Soldadura fuerte de cerámicas y metales

1. Soldabilidad

La soldadura fuerte de componentes cerámicos, metálicos y cerámicos es difícil. La mayor parte de la soldadura forma una bola sobre la superficie cerámica, con poca o ninguna humectación. El metal de aportación para la soldadura fuerte, capaz de humedecer la cerámica, facilita la formación de diversos compuestos frágiles (como carburos, siliciuros y compuestos ternarios o multivariados) en la interfaz de la unión durante la soldadura fuerte. La presencia de estos compuestos afecta las propiedades mecánicas de la unión. Además, debido a la gran diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre la cerámica, el metal y la soldadura, se generará una tensión residual en la unión una vez que la temperatura de soldadura fuerte alcance la temperatura ambiente, lo que puede causar grietas.

La humectabilidad de la soldadura sobre la superficie cerámica se puede mejorar agregando elementos metálicos activos a la soldadura común; la soldadura fuerte a baja temperatura y en tiempos cortos puede reducir el efecto de la reacción de la interfaz; la tensión térmica de la unión se puede reducir diseñando una forma de unión adecuada y utilizando un metal de una o varias capas como capa intermedia.

2. Soldadura

La cerámica y el metal se suelen conectar en hornos de vacío o de hidrógeno y argón. Además de las características generales, los metales de aportación para la soldadura fuerte en dispositivos electrónicos de vacío también deben cumplir con requisitos especiales. Por ejemplo, la soldadura no debe contener elementos que generen alta presión de vapor, para evitar fugas dieléctricas y contaminación catódica de los dispositivos. Generalmente, se especifica que, durante el funcionamiento del dispositivo, la presión de vapor de la soldadura no debe superar los 10-3 Pa, y las impurezas de alta presión de vapor contenidas no deben superar el 0,002 % ~ 0,005 %. El w(o) de la soldadura no debe superar el 0,001 %, para evitar la generación de vapor de agua durante la soldadura fuerte en hidrógeno, que puede causar salpicaduras de metal fundido. Además, la soldadura debe estar limpia y libre de óxidos superficiales.

Al realizar soldadura fuerte después de la metalización cerámica, se pueden utilizar cobre, cobre base, cobre plateado, cobre dorado y otros metales de relleno para soldadura fuerte de aleación.

Para la soldadura fuerte directa de cerámicas y metales, se deben seleccionar metales de aporte que contengan elementos activos Ti y Zr. Los metales de aporte binarios son principalmente Ti Cu y Ti Ni, que se pueden usar a 1100 ℃. Entre las soldaduras ternarias, Ag Cu Ti (W) (TI) es la soldadura más utilizada, que se puede usar para la soldadura fuerte directa de varias cerámicas y metales. El metal de aporte ternario se puede usar en lámina, polvo o metal de aporte eutéctico Ag Cu con polvo de Ti. El metal de aporte para soldadura fuerte B-ti49be2 tiene una resistencia a la corrosión similar al acero inoxidable y una baja presión de vapor. Se puede seleccionar preferentemente en las juntas de sellado al vacío con resistencia a la oxidación y a las fugas. En la soldadura ti-v-cr, la temperatura de fusión es la más baja (1620 ℃) ​​cuando w (V) es del 30%, y la adición de Cr puede reducir efectivamente el rango de temperatura de fusión. La soldadura B-ti47.5ta5 sin Cr se ha utilizado para la soldadura fuerte directa de alúmina y óxido de magnesio, y su unión puede funcionar a una temperatura ambiente de 1000 °C. La Tabla 14 muestra el fundente activo para la conexión directa entre cerámica y metal.

Tabla 14 Metales de relleno para soldadura fuerte activa de cerámica y metal

2. Tecnología de soldadura fuerte

Las cerámicas premetalizadas pueden soldarse en entornos de gas inerte de alta pureza, hidrógeno o vacío. La soldadura al vacío se utiliza generalmente para la soldadura directa de cerámicas sin metalización.

(1) Proceso de soldadura fuerte universal El proceso de soldadura fuerte universal de cerámica y metal se puede dividir en siete procesos: limpieza de la superficie, recubrimiento de pasta, metalización de la superficie cerámica, niquelado, soldadura fuerte e inspección posterior a la soldadura.

El objetivo de la limpieza de superficies es eliminar manchas de aceite, sudor y la película de óxido de la superficie del metal base. Las piezas metálicas y la soldadura se desengrasan primero, luego se elimina la película de óxido mediante lavado ácido o alcalino, se lava con agua corriente y se seca. Las piezas con requisitos exigentes se tratan térmicamente en un horno de vacío o de hidrógeno (también se puede utilizar el método de bombardeo iónico) a la temperatura y el tiempo adecuados para purificar la superficie. Las piezas limpiadas no deben entrar en contacto con objetos grasosos ni con las manos descubiertas. Se deben colocar inmediatamente en el siguiente proceso o en la secadora. No deben exponerse al aire durante un tiempo prolongado. Las piezas cerámicas se limpian con acetona y ultrasonidos, se lavan con agua corriente y, finalmente, se hierven dos veces con agua desionizada durante 15 minutos cada vez.

El recubrimiento con pasta es un proceso importante de la metalización cerámica. Durante el recubrimiento, se aplica a la superficie cerámica a metalizar con una brocha o una máquina de recubrimiento con pasta. El espesor del recubrimiento suele ser de 30 a 60 mm. La pasta se prepara generalmente a partir de polvo metálico puro (en ocasiones se añade el óxido metálico adecuado) con un tamaño de partícula de aproximadamente 1 a 5 µm y adhesivo orgánico.

Las piezas cerámicas empastadas se envían a un horno de hidrógeno y se sinterizan con hidrógeno húmedo o amoníaco craqueado a 1300-1500 °C durante 30-60 min. Las piezas cerámicas recubiertas con hidruros se calientan a aproximadamente 900 °C para descomponerlos y reaccionar con el metal puro o el titanio (o circonio) remanente en la superficie cerámica, obteniendo así un recubrimiento metálico.

Para humedecer la capa metalizada de Mo-Mn con la soldadura, se debe galvanizar o recubrir una capa de níquel de 1,4 ~ 5 µm con una capa de polvo de níquel. Si la temperatura de soldadura es inferior a 1000 ℃, la capa de níquel debe presinterizarse en un horno de hidrógeno. La temperatura y el tiempo de sinterización son de 1000 ℃ (15 ~ 20 min).

Las piezas de cerámica tratada son piezas metálicas que se ensamblan con moldes de acero inoxidable o grafito y cerámica. Se aplicará soldadura en las uniones y la pieza de trabajo se mantendrá limpia durante toda la operación, evitando tocarla con las manos desnudas.

La soldadura fuerte se realiza en un horno de argón, hidrógeno o vacío. La temperatura de soldadura fuerte depende del metal de aporte. Para evitar el agrietamiento de las piezas cerámicas, la velocidad de enfriamiento no debe ser demasiado rápida. Además, la soldadura fuerte también puede aplicar cierta presión (aproximadamente 0,49 ~ 0,98 MPa).

Además de la inspección de la calidad superficial, las soldaduras soldadas también deben someterse a una inspección de choque térmico y propiedades mecánicas. Las piezas de sellado de los dispositivos de vacío también deben someterse a una prueba de fugas, de acuerdo con la normativa vigente.

(2) Soldadura fuerte directa: al soldar directamente (método de metal activo), primero se limpia la superficie de las soldaduras cerámica y metálica, y luego se ensamblan. Para evitar grietas causadas por diferentes coeficientes de expansión térmica de los materiales de los componentes, la capa de amortiguación (una o más capas de láminas metálicas) puede rotarse entre las soldaduras. El metal de aporte para la soldadura fuerte se sujetará entre dos soldaduras o se colocará en el punto donde el espacio se rellene con metal de aporte, en la medida de lo posible, y luego la soldadura fuerte se realizará como una soldadura fuerte al vacío convencional.

Si se utiliza soldadura de Ag Cu Ti para soldadura fuerte directa, se debe utilizar el método de soldadura al vacío. Cuando el vacío en el horno alcance 2,7 ×, comience a calentar a 10-3 Pa, momento en el que la temperatura puede aumentar rápidamente. Cuando la temperatura se acerque al punto de fusión de la soldadura, esta debe aumentarse lentamente para que la temperatura de todas las partes de la soldadura tienda a ser la misma. Cuando la soldadura se funda, la temperatura debe aumentarse rápidamente hasta la temperatura de soldadura fuerte, y el tiempo de mantenimiento debe ser de 3 a 5 minutos. Durante el enfriamiento, debe enfriarse lentamente antes de alcanzar los 700 °C, y puede enfriarse naturalmente con el horno después de alcanzarlos.

Para la soldadura activa de Ti-Cu, la soldadura puede ser lámina de Cu con polvo de Ti, piezas de Cu con lámina de Ti o la superficie cerámica puede recubrirse con polvo de Ti con lámina de Cu. Antes de la soldadura, todas las piezas metálicas deben desgasificarse al vacío. La temperatura de desgasificación del cobre libre de oxígeno debe ser de 750 a 800 °C, y el Ti, Nb, Ta, etc., debe desgasificarse a 900 °C durante 15 minutos. En este momento, el grado de vacío no debe ser inferior a 6,7 ​​× 10-3 Pa. Durante la soldadura, se ensamblan los componentes en el dispositivo de fijación y se calientan en el horno de vacío a 900 a 1120 °C, manteniendo el tiempo de 2 a 5 minutos. Durante todo el proceso de soldadura, el grado de vacío no debe ser inferior a 6,7 ​​× 10-3 Pa.

El proceso de soldadura fuerte del método Ti Ni es similar al del método Ti Cu y la temperatura de soldadura fuerte es de 900 ± 10 ℃.

(3) Método de soldadura fuerte con óxido: Este método permite lograr una conexión fiable mediante la infiltración de la fase vítrea formada por la fusión de la soldadura de óxido en la cerámica y la humectación de la superficie metálica. Permite conectar cerámicas entre sí y cerámicas con metales. Los metales de aporte para la soldadura fuerte con óxido se componen principalmente de Al₂O₃, CaO₂, Bao₂ y MgO. Añadiendo B₂O₃, Y₂O₃ y ta₂O₃, se pueden obtener metales de aporte con diversos puntos de fusión y coeficientes de expansión lineal. Además, los metales de aporte con flúor, compuestos principalmente por CaF₂ y NaF₂, también se pueden utilizar para conectar cerámicas y metales, obteniendo uniones de alta resistencia y alta resistencia térmica.