Solderen van keramiek en metalen

1. Soldeerbaarheid

Het is moeilijk om keramische en keramische, keramische en metalen componenten te solderen. Het meeste soldeer vormt een bal op het keramische oppervlak, met weinig of geen bevochtiging. Het soldeermateriaal dat keramiek kan bevochtigen, vormt gemakkelijk diverse brosse verbindingen (zoals carbiden, siliciden en ternaire of multivariate verbindingen) aan het verbindingsoppervlak tijdens het solderen. De aanwezigheid van deze verbindingen beïnvloedt de mechanische eigenschappen van de verbinding. Bovendien zal er, vanwege het grote verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen keramiek, metaal en soldeer, restspanning in de verbinding ontstaan ​​nadat de soldeertemperatuur is afgekoeld tot kamertemperatuur, wat scheuren in de verbinding kan veroorzaken.

De bevochtigbaarheid van het soldeer op het keramische oppervlak kan worden verbeterd door actieve metaalelementen toe te voegen aan het gewone soldeer. Lage temperaturen en kortdurend solderen kunnen het effect van de interfacereactie verminderen. De thermische spanning van de verbinding kan worden verminderd door een geschikte verbindingsvorm te ontwerpen en een enkel- of meerlaags metaal als tussenlaag te gebruiken.

2. Soldeer

Keramiek en metaal worden meestal verbonden in een vacuümoven of een waterstof-argonoven. Naast algemene eigenschappen moeten soldeermaterialen voor vacuümelektronische apparaten ook aan enkele speciale eisen voldoen. Zo mag het soldeer geen elementen bevatten die een hoge dampspanning veroorzaken, om diëlektrische lekkage en kathodevergiftiging van apparaten te voorkomen. Over het algemeen wordt gespecificeerd dat de dampspanning van het soldeer tijdens bedrijf niet hoger mag zijn dan 10-3 Pa en dat de verontreinigingen met een hoge dampspanning niet hoger mogen zijn dan 0,002% tot 0,005%. De w(o)-waarde van het soldeer mag niet hoger zijn dan 0,001% om te voorkomen dat er waterdamp ontstaat tijdens het solderen in waterstof, wat spatten van gesmolten soldeermetaal kan veroorzaken. Bovendien moet het soldeer schoon zijn en vrij van oppervlakteoxiden.

Bij het solderen na keramische metallisatie kunnen koper, basismetaal, zilverkoper, goudkoper en andere gelegeerde soldeervulmetalen worden gebruikt.

Voor het direct solderen van keramiek en metalen worden soldeertoevoegmaterialen gekozen die de actieve elementen Ti en Zr bevatten. De binaire toevoegmaterialen zijn voornamelijk Ti Cu en Ti Ni, die gebruikt kunnen worden bij temperaturen van 1100 °C. Van de ternaire soldeer is Ag Cu Ti (W) (TI) het meest gebruikte soldeer, dat gebruikt kan worden voor het direct solderen van diverse keramiek en metalen. Het ternaire toevoegmateriaal kan gebruikt worden als folie, poeder of Ag Cu eutectisch toevoegmateriaal met Ti-poeder. B-ti49be2 soldeertoevoegmateriaal heeft een vergelijkbare corrosiebestendigheid als roestvrij staal en een lage dampspanning. Het kan bij voorkeur gekozen worden voor vacuümafdichtingen met oxidatie- en lekkagebestendigheid. In ti-v-cr soldeer is de smelttemperatuur het laagst (1620 °C) wanneer w (V) 30% is, en de toevoeging van Cr kan het smelttemperatuurbereik effectief verlagen. B-Ti47.5TA5 soldeer zonder Cr wordt gebruikt voor het direct solderen van aluminiumoxide en magnesiumoxide. De verbinding kan werken bij een omgevingstemperatuur van 1000 °C. Tabel 14 toont de actieve flux voor directe verbinding tussen keramiek en metaal.

Tabel 14 actieve soldeervulmetalen voor keramisch en metaalsolderen

2. Soldeertechnologie

De voorgemetalliseerde keramiek kan worden gesoldeerd in een zeer zuivere inerte gas-, waterstof- of vacuümomgeving. Vacuümsolderen wordt over het algemeen gebruikt voor het direct solderen van keramiek zonder metallisatie.

(1) Universeel soldeerproces Het universele soldeerproces van keramiek en metaal kan worden onderverdeeld in zeven processen: oppervlaktereiniging, pastacoating, keramische oppervlaktemetallisatie, vernikkelen, solderen en inspectie na het lassen.

Het doel van oppervlaktereiniging is het verwijderen van olievlekken, zweetvlekken en oxidehuid op het oppervlak van het basismetaal. De metalen onderdelen en het soldeersel worden eerst ontvet, vervolgens wordt de oxidehuid verwijderd door middel van wassen met zuur of alkali, gewassen met stromend water en gedroogd. Onderdelen die aan hoge eisen voldoen, worden behandeld in een vacuümoven of waterstofoven (ook de ionenbombardementmethode kan worden gebruikt) bij de juiste temperatuur en tijd om het oppervlak van de onderdelen te zuiveren. De gereinigde onderdelen mogen niet in contact komen met vette voorwerpen of blote handen. Ze moeten direct in het volgende proces of in de droger worden geplaatst. Ze mogen niet langdurig aan de lucht worden blootgesteld. Keramische onderdelen moeten worden gereinigd met aceton en ultrasoon, gewassen met stromend water en ten slotte tweemaal 15 minuten gekookt met gedemineraliseerd water.

Pastacoating is een belangrijk proces binnen de keramische metallisatie. Tijdens het coaten wordt de pasta met een borstel of pastacoatingmachine op het te metalliseren keramische oppervlak aangebracht. De laagdikte is over het algemeen 30 tot 60 mm. De pasta wordt over het algemeen bereid uit zuiver metaalpoeder (soms wordt er een geschikt metaaloxide aan toegevoegd) met een deeltjesgrootte van ongeveer 1 tot 5 µm en een organische lijm.

De gelijmde keramische onderdelen worden naar een waterstofoven gestuurd en gesinterd met natte waterstof of gekraakte ammoniak bij 1300 tot 1500 °C gedurende 30 tot 60 minuten. De keramische onderdelen die met hydriden zijn bedekt, worden verhit tot ongeveer 900 °C om de hydriden te ontbinden en te reageren met het zuivere metaal of titanium (of zirkonium) dat op het keramische oppervlak achterblijft. Zo ontstaat een metaalcoating op het keramische oppervlak.

Om de MoMn-metallisatielaag vochtig te maken met soldeer, moet een nikkellaag van 1,4 ~ 5 µm worden gegalvaniseerd of gecoat met een laag nikkelpoeder. Als de soldeertemperatuur lager is dan 1000 °C, moet de nikkellaag worden voorgesinterd in een waterstofoven. De sintertemperatuur en -tijd bedragen 1000 °C / 15 ~ 20 minuten.

De behandelde keramiek bestaat uit metalen onderdelen die met behulp van roestvrijstalen of grafiet- en keramische mallen tot één geheel worden samengevoegd. Er moet soldeer op de verbindingen worden aangebracht en het werkstuk moet gedurende de hele bewerking schoon worden gehouden en mag niet met blote handen worden aangeraakt.

Solderen moet worden uitgevoerd in een argon-, waterstof- of vacuümoven. De soldeertemperatuur is afhankelijk van het soldeermateriaal. Om scheurvorming in keramische onderdelen te voorkomen, mag de afkoelsnelheid niet te hoog zijn. Daarnaast kan er bij het solderen een bepaalde druk worden uitgeoefend (ongeveer 0,49 ~ 0,98 MPa).

Naast de inspectie van de oppervlaktekwaliteit moeten de gesoldeerde lasverbindingen ook worden onderworpen aan een thermische schok- en mechanische controle. De afdichtingsonderdelen van vacuümapparaten moeten eveneens worden onderworpen aan een lektest volgens de relevante regelgeving.

(2) Direct solderen: bij direct solderen (actieve metaalmethode) reinigt u eerst het oppervlak van de keramische en metalen lasdelen en monteert u ze vervolgens. Om scheuren te voorkomen die ontstaan ​​door verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van de componentmaterialen, kan de bufferlaag (een of meer lagen metaalplaat) tussen de lasdelen worden gedraaid. Het soldeermateriaal wordt tussen twee lasdelen geklemd of op de plaats geplaatst waar de opening zo veel mogelijk met soldeermateriaal wordt opgevuld. Vervolgens wordt het solderen uitgevoerd zoals bij normaal vacuümsolderen.

Als Ag Cu Ti soldeer wordt gebruikt voor direct solderen, moet de vacuümsoldeermethode worden toegepast. Wanneer de vacuümtemperatuur in de oven 2,7 × 2,7 °C bereikt, start dan met verwarmen bij 10-3 Pa, waarna de temperatuur snel kan stijgen. Wanneer de temperatuur het smeltpunt van het soldeer nadert, moet de temperatuur langzaam worden verhoogd om de temperatuur van alle lasdelen gelijk te houden. Wanneer het soldeer is gesmolten, moet de temperatuur snel worden verhoogd tot de soldeertemperatuur en moet de houdtijd 3 tot 5 minuten bedragen. Tijdens het afkoelen moet het langzaam afkoelen tot 700 °C, en kan het na 700 °C op natuurlijke wijze worden afgekoeld met behulp van de oven.

Wanneer TiCu actief soldeer direct wordt gesoldeerd, kan het soldeer bestaan ​​uit Cu-folie plus Ti-poeder of Cu-deeltjes plus Ti-folie, of kan het keramische oppervlak worden gecoat met Ti-poeder plus Cu-folie. Vóór het solderen moeten alle metalen onderdelen worden ontgast door middel van vacuüm. De ontgassingstemperatuur van zuurstofvrij koper moet 750 ~ 800 °C zijn, en Ti, Nb, Ta, enz. moeten gedurende 15 minuten worden ontgast bij 900 °C. Op dit moment mag de vacuümdruk niet lager zijn dan 6,7 × 10-3 Pa. Tijdens het solderen worden de te lassen componenten in de mal gemonteerd, verwarmd in de vacuümoven tot 900 ~ 1120 °C en de houdtijd is 2 ~ 5 minuten. Gedurende het gehele soldeerproces mag de vacuümdruk niet lager zijn dan 6,7 × 10-3 Pa.

Het soldeerproces van de Ti Ni-methode is vergelijkbaar met dat van de Ti Cu-methode en de soldeertemperatuur is 900 ± 10 ℃.

(3) Oxide-soldeermethode Oxide-soldeermethode is een methode om een ​​betrouwbare verbinding te realiseren door de glasfase, gevormd door het smelten van oxidesoldeer, te gebruiken om in keramiek te infiltreren en het metaaloppervlak te bevochtigen. Het kan keramiek met keramiek en keramiek met metalen verbinden. Oxide-soldeervulmetalen bestaan ​​voornamelijk uit Al2O3, Cao, Bao en MgO. Door B2O3, Y2O3 en ta2O3 toe te voegen, kunnen soldeervulmetalen met verschillende smeltpunten en lineaire uitzettingscoëfficiënten worden verkregen. Daarnaast kunnen fluoride-soldeervulmetalen met CaF2 en NaF als hoofdcomponenten ook worden gebruikt om keramiek en metalen te verbinden om verbindingen te verkrijgen met een hoge sterkte en hoge hittebestendigheid.