Hàn gốm và kim loại

1. Khả năng hàn

Việc hàn các chi tiết gốm, sứ và kim loại rất khó khăn. Phần lớn mối hàn tạo thành một khối tròn trên bề mặt gốm, ít hoặc không bị ướt. Kim loại hàn có khả năng làm ướt gốm dễ tạo thành nhiều loại hợp chất giòn (như cacbua, silicua và hợp chất ba thành phần hoặc đa thành phần) tại giao diện mối hàn trong quá trình hàn. Sự tồn tại của các hợp chất này ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của mối hàn. Ngoài ra, do sự chênh lệch lớn về hệ số giãn nở nhiệt giữa gốm, kim loại và mối hàn, sẽ có ứng suất dư trong mối hàn sau khi nhiệt độ hàn nguội đến nhiệt độ phòng, điều này có thể gây nứt mối hàn.

Khả năng thấm ướt của mối hàn trên bề mặt gốm có thể được cải thiện bằng cách thêm các thành phần kim loại hoạt động vào mối hàn thông thường; Hàn ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn có thể làm giảm tác động của phản ứng giao diện; Ứng suất nhiệt của mối hàn có thể được giảm bằng cách thiết kế dạng mối hàn phù hợp và sử dụng kim loại đơn hoặc nhiều lớp làm lớp trung gian.

2. Hàn

Gốm và kim loại thường được kết nối trong lò chân không hoặc lò hydro và argon. Ngoài các đặc điểm chung, kim loại hàn cho các thiết bị điện tử chân không cũng cần có một số yêu cầu đặc biệt. Ví dụ, chất hàn không được chứa các thành phần tạo ra áp suất hơi cao, để không gây rò rỉ điện môi và ngộ độc cực âm của thiết bị. Thông thường, khi thiết bị đang hoạt động, áp suất hơi của chất hàn không được vượt quá 10-3pa và tạp chất có áp suất hơi cao không được vượt quá 0,002% ~ 0,005%; w (o) của chất hàn không được vượt quá 0,001%, để tránh hơi nước sinh ra trong quá trình hàn trong hydro, có thể làm bắn kim loại hàn nóng chảy; Ngoài ra, chất hàn phải sạch và không có oxit bề mặt.

Khi hàn sau khi tráng gốm, có thể sử dụng đồng, đồng cơ bản, đồng bạc, đồng vàng và các kim loại hàn hợp kim khác.

Đối với hàn trực tiếp gốm sứ và kim loại, phải chọn kim loại hàn có chứa các nguyên tố hoạt động Ti và Zr. Kim loại hàn nhị phân chủ yếu là Ti Cu và Ti Ni, có thể sử dụng ở 1100 ℃. Trong số các loại hàn ba thành phần, Ag Cu Ti (W) (TI) là loại hàn được sử dụng phổ biến nhất, có thể sử dụng để hàn trực tiếp nhiều loại gốm sứ và kim loại. Kim loại hàn ba thành phần có thể được sử dụng bằng lá kim loại, bột kim loại hoặc kim loại hàn eutectic Ag Cu với bột Ti. Kim loại hàn B-ti49be2 có khả năng chống ăn mòn tương tự như thép không gỉ và áp suất hơi thấp. Có thể ưu tiên lựa chọn trong các mối hàn kín chân không có khả năng chống oxy hóa và chống rò rỉ. Trong hàn ti-v-cr, nhiệt độ nóng chảy thấp nhất (1620 ℃) ​​khi w (V) là 30% và việc bổ sung Cr có thể làm giảm hiệu quả phạm vi nhiệt độ nóng chảy. Hàn B-ti47.5ta5 không chứa Cr được sử dụng để hàn trực tiếp nhôm oxit và magie oxit, mối hàn có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường 1000℃. Bảng 14 thể hiện thông lượng hàn hoạt động để kết nối trực tiếp giữa gốm và kim loại.

Bảng 14 kim loại hàn hoạt tính dùng cho hàn gốm và hàn kim loại

2. Công nghệ hàn

Gốm sứ kim loại hóa trước có thể được hàn trong môi trường khí trơ, hydro hoặc chân không có độ tinh khiết cao. Hàn chân không thường được sử dụng để hàn trực tiếp gốm sứ mà không cần kim loại hóa.

(1) Quy trình hàn vạn năng Quy trình hàn vạn năng của gốm và kim loại có thể được chia thành bảy quy trình: làm sạch bề mặt, phủ hồ, mạ kim loại bề mặt gốm, mạ niken, hàn và kiểm tra sau khi hàn.

Mục đích của việc làm sạch bề mặt là loại bỏ vết dầu mỡ, vết mồ hôi và lớp màng oxit trên bề mặt kim loại cơ bản. Các chi tiết kim loại và mối hàn trước tiên phải được tẩy dầu mỡ, sau đó loại bỏ lớp màng oxit bằng cách rửa axit hoặc kiềm, rửa bằng nước chảy và sấy khô. Các chi tiết có yêu cầu cao phải được xử lý nhiệt trong lò chân không hoặc lò hydro (cũng có thể sử dụng phương pháp bắn phá ion) ở nhiệt độ và thời gian thích hợp để làm sạch bề mặt chi tiết. Các chi tiết sau khi làm sạch không được tiếp xúc với vật dính dầu mỡ hoặc tay trần. Chúng phải được đưa ngay vào quy trình tiếp theo hoặc vào máy sấy. Chúng không được tiếp xúc với không khí trong thời gian dài. Các chi tiết gốm phải được làm sạch bằng axeton và siêu âm, rửa bằng nước chảy và cuối cùng đun sôi hai lần bằng nước khử ion, mỗi lần 15 phút.

Lớp phủ dạng hồ là một quá trình quan trọng của quá trình kim loại hóa gốm. Trong quá trình phủ, lớp phủ được phủ lên bề mặt gốm cần phủ kim loại bằng cọ hoặc máy phủ dạng hồ. Độ dày lớp phủ thường từ 30 ~ 60mm. Hồ thường được chế tạo từ bột kim loại nguyên chất (đôi khi có thể thêm oxit kim loại thích hợp) với kích thước hạt khoảng 1 ~ 5um và chất kết dính hữu cơ.

Các chi tiết gốm đã dán được đưa vào lò nung hydro và thiêu kết bằng hydro ướt hoặc amoniac đã cracking ở nhiệt độ 1300 ~ 1500℃ trong 30 ~ 60 phút. Đối với các chi tiết gốm được phủ hyđrua, chúng sẽ được nung nóng đến khoảng 900℃ để phân hủy hyđrua và phản ứng với kim loại nguyên chất hoặc titan (hoặc zirconi) còn sót lại trên bề mặt gốm để tạo thành lớp phủ kim loại trên bề mặt gốm.

Đối với lớp kim loại MoMn, để làm ướt lớp hàn, cần mạ điện hoặc phủ một lớp bột niken có độ dày từ 1,4 ~ 5um. Nếu nhiệt độ hàn thấp hơn 1000℃, lớp niken cần được thiêu kết sơ bộ trong lò hydro. Nhiệt độ và thời gian thiêu kết là 1000℃/15 ~ 20 phút.

Gốm sứ đã qua xử lý là các bộ phận kim loại, được lắp ráp thành một khối bằng thép không gỉ hoặc khuôn graphite và khuôn gốm. Mối hàn phải được lắp đặt tại các mối nối, phôi phải được giữ sạch sẽ trong suốt quá trình gia công và không được chạm bằng tay trần.

Hàn được thực hiện trong lò argon, hydro hoặc lò chân không. Nhiệt độ hàn phụ thuộc vào kim loại hàn. Để tránh nứt các chi tiết gốm, tốc độ làm nguội không được quá nhanh. Ngoài ra, hàn cũng có thể áp dụng một áp suất nhất định (khoảng 0,49 ~ 0,98 mpa).

Ngoài việc kiểm tra chất lượng bề mặt, mối hàn hàn cũng phải được kiểm tra sốc nhiệt và kiểm tra tính chất cơ học. Các bộ phận bịt kín của thiết bị chân không cũng phải được kiểm tra rò rỉ theo các quy định liên quan.

(2) Hàn trực tiếp: Khi hàn trực tiếp (phương pháp kim loại hoạt tính), trước tiên cần làm sạch bề mặt mối hàn gốm và kim loại, sau đó lắp ráp lại. Để tránh nứt do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của vật liệu cấu thành, có thể luân chuyển lớp đệm (một hoặc nhiều lớp tấm kim loại) giữa các mối hàn. Kim loại hàn phải được kẹp giữa hai mối hàn hoặc đặt tại vị trí mà kim loại hàn được lấp đầy tối đa bằng kim loại hàn, sau đó tiến hành hàn như hàn chân không thông thường.

Nếu sử dụng hàn Ag Cu Ti để hàn trực tiếp, nên áp dụng phương pháp hàn chân không. Khi độ chân không trong lò đạt 2,7 lần, bắt đầu gia nhiệt ở áp suất 10-3pa, lúc này nhiệt độ có thể tăng nhanh; khi nhiệt độ gần đến điểm nóng chảy của mối hàn, nên tăng nhiệt độ từ từ để nhiệt độ của tất cả các bộ phận hàn có xu hướng đồng đều; khi mối hàn nóng chảy, cần tăng nhiệt độ nhanh chóng đến nhiệt độ hàn, thời gian giữ nhiệt từ 3-5 phút; trong quá trình làm nguội, cần làm nguội chậm trước 700℃, sau 700℃ có thể làm nguội tự nhiên bằng lò.

Khi hàn trực tiếp bằng hợp kim hàn Ti-Cu, dạng hàn có thể là lá đồng kết hợp bột Ti hoặc các bộ phận đồng kết hợp lá Ti, hoặc bề mặt gốm có thể được phủ bột Ti kết hợp lá Cu. Trước khi hàn, tất cả các bộ phận kim loại phải được khử khí bằng chân không. Nhiệt độ khử khí của đồng không oxy phải là 750 ~ 800℃, và Ti, Nb, Ta, v.v. phải được khử khí ở 900℃ trong 15 phút. Lúc này, độ chân không không được nhỏ hơn 6,7 × 10-3Pa. Trong quá trình hàn, lắp ráp các bộ phận cần hàn vào đồ gá, nung nóng chúng trong lò chân không đến 900 ~ 1120℃, thời gian giữ nhiệt là 2 ~ 5 phút. Trong toàn bộ quá trình hàn, độ chân không không được nhỏ hơn 6,7 × 10-3Pa.

Quá trình hàn của phương pháp Ti Ni tương tự như phương pháp Ti Cu, nhiệt độ hàn là 900 ± 10oC.

(3) Phương pháp hàn oxit Phương pháp hàn oxit là phương pháp tạo ra mối nối đáng tin cậy bằng cách sử dụng pha thủy tinh hình thành từ quá trình nung chảy hàn oxit để thấm vào gốm sứ và làm ướt bề mặt kim loại. Phương pháp này có thể kết nối gốm sứ với gốm sứ và gốm sứ với kim loại. Kim loại hàn oxit chủ yếu bao gồm Al2O3, Cao, Bao và MgO. Bằng cách thêm B2O3, Y2O3 và ta2O3, có thể thu được kim loại hàn với nhiều nhiệt độ nóng chảy và hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau. Ngoài ra, kim loại hàn florua với thành phần chính là CaF2 và NaF cũng có thể được sử dụng để kết nối gốm sứ và kim loại, tạo ra mối nối có độ bền và khả năng chịu nhiệt cao.