura e tempo appropriati per purificare la superficie delle parti. Le parti pulite non devono entrare in contatto con oggetti grassi o con le mani nude. Devono essere immediatamente inserite nella fase successiva o nell'essiccatore. Non devono essere esposte all'aria per lungo tempo. Le parti in ceramica devono essere pulite con acetone e ultrasuoni, risciacquate con acqua corrente e infine bollite due volte con acqua deionizzata per 15 minuti ciascuna.

La spalmatura in pasta è un processo importante per la metallizzazione della ceramica. Durante il processo, la pasta viene applicata sulla superficie ceramica da metallizzare con un pennello o una macchina spalmatrice. Lo spessore del rivestimento è generalmente compreso tra 30 e 60 mm. La pasta è solitamente preparata con polvere di metallo puro (a volte con l'aggiunta di un ossido metallico appropriato) con una granulometria di circa 1-5 µm e un adesivo organico.

I componenti ceramici preparati con pasta vengono inviati a un forno ad idrogeno e sinterizzati con idrogeno umido o ammoniaca decomposta a 1300 ~ 1500 ℃ per 30 ~ 60 minuti. Per i componenti ceramici rivestiti con idruri, questi vengono riscaldati a circa 900 ℃ per decomporre gli idruri e farli reagire con il metallo puro o il titanio (o lo zirconio) rimasti sulla superficie ceramica, ottenendo così un rivestimento metallico.

Per lo strato metallizzato Mo Mn, al fine di renderlo bagnabile con la saldatura, è necessario depositare per via elettrolitica uno strato di nichel di 1,4 ~ 5 µm o rivestirlo con uno strato di polvere di nichel. Se la temperatura di brasatura è inferiore a 1000 °C, lo strato di nichel deve essere pre-sinterizzato in un forno ad idrogeno. La temperatura e il tempo di sinterizzazione sono 1000 °C / 15 ~ 20 min.

Le ceramiche trattate sono parti metalliche che devono essere assemblate in un unico pezzo utilizzando acciaio inossidabile o grafite e stampi in ceramica. Le giunzioni devono essere saldate e il pezzo in lavorazione deve essere mantenuto pulito durante tutta l'operazione, evitando di essere toccato a mani nude.

La brasatura deve essere effettuata in un forno ad argon, idrogeno o sottovuoto. La temperatura di brasatura dipende dal metallo d'apporto. Per evitare la formazione di crepe nelle parti ceramiche, la velocità di raffreddamento non deve essere eccessiva. Inoltre, durante la brasatura è possibile applicare una certa pressione (circa 0,49 ~ 0,98 MPa).

Oltre al controllo della qualità superficiale, le saldature brasate devono essere sottoposte anche a test di shock termico e di proprietà meccaniche. Le guarnizioni per dispositivi a vuoto devono inoltre essere sottoposte a prove di tenuta secondo le normative vigenti.

(2) Brasatura diretta quando si brasa direttamente (metodo del metallo attivo), pulire prima la superficie delle saldature ceramiche e metalliche, 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 metalliche) può essere ruotato tra le saldature. Il metallo d'apporto per brasatura deve essere bloccato tra due saldature o posizionato in modo che lo spazio sia riempito con il metallo d'apporto per brasatura il più possibile, quindi la brasatura deve essere eseguita come una normale brasatura sottovuoto.

Se si utilizza una lega di saldatura Ag-Cu-Ti per la brasatura diretta, si deve adottare il metodo di brasatura sottovuoto. Quando il grado di vuoto nel forno raggiunge 2,7 × 10⁻³ Pa, iniziare il riscaldamento a 10⁻³ Pa e la temperatura può aumentare rapidamente in questa fase; quando la temperatura è vicina al punto di fusione della lega, la temperatura deve essere aumentata lentamente per far sì che la temperatura di tutte le parti della saldatura tenda ad essere uniforme; 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 fino a 700 °C e può essere raffreddato naturalmente con il forno dopo 700 °C.

Quando si brasa direttamente la lega attiva Ti-Cu, la forma della lega può essere costituita da lamina di Cu più polvere di Ti o da parti in Cu più lamina di Ti, oppure la superficie ceramica può essere rivestita con polvere di Ti più lamina di Cu. Prima della brasatura, tutte le parti metalliche devono essere degassate sottovuoto. La temperatura di degassamento del rame privo di ossigeno deve essere di 750 ~ 800 °C, mentre Ti, Nb, Ta, ecc. devono essere degassati a 900 °C per 15 minuti. In questa fase, il grado di vuoto non deve essere inferiore a 6,7 ​​× 10⁻³ Pa. Durante la brasatura, assemblare i componenti da saldare nell'apposito supporto, riscaldarli nel forno sottovuoto a 900 ~ 1120 °C e mantenerli a tale temperatura per 2 ~ 5 minuti. Durante l'intero processo di brasatura, il grado di vuoto non deve essere inferiore a 6,7 ​​× 10⁻³ Pa.

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) Il metodo di brasatura con ossido è un metodo per realizzare una connessione affidabile utilizzando la fase vetrosa formata dalla fusione della lega saldante a base di 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 principalmente composti 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 espansione lineare. Inoltre, si possono utilizzare anche metalli d'apporto per brasatura a base di fluoruro con CaF2 e NaF come componenti principali per collegare ceramica e metalli e ottenere giunzioni con elevata resistenza e alta resistenza al calore.