Soldadura fuerte de cerámica y metales

1. Capacidad de soldadura fuerte

Es difícil soldar componentes cerámicos entre sí o con metal. La mayoría de las soldaduras forman una bola sobre la superficie cerámica, con poca o ninguna humectación. El metal de aporte que sí humedece la cerámica tiende a formar diversos compuestos frágiles (como carburos, siliciuros y compuestos ternarios o multivariados) en la interfaz de la unión durante la soldadura. La presencia de estos compuestos afecta las propiedades mecánicas de la unión. Además, debido a la gran diferencia en los coeficientes de dilatación térmica entre la cerámica, el metal y la soldadura, se generan tensiones residuales en la unión una vez que la temperatura de soldadura se enfría a temperatura ambiente, lo que puede provocar el agrietamiento de la unión.

La humectabilidad de la soldadura sobre la superficie cerámica puede mejorarse añadiendo elementos metálicos activos a la soldadura común; la soldadura fuerte a baja temperatura y durante un corto periodo de tiempo puede reducir el efecto de la reacción interfacial; la tensión térmica de la unión puede reducirse diseñando una forma de unión adecuada y utilizando una capa metálica simple o multicapa como capa intermedia.

2. Soldar

La cerámica y el metal se suelen conectar en un horno de vacío o en un horno de hidrógeno y argón. Además de las características generales, los metales de aporte para soldadura fuerte en dispositivos electrónicos de vacío también deben tener algunos requisitos especiales. Por ejemplo, la soldadura no debe contener elementos que produzcan alta presión de vapor, para no causar fugas dieléctricas y envenenamiento del cátodo de los dispositivos. Generalmente se especifica que cuando el dispositivo está en funcionamiento, la presión de vapor de la soldadura no debe exceder 10⁻³ Pa, y las impurezas de alta presión de vapor contenidas no deben exceder 0,002 % ~ 0,005 %; el w(o) de la soldadura no debe exceder 0,001 %, para evitar el vapor de agua generado durante la soldadura fuerte en hidrógeno, que puede causar salpicaduras de metal de soldadura fundido; además, la soldadura debe estar limpia y libre de óxidos superficiales.

Al soldar después de la metalización cerámica, se pueden utilizar metales de aporte de soldadura de cobre, cobre base, cobre plata, cobre oro y otras aleaciones.

Para la soldadura fuerte directa de cerámicas y metales, se deben seleccionar metales de aporte que contengan los elementos activos Ti y Zr. Los metales de aporte binarios son principalmente Ti Cu y Ti Ni, que pueden utilizarse a 1100 ℃. Entre las soldaduras ternarias, la soldadura Ag Cu Ti (W) (Ti) es la más utilizada, que puede emplearse para la soldadura fuerte directa de diversas cerámicas y metales. El metal de aporte ternario puede utilizarse en forma de lámina, polvo o metal de aporte eutéctico Ag Cu con polvo de Ti. El metal de aporte de soldadura fuerte B-ti49be2 tiene una resistencia a la corrosión similar a la del acero inoxidable y una baja presión de vapor. Puede seleccionarse preferentemente en 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 eficazmente el rango de temperatura de fusión. La soldadura B-ti47.5ta5 sin cromo 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 ℃. La tabla 14 muestra el fundente activo para la conexión directa entre cerámica y metal.

Tabla 14. Metales de aporte activos para soldadura fuerte de cerámica y metal.

2. Tecnología de soldadura fuerte

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

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

El objetivo de la limpieza superficial es eliminar manchas de aceite, sudor y óxido de la superficie del metal base. Las piezas metálicas y la soldadura se desengrasarán primero, luego se eliminará el óxido mediante lavado con ácido o álcali, se lavarán con agua corriente y se secarán. Las piezas que requieren un tratamiento térmico especial se someterán a un tratamiento térmico 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 limpias no deben entrar en contacto con objetos grasientos ni con las manos desnudas. Deben pasar inmediatamente al siguiente proceso o al secador. No deben exponerse al aire durante mucho tiempo. Las piezas cerámicas se limpiarán con acetona y ultrasonidos, se lavarán con agua corriente y, finalmente, se hervirán dos veces con agua desionizada durante 15 minutos cada vez.

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

Las piezas cerámicas encoladas se envían a un horno de hidrógeno y se sinterizan con hidrógeno húmedo o amoníaco craqueado a 1300 ~ 1500 ℃ durante 30 ~ 60 minutos. Para las piezas cerámicas recubiertas con hidruros, se calientan a unos 900 ℃ para descomponer los hidruros y que reaccionen con el metal puro o el titanio (o circonio) que queda en la superficie cerámica, para obtener un recubrimiento metálico en dicha superficie.

Para la capa metalizada de Mo-Mn, con el fin de humedecerla con la soldadura, se debe aplicar una capa de níquel de 1,4 a 5 µm mediante electrodeposición o recubrimiento con polvo de níquel. Si la temperatura de soldadura es inferior a 1000 °C, la capa de níquel debe sinterizarse previamente en un horno de hidrógeno. La temperatura y el tiempo de sinterización son de 1000 °C durante 15 a 20 minutos.

Las piezas cerámicas tratadas son de metal y se ensamblarán con moldes de acero inoxidable o grafito y cerámica. Se aplicará soldadura en las uniones y la pieza deberá mantenerse limpia durante todo el proceso, evitando el contacto con las manos desnudas.

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

Además de la inspección de la calidad superficial, las uniones soldadas mediante soldadura fuerte también deberán someterse a pruebas de choque térmico y de propiedades mecánicas. Las piezas de sellado para dispositivos de vacío también deberán someterse a pruebas de estanqueidad de acuerdo con la normativa vigente.

(2) Soldadura directa: al soldar directamente (método de metal activo), primero limpie la superficie de las piezas cerámicas y metálicas a soldar y luego ensámblelas. Para evitar grietas causadas por los diferentes coeficientes de dilatación térmica de los materiales componentes, se puede rotar la capa intermedia (una o más capas de láminas metálicas) entre las piezas soldadas. El material de aporte para soldadura debe sujetarse entre las dos piezas soldadas o colocarse en la posición donde el espacio se rellene lo máximo posible con dicho material, y luego se debe realizar la soldadura como una soldadura al vacío convencional.

Si se utiliza soldadura Ag Cu Ti para soldadura fuerte directa, se debe adoptar el método de soldadura fuerte al vacío. Cuando el grado de vacío en el horno alcanza 2,7 × Comience a calentar a 10-3 pa, y la temperatura puede aumentar rápidamente en este momento; Cuando la temperatura está cerca del punto de fusión de la soldadura, la temperatura debe aumentarse lentamente para que la temperatura de todas las partes de la soldadura tienda a ser la misma; Cuando la soldadura se funde, la temperatura debe aumentarse rápidamente a la temperatura de soldadura fuerte, y el tiempo de mantenimiento debe ser de 3 a 5 min; Durante el enfriamiento, debe enfriarse lentamente antes de los 700 ℃, y puede enfriarse naturalmente con el horno después de los 700 ℃.

Cuando se suelda directamente la soldadura activa de Ti-Cu, la forma de la soldadura puede ser lámina de Cu más polvo de Ti o piezas de Cu más lámina de Ti, o la superficie cerámica puede recubrirse con polvo de Ti más 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., deben 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, ensamble los componentes a soldar en el dispositivo de sujeción, caliéntelos en el horno de vacío a 900 a 1120 °C, y el tiempo de mantenimiento es 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, humedeciendo así la superficie metálica. Permite unir cerámica con cerámica y cerámica con metales. Los metales de aporte para soldadura fuerte con óxido se componen principalmente de Al₂O₃, CaO, BaO y MgO. Al añadir B₂O₃, Y₂O₃ y Ta₂O₃, se pueden obtener metales de aporte con diversos puntos de fusión y coeficientes de expansión lineal. Además, también se pueden utilizar metales de aporte de fluoruro, con CaF₂ y NaF como componentes principales, para unir cerámica y metales y obtener uniones de alta resistencia y alta resistencia al calor.