Pájení keramiky a kovů

1. Pájitelnost

Pájení keramiky na keramiku a keramických a keramických a kovových součástí je obtížné. Většina pájky tvoří na keramickém povrchu kuličku s malým nebo žádným smáčením. Přídavný kov pro pájení, který může smáčet keramiku, snadno vytváří na rozhraní spoje různé křehké sloučeniny (jako jsou karbidy, silicidy a ternární nebo vícerozměrné sloučeniny) během pájení. Přítomnost těchto sloučenin ovlivňuje mechanické vlastnosti spoje. Kromě toho, v důsledku velkého rozdílu v koeficientech tepelné roztažnosti mezi keramikou, kovem a pájkou, bude po ochlazení pájecí teploty na pokojovou teplotu ve spoji přetrvávat zbytkové napětí, které může způsobit praskání spoje.

Smáčivost pájky na keramickém povrchu lze zlepšit přidáním aktivních kovových prvků do běžné pájky; Pájení za nízkých teplot a krátkodobé pájení může snížit vliv mezifázové reakce; Tepelné namáhání spoje lze snížit návrhem vhodného tvaru spoje a použitím jedno- nebo vícevrstvého kovu jako mezivrstvy.

2. Pájení

Keramika a kov se obvykle spojují ve vakuové peci nebo peci na vodík a argon. Kromě obecných vlastností by měly mít přídavné kovy pro pájení vakuových elektronických zařízení také určité speciální požadavky. Například pájka by neměla obsahovat prvky, které produkují vysoký tlak par, aby nedošlo k dielektrickému úniku a otravě katody zařízení. Obecně se stanoví, že když je zařízení v provozu, tlak par pájky nesmí překročit 10-3 Pa a nečistoty s vysokým tlakem par nesmí překročit 0,002 % ~ 0,005 %; w(o) pájky nesmí překročit 0,001 %, aby se zabránilo vzniku vodní páry během pájení ve vodíku, která může způsobit rozstřikování roztaveného kovu pájky; Kromě toho musí být pájka čistá a bez povrchových oxidů.

Při pájení po keramické metalizaci lze použít měď, základní měď, stříbrnou měď, zlatou měď a další slitinové přídavné kovy pro pájení.

Pro přímé pájení keramiky a kovů by se měly zvolit přídavné kovy obsahující aktivní prvky Ti a Zr. Binární přídavné kovy jsou převážně Ti, Cu a Ti, které lze použít při teplotě 1100 °C. Mezi ternárními pájkami je nejčastěji používanou pájkou Ag, Cu a Ti (W) (TI), kterou lze použít pro přímé pájení různých keramických a kovových materiálů. Jako ternární přídavný kov lze použít fólii, prášek nebo eutektický přídavný kov Ag-Cu s práškovým Ti. Pájecí přídavný kov B-ti49be2 má podobnou odolnost proti korozi jako nerezová ocel a nízký tlak par. Lze jej přednostně zvolit pro vakuové těsnění spojů s odolností proti oxidaci a úniku. U pájky ti-v-cr je teplota tání nejnižší (1620 °C), když je w (V) 30 %, a přidání Cr může účinně snížit rozsah teplot tání. Pájka B-ti47.5ta5 bez obsahu Cr se používá pro přímé pájení oxidu hlinitého a oxidu hořečnatého a její spoj může fungovat při okolní teplotě 1000 ℃. Tabulka 14 ukazuje aktivní tavidlo pro přímé spojení mezi keramikou a kovem.

Tabulka 14 aktivní přídavné kovy pro pájení keramiky a kovů

2. Technologie pájení

Předmetalizovaná keramika může být pájena ve vysoce čistém inertním plynu, vodíku nebo ve vakuovém prostředí. Vakuové pájení se obecně používá pro přímé pájení keramiky bez metalizace.

(1) Univerzální proces pájení Univerzální proces pájení keramiky a kovu lze rozdělit do sedmi procesů: čištění povrchu, nanášení pasty, metalizace keramického povrchu, niklování, pájení a kontrola po svařování.

Účelem čištění povrchu je odstranit olejové skvrny, skvrny od potu a oxidový film z povrchu základního kovu. Kovové díly a pájka se nejprve odmastí, poté se oxidový film odstraní kyselým nebo alkalickým omytím, omyje se tekoucí vodou a vysuší. Díly s vysokými nároky se tepelně zpracují ve vakuové peci nebo vodíkové peci (lze použít i metodu iontového bombardování) při vhodné teplotě a době, aby se povrch dílů vyčistil. Vyčištěné díly se nesmí dostat do kontaktu s mastnými předměty ani holýma rukama. Musí být ihned vloženy do dalšího procesu nebo do sušičky. Nesmí být dlouhodobě vystaveny vzduchu. Keramické díly se musí čistit acetonem a ultrazvukem, omýt tekoucí vodou a nakonec se dvakrát po dobu 15 minut vaří v deionizované vodě.

Nanášení pasty je důležitý proces keramické metalizace. Během nanášení se pasta nanáší na keramický povrch, který má být metalizován, štětcem nebo strojem na nanášení pasty. Tloušťka vrstvy je obvykle 30 ~ 60 mm. Pasta se obvykle připravuje z čistého kovového prášku (někdy se přidává vhodný oxid kovu) s velikostí částic přibližně 1 ~ 5 μm a organického lepidla.

Pastované keramické díly se odešlou do vodíkové pece a spékají se mokrým vodíkem nebo krakovaným amoniakem při teplotě 1300 ~ 1500 °C po dobu 30 ~ 60 minut. Keramické díly potažené hydridy se zahřejí na přibližně 900 °C, aby se hydridy rozložily a reagovaly s čistým kovem nebo titanem (nebo zirkoniem) zbývajícím na keramickém povrchu, čímž se na keramickém povrchu vytvoří kovový povlak.

Pro metalizovanou vrstvu MoMn je nutné, aby se pájka smáčela, nanést vrstvu niklu o tloušťce 1,4 ~ 5 μm. Pokud je teplota pájení nižší než 1000 ℃, je nutné vrstvu niklu předběžně spékat ve vodíkové peci. Teplota a doba spékání jsou 1000 ℃ / 15 ~ 20 minut.

Ošetřená keramika jsou kovové díly, které se sestavují do celku pomocí forem z nerezové oceli nebo grafitu a keramiky. Na spoje se instaluje pájka a obrobek se musí po celou dobu operace udržovat v čistotě a nesmí se ho dotýkat holýma rukama.

Pájení se provádí v argonové, vodíkové nebo vakuové peci. Teplota pájení závisí na přídavném kovu. Aby se zabránilo praskání keramických dílů, rychlost ochlazování by neměla být příliš rychlá. Kromě toho lze při pájení aplikovat i určitý tlak (přibližně 0,49 ~ 0,98 MPa).

Kromě kontroly kvality povrchu musí být pájené svařence podrobeny také kontrole tepelného šoku a mechanických vlastností. Těsnicí díly vakuových zařízení musí být také podrobeny zkoušce těsnosti v souladu s příslušnými předpisy.

(2) Přímé pájení Při přímém pájení (metoda s aktivním kovem) se nejprve očistí povrch keramických a kovových svařenců a poté se smontují. Aby se zabránilo prasklinám způsobeným různými koeficienty tepelné roztažnosti materiálů součástí, lze mezi svařenci otáčet mezivrstvu (jeden nebo více plechů). Přídavný kov pro pájení se sevře mezi dvěma svařenci nebo se umístí do místa, kde je mezera co nejvíce vyplněna přídavným kovem pro pájení, a poté se pájení provede jako běžné vakuové pájení.

Pokud se pro přímé pájení používá pájka Ag-Cu-Ti, měla by se použít metoda pájení ve vakuu. Jakmile stupeň vakua v peci dosáhne 2,7 ×, začněte ohřívat při 10-3 Pa a teplota může v tomto okamžiku rychle stoupat. Jakmile se teplota blíží bodu tání pájky, měla by se teplota zvyšovat pomalu, aby se teplota všech částí svařence vyrovnala. Po roztavení pájky by se teplota měla rychle zvýšit na teplotu pájení a doba výdrže by měla být 3 ~ 5 minut. Během chlazení by se měla pomalu ochlazovat před 700 °C a po 700 °C může být ochlazována přirozeně v peci.

Pokud se aktivní pájka Ti-Cu přímo pájí, může být formou pájky Cu fólie plus Ti prášek nebo Cu díly plus Ti fólie, nebo může být keramický povrch potažen Ti práškem plus Cu fólií. Před pájením musí být všechny kovové díly odplyněny ve vakuu. Teplota odplynění bezkyslíkaté mědi musí být 750 ~ 800 ℃ a Ti, Nb, Ta atd. musí být odplyněny při 900 ℃ po dobu 15 minut. V tomto okamžiku nesmí být stupeň vakua nižší než 6,7 × 10⁻³ Pa. Během pájení se svařované součásti sestaví do přípravku, zahřejí se ve vakuové peci na 900 ~ 1120 ℃ a doba výdrže je 2 ~ 5 minut. Během celého procesu pájení nesmí být stupeň vakua nižší než 6,7 × 10⁻³ Pa.

Proces pájení metodou Ti Ni je podobný jako u metody Ti Cu a teplota pájení je 900 ± 10 ℃.

(3) Oxidová metoda pájení Oxidová metoda pájení je metoda k dosažení spolehlivého spojení pomocí skelné fáze vytvořené tavením oxidové pájky, která infiltruje do keramiky a smáčí kovový povrch. Dokáže spojovat keramiku s keramikou a keramiku s kovy. Přídavné kovy pro oxidové pájení se skládají převážně z Al₂O₃, CaO, BaO a MgO. Přidáním B₂O₃, Y₂O₃ a Ta₂O₃ lze získat přídavné kovy pro pájení s různými body tání a koeficienty lineární roztažnosti. Kromě toho lze pro spojování keramiky a kovů použít také fluoridové přídavné kovy pro pájení s CaF₂ a NaF jako hlavními složkami, čímž se získají spoje s vysokou pevností a vysokou tepelnou odolností.