การบัดกรีเซรามิกและโลหะ

1. ความสามารถในการบัดกรีแข็ง

การบัดกรีโลหะและเซรามิกด้วยตะกั่วบัดกรีนั้นทำได้ยาก ตะกั่วบัดกรีส่วนใหญ่จะจับตัวเป็นก้อนบนพื้นผิวเซรามิก โดยแทบไม่มีการเปียกหรือไม่มีการเปียก โลหะเติมที่ใช้ในการบัดกรีที่สามารถทำให้เซรามิกเปียกได้นั้นสามารถเกิดสารประกอบเปราะหลายชนิด (เช่น คาร์ไบด์ ซิลิไซด์ และสารประกอบเทอร์นารีหรือมัลติเวอเรต) ได้ง่ายที่บริเวณรอยต่อระหว่างการบัดกรี สารประกอบเหล่านี้มีผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของรอยต่อ นอกจากนี้ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างเซรามิก โลหะ และตะกั่วบัดกรีมีความแตกต่างกันมาก จึงทำให้เกิดความเค้นตกค้างในรอยต่อหลังจากอุณหภูมิการบัดกรีลดลงจนถึงอุณหภูมิห้อง ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่รอยต่อได้

สามารถปรับปรุงความสามารถในการเปียกของตะกั่วบัดกรีบนพื้นผิวเซรามิกได้โดยการเพิ่มองค์ประกอบโลหะที่ใช้งานอยู่ลงในตะกั่วบัดกรีทั่วไป การบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำและระยะเวลาสั้นสามารถลดผลของปฏิกิริยาต่ออินเทอร์เฟซได้ ความเครียดจากความร้อนของข้อต่อสามารถลดลงได้โดยการออกแบบรูปแบบข้อต่อที่เหมาะสมและใช้โลหะชั้นเดียวหรือหลายชั้นเป็นชั้นกลาง

2. การบัดกรี

โดยทั่วไปแล้ว เซรามิกและโลหะจะเชื่อมต่อกันในเตาสุญญากาศหรือเตาไฮโดรเจนและอาร์กอน นอกจากคุณสมบัติทั่วไปแล้ว โลหะเติมที่ใช้ในการบัดกรีสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สุญญากาศควรมีข้อกำหนดพิเศษบางประการด้วย ตัวอย่างเช่น ตะกั่วบัดกรีไม่ควรมีองค์ประกอบที่สร้างแรงดันไอสูง เพื่อไม่ให้เกิดการรั่วไหลของไดอิเล็กทริกและพิษของแคโทดต่ออุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้ว แรงดันไอของตะกั่วบัดกรีไม่ควรเกิน 10-3 pa และสิ่งเจือปนแรงดันไอสูงที่มีอยู่ไม่ควรเกิน 0.002% ~ 0.005%; ค่า w (o) ของตะกั่วบัดกรีไม่ควรเกิน 0.001% เพื่อหลีกเลี่ยงไอน้ำที่เกิดขึ้นระหว่างการบัดกรีในไฮโดรเจน ซึ่งอาจทำให้โลหะบัดกรีหลอมเหลวกระเด็น นอกจากนี้ ตะกั่วบัดกรีต้องสะอาดและปราศจากออกไซด์บนพื้นผิว

เมื่อทำการบัดกรีหลังจากการทำให้เป็นโลหะเซรามิก สามารถใช้ทองแดง ทองแดงฐาน ทองแดงเงิน ทองแดงทอง และโลหะเติมที่ใช้ในการบัดกรีโลหะผสมชนิดอื่นๆ ได้

สำหรับการบัดกรีโดยตรงสำหรับเซรามิกและโลหะ ควรเลือกใช้โลหะเติมสำหรับบัดกรีที่มีธาตุที่ใช้งาน ได้แก่ Ti และ Zr โลหะเติมแบบไบนารีส่วนใหญ่คือ Ti Cu และ Ti Ni ซึ่งสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 1100 องศาเซลเซียส ในบรรดาโลหะบัดกรีแบบสามองค์ประกอบ Ag Cu Ti (W) (TI) เป็นโลหะบัดกรีที่นิยมใช้มากที่สุด ซึ่งสามารถใช้ในการบัดกรีโดยตรงสำหรับเซรามิกและโลหะต่างๆ โลหะเติมแบบสามองค์ประกอบสามารถใช้ฟอยล์ ผง หรือโลหะเติมยูเทคติก Ag Cu กับผง Ti โลหะเติมสำหรับบัดกรี B-ti49be2 มีความต้านทานการกัดกร่อนใกล้เคียงกับสแตนเลสและมีความดันไอต่ำ สามารถเลือกใช้ในรอยต่อสุญญากาศที่มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและการรั่วซึมได้ ในโลหะบัดกรี ti-v-cr อุณหภูมิหลอมเหลวจะต่ำที่สุด (1620 องศาเซลเซียส) เมื่อ w (V) อยู่ที่ 30% และการเติม Cr สามารถลดช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตะกั่วบัดกรี B-ti47.5ta5 ปราศจากโครเมียม ถูกนำมาใช้ในการบัดกรีอะลูมินาและแมกนีเซียมออกไซด์โดยตรง และรอยต่อของตะกั่วบัดกรีสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม 1,000 องศาเซลเซียส ตารางที่ 14 แสดงฟลักซ์ที่ใช้งานสำหรับการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างเซรามิกและโลหะ

ตารางที่ 14 โลหะเติมประสานแบบแอคทีฟสำหรับการบัดกรีเซรามิกและโลหะ

2. เทคโนโลยีการบัดกรี

เซรามิกที่ผ่านการเคลือบโลหะล่วงหน้าสามารถบัดกรีได้ในสภาพแวดล้อมที่มีความบริสุทธิ์สูง เช่น ก๊าซเฉื่อย ไฮโดรเจน หรือสุญญากาศ โดยทั่วไปแล้วการบัดกรีด้วยสุญญากาศจะใช้สำหรับการบัดกรีเซรามิกโดยตรงโดยไม่ต้องเคลือบโลหะ

(1) กระบวนการบัดกรีสากล กระบวนการบัดกรีสากลของเซรามิกและโลหะสามารถแบ่งออกเป็น 7 กระบวนการ ได้แก่ การทำความสะอาดพื้นผิว การเคลือบด้วยเพสต์ การชุบโลหะบนพื้นผิวเซรามิก การชุบนิกเกิล การบัดกรี และการตรวจสอบหลังการเชื่อม

วัตถุประสงค์ของการทำความสะอาดพื้นผิวคือการกำจัดคราบน้ำมัน คราบเหงื่อ และฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวโลหะพื้นฐาน ชิ้นส่วนโลหะและตะกั่วบัดกรีจะต้องถูกกำจัดไขมันออกก่อน จากนั้นจึงกำจัดฟิล์มออกไซด์ออกด้วยการล้างด้วยกรดหรือด่าง ล้างด้วยน้ำไหลผ่านและทำให้แห้ง ชิ้นส่วนที่มีความต้องการสูงจะต้องได้รับการอบด้วยความร้อนในเตาสุญญากาศหรือเตาไฮโดรเจน (อาจใช้วิธีการยิงไอออนก็ได้) ที่อุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสมเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นส่วน ชิ้นส่วนที่ทำความสะอาดแล้วจะต้องไม่สัมผัสกับวัตถุที่มีคราบมันหรือมือเปล่า ควรนำไปเข้ากระบวนการถัดไปหรือเข้าเครื่องอบทันที และไม่ควรสัมผัสกับอากาศเป็นเวลานาน ชิ้นส่วนเซรามิกจะต้องทำความสะอาดด้วยอะซิโตนและอัลตราโซนิก ล้างด้วยน้ำไหลผ่าน และต้มน้ำปราศจากไอออนสองครั้ง ครั้งละ 15 นาที

การเคลือบด้วยเพสต์เป็นกระบวนการสำคัญในการเคลือบโลหะเซรามิก ในระหว่างการเคลือบ จะมีการทาลงบนพื้นผิวเซรามิกที่ต้องการเคลือบโลหะด้วยแปรงหรือเครื่องเคลือบเพสต์ โดยทั่วไปความหนาของการเคลือบจะอยู่ที่ 30-60 มม. โดยทั่วไปเพสต์จะเตรียมจากผงโลหะบริสุทธิ์ (บางครั้งอาจมีการเติมโลหะออกไซด์ที่เหมาะสม) ขนาดอนุภาคประมาณ 1-5 ไมโครเมตร และกาวอินทรีย์

ชิ้นส่วนเซรามิกที่เคลือบแล้วจะถูกส่งไปยังเตาเผาไฮโดรเจนและเผาด้วยไฮโดรเจนเปียกหรือแอมโมเนียแตกที่อุณหภูมิ 1300-1500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 30-60 นาที สำหรับชิ้นส่วนเซรามิกที่เคลือบด้วยไฮไดรด์ จะต้องให้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส เพื่อสลายไฮไดรด์และทำปฏิกิริยากับโลหะบริสุทธิ์หรือไทเทเนียม (หรือเซอร์โคเนียม) ที่เหลืออยู่บนพื้นผิวเซรามิก เพื่อให้ได้โลหะเคลือบบนพื้นผิวเซรามิก

สำหรับชั้นโลหะ Mo-Mn ที่ต้องชุบด้วยตะกั่ว ต้องชุบนิกเกิลหนา 1.4-5 ไมโครเมตรด้วยไฟฟ้าหรือเคลือบด้วยผงนิกเกิล หากอุณหภูมิในการบัดกรีต่ำกว่า 1,000 องศาเซลเซียส จะต้องเผาชั้นนิกเกิลในเตาเผาไฮโดรเจนก่อน อุณหภูมิและเวลาในการเผาคือ 1,000 องศาเซลเซียส ใช้เวลาประมาณ 15-20 นาที

เซรามิกที่ผ่านการชุบแข็งแล้วเป็นชิ้นส่วนโลหะ ซึ่งต้องประกอบเข้าด้วยกันเป็นชิ้นเดียวด้วยแม่พิมพ์สแตนเลสหรือกราไฟต์และเซรามิก จะต้องบัดกรีที่รอยต่อ และรักษาชิ้นงานให้สะอาดตลอดการใช้งาน และต้องไม่สัมผัสด้วยมือเปล่า

การบัดกรีควรทำในเตาอาร์กอน เตาไฮโดรเจน หรือเตาสุญญากาศ อุณหภูมิในการบัดกรีขึ้นอยู่กับโลหะเติมที่ใช้บัดกรี เพื่อป้องกันการแตกร้าวของชิ้นส่วนเซรามิก อัตราการเย็นตัวไม่ควรเร็วเกินไป นอกจากนี้ การบัดกรียังสามารถใช้แรงดันได้ในระดับหนึ่ง (ประมาณ 0.49 ~ 0.98 mpa)

นอกจากการตรวจสอบคุณภาพพื้นผิวแล้ว การเชื่อมประสานจะต้องผ่านการตรวจสอบการช็อกจากความร้อนและคุณสมบัติเชิงกลด้วย ชิ้นส่วนซีลสำหรับอุปกรณ์สุญญากาศจะต้องผ่านการทดสอบการรั่วไหลตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง

(2) การบัดกรีโดยตรง (วิธีโลหะแอคทีฟ) สำหรับการบัดกรีโดยตรง (วิธีโลหะแอคทีฟ) ให้ทำความสะอาดพื้นผิวของรอยเชื่อมเซรามิกและโลหะก่อน แล้วจึงประกอบเข้าด้วยกัน เพื่อป้องกันรอยแตกที่เกิดจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุส่วนประกอบที่แตกต่างกัน สามารถหมุนชั้นบัฟเฟอร์ (แผ่นโลหะหนึ่งชั้นหรือมากกว่า) ระหว่างรอยเชื่อมได้ โลหะเติมสำหรับบัดกรีควรยึดติดระหว่างรอยเชื่อมสองจุด หรือวางไว้ในตำแหน่งที่ช่องว่างถูกเติมด้วยโลหะเติมสำหรับบัดกรีให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ จากนั้นจึงทำการบัดกรีเช่นเดียวกับการบัดกรีสุญญากาศทั่วไป

หากใช้ตะกั่วบัดกรี Ag Cu Ti สำหรับการบัดกรีโดยตรง ควรใช้วิธีการบัดกรีด้วยสุญญากาศ เมื่อระดับสุญญากาศในเตาถึง 2.7 × ให้เริ่มให้ความร้อนที่ 10-3pa ซึ่งอุณหภูมิอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ณ เวลานี้ เมื่ออุณหภูมิใกล้ถึงจุดหลอมเหลวของตะกั่วบัดกรี ควรค่อยๆ เพิ่มอุณหภูมิเพื่อให้อุณหภูมิของทุกส่วนของรอยเชื่อมเท่ากัน เมื่อตะกั่วบัดกรีละลายแล้ว อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิบัดกรี และระยะเวลาการคงอยู่ควรอยู่ที่ 3-5 นาที ในระหว่างการทำให้เย็นลง ควรค่อยๆ ทำให้เย็นลงก่อน 700°C และสามารถให้เย็นลงตามธรรมชาติด้วยเตาหลังจาก 700°C

เมื่อบัดกรีด้วยตะกั่ว Ti-Cu แบบแอคทีฟโดยตรง รูปแบบของตะกั่วอาจเป็นฟอยล์ Cu บวกผง Ti หรือชิ้นส่วน Cu บวกฟอยล์ Ti หรือพื้นผิวเซรามิกสามารถเคลือบด้วยผง Ti บวกฟอยล์ Cu ได้ ก่อนบัดกรี ชิ้นส่วนโลหะทั้งหมดจะต้องถูกกำจัดแก๊สออกด้วยสุญญากาศ อุณหภูมิการกำจัดแก๊สของทองแดงปราศจากออกซิเจนควรอยู่ที่ 750 ~ 800 ℃ และกำจัดแก๊ส Ti, Nb, Ta ฯลฯ ที่อุณหภูมิ 900 ℃ เป็นเวลา 15 นาที ณ เวลานี้ ระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 6.7 × 10-3Pa ในระหว่างการบัดกรี ให้ประกอบชิ้นส่วนที่จะเชื่อมเข้ากับอุปกรณ์จับยึด ให้ความร้อนในเตาสุญญากาศที่อุณหภูมิ 900 ~ 1120 ℃ และระยะเวลาการยึดติดอยู่ที่ 2 ~ 5 นาที ตลอดกระบวนการบัดกรี ระดับสุญญากาศต้องไม่น้อยกว่า 6.7 × 10-3Pa

กระบวนการบัดกรีของวิธี Ti Ni นั้นคล้ายคลึงกับวิธี Ti Cu และอุณหภูมิในการบัดกรีคือ 900 ± 10 ℃

(3) วิธีการบัดกรีแบบออกไซด์ วิธีการบัดกรีแบบออกไซด์เป็นวิธีการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้โดยใช้เฟสแก้วที่เกิดจากการหลอมของตะกั่วออกไซด์แทรกซึมเข้าไปในเซรามิกและทำให้พื้นผิวโลหะเปียก สามารถเชื่อมต่อเซรามิกกับเซรามิกและเซรามิกกับโลหะได้ โลหะเติมสำหรับการเชื่อมแบบออกไซด์ประกอบด้วย Al2O3, Cao, Bao และ MgO เป็นหลัก โดยการเติม B2O3, Y2O3 และ ta2o3 จะสามารถผลิตโลหะเติมสำหรับการเชื่อมที่มีจุดหลอมเหลวและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่างๆ ได้ นอกจากนี้ โลหะเติมสำหรับการเชื่อมแบบฟลูออไรด์ที่มี CaF2 และ NaF เป็นส่วนประกอบหลัก ยังสามารถใช้เชื่อมเซรามิกกับโลหะเพื่อให้ได้รอยต่อที่มีความแข็งแรงสูงและทนความร้อนสูง