Hàn gốm và kim loại

1. Khả năng hàn

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

Khả năng thấm ướt của chất hàn trên bề mặt gốm có thể được cải thiện bằng cách thêm các nguyên tố kim loại hoạt tính vào chất hàn thông thường; Hàn ở nhiệt độ thấp và thời gian ngắn có thể giảm thiểu ảnh hưởng của phản ứng tại giao diện; Ứng suất nhiệt của mối hàn có thể được giảm thiểu bằng cách thiết kế hình dạng mối hàn phù hợp và sử dụng kim loại đơn lớp hoặc đa lớp làm lớp trung gian.

2. Hàn

Gốm và kim loại thường được hàn trong lò chân không hoặc lò hydro và argon. Ngoài các đặc tính chung, kim loại hàn dùng 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 nguyên tố tạo ra áp suất hơi cao, để tránh gây rò rỉ điện môi và nhiễm độc catốt của thiết bị. Thông thường, khi thiết bị hoạt động, áp suất hơi của chất hàn không được vượt quá 10-3pa, và hàm lượng tạp chất có áp suất hơi cao không được vượt quá 0,002% ~ 0,005%; hàm lượng nước (w(o)) của chất hàn không được vượt quá 0,001%, để tránh hơi nước sinh ra trong quá trình hàn trong môi trường hydro, có thể gây bắn tóe kim loại hàn nóng chảy; Ngoài ra, chất hàn phải sạch và không có oxit trên bề mặt.

Khi hàn sau khi mạ gốm, có thể sử dụng đồng, hợp kim đồng, hợp kim đồng, hợp kim vàng và các vật liệu hàn khác.

Đối với hàn trực tiếp gốm và kim loại, cần chọn vật liệu hàn chứa các nguyên tố hoạt tính Ti và Zr. Vật liệu hàn nhị phân chủ yếu là Ti Cu và Ti Ni, có thể sử dụng ở 1100 ℃. Trong số các loại hàn tam phân, Ag Cu Ti (W) (TI) là loại được sử dụng phổ biến nhất, có thể dùng để hàn trực tiếp nhiều loại gốm và kim loại khác nhau. Vật liệu hàn tam phân có thể được sử dụng dưới dạng lá, bột hoặc hỗn hợp eutectic Ag Cu với bột Ti. Vật liệu hàn B-ti49be2 có khả năng chống ăn mòn tương tự như thép không gỉ và áp suất hơi thấp. Nó có thể được ưu tiên lựa chọn trong các mối nối kín chân không có khả năng chống oxy hóa và rò rỉ. Trong chất 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. Chất hàn B-ti47.5ta5 không chứa Cr đã được sử dụng để hàn trực tiếp oxit nhôm và oxit magie, và mối hàn của nó có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường 1000 ℃. Bảng 14 cho thấy chất trợ dung hoạt tính dùng cho kết nối trực tiếp giữa gốm và kim loại.

Bảng 14: Các kim loại phụ trợ hàn hoạt tính dùng cho hàn gốm và kim loại

2. Công nghệ hàn thiếc

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

(1) Quy trình hàn phổ quát Quy trình hàn phổ quát của gốm và kim loại có thể được chia thành bảy quy trình: làm sạch bề mặt, phủ bột nhão, mạ kim loại bề mặt gốm, mạ niken, hàn và kiểm tra sau 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 nền. Các chi tiết kim loại và mối hàn phải được tẩy dầu mỡ trước, sau đó lớp màng oxit phải được loại bỏ bằng cách rửa bằng axit hoặc kiềm, rửa lại bằng nước chảy và làm 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 tinh chế bề mặt. Các chi tiết đã được 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 để tiếp xúc với không khí trong thời gian dài. Các chi tiết gốm sứ phải được làm sạch bằng acetone và sóng siêu âm, rửa lại bằng nước chảy, và cuối cùng đun sôi hai lần với nước khử ion trong 15 phút mỗi lần.

Phủ lớp dạng bột nhão là một quy trình quan trọng trong việc mạ kim loại gốm. Trong quá trình phủ, lớp bột nhão được thoa lên bề mặt gốm cần mạ bằng cọ hoặc máy phủ bột nhão. Độ dày lớp phủ thường là 30 ~ 60mm. Bột nhão thường được pha chế từ bột kim loại nguyên chất (đôi khi có thêm oxit kim loại thích hợp) với kích thước hạt khoảng 1 ~ 5um và chất kết dính hữu cơ.

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

Đối với lớp mạ kim loại Mo-Mn, để lớp này có thể thấm ướt chất hàn, cần phải mạ điện hoặc phủ một lớp bột niken dày 1,4 ~ 5µm. Nếu nhiệt độ hàn thấp hơn 1000 ℃, lớp niken cần được nung sơ bộ trong lò hydro. Nhiệt độ và thời gian nung là 1000 ℃ / 15 ~ 20 phút.

Các chi tiết gốm được xử lý là các bộ phận kim loại, cần được lắp ráp thành một khối thống nhất bằng thép không gỉ hoặc than chì và khuôn gốm. Mối hàn phải được lắp đặt tại các mối nối, và phôi phải được giữ sạch sẽ trong suốt quá trình gia công, và không được chạm vào bằng tay trần.

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

Ngoài việc kiểm tra chất lượng bề mặt, các mối hàn cũng phải được kiểm tra khả năng chịu sốc nhiệt và tính chất cơ học. Các bộ phận làm kín của thiết bị chân không cũng phải được kiểm tra độ kín theo các quy định hiện hành.

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

Nếu sử dụng chất hàn Ag Cu Ti để hàn trực tiếp, cần áp dụng phương pháp hàn chân không. Khi độ chân không trong lò đạt 2,7 × 10-3 Pa, bắt đầu gia nhiệt ở nhiệt độ 10-3 Pa, và nhiệt độ có thể tăng nhanh ở giai đoạn này; Khi nhiệt độ gần đến điểm nóng chảy của chất hàn, cần tăng nhiệt độ từ từ để nhiệt độ của tất cả các phần của mối hàn gần như bằng nhau; Khi chất hàn tan chảy, cần tăng nhiệt độ nhanh chóng đến nhiệt độ hàn, và giữ nhiệt trong 3 ~ 5 phút; Trong quá trình làm nguội, cần làm nguội chậm trước 700 ℃, và có thể làm nguội tự nhiên cùng với lò sau khi đạt 700 ℃.

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

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 một phương pháp để thực hiện kết nối đáng tin cậy bằng cách sử dụng pha thủy tinh được hình thành do sự nóng chảy của chất hàn oxit để thấm vào gốm và làm ướt bề mặt kim loại. Nó có thể kết nối gốm với gốm và gốm với kim loại. Kim loại hàn oxit chủ yếu bao gồm Al2O3, CaO3, B2O3 và MgO. Bằng cách thêm B2O3, Y2O3 và Ta2O3, có thể thu được các kim loại hàn có điểm nóng chảy và hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau. Ngoài ra, kim loại hàn florua với CaF2 và NaF là thành phần chính cũng có thể được sử dụng để kết nối gốm và kim loại nhằm thu được các mối nối có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt cao.