הלחמת קרמיקה ומתכות

1. יכולת הלחמה

קשה להלחים קרמיקה ורכיבים קרמיים, קרמיים ומתכתיים. רוב ההלחמה יוצרת כדור על פני השטח הקרמיים, עם מעט מאוד הרטבה או ללא הרטבה כלל. מתכת המילוי להלחמה שיכולה להרטיב קרמיקה נוטה בקלות ליצור מגוון תרכובות שבירות (כגון קרבידים, סיליצידים ותרכובות טרנריות או רב-משתניות) בממשק החיבור במהלך ההלחמה. קיומם של תרכובות אלו משפיע על התכונות המכניות של החיבור. בנוסף, בשל ההבדל הגדול במקדמי ההתפשטות התרמית בין קרמיקה, מתכת והלחמה, יהיה מאמץ שיורי בחיבור לאחר קירור טמפרטורת ההלחמה לטמפרטורת החדר, מה שעלול לגרום לסדיקה בחיבור.

ניתן לשפר את הרטיבות של ההלחמה על פני השטח הקרמיים על ידי הוספת אלמנטים מתכתיים פעילים להלחמה רגילה; טמפרטורה נמוכה והלחמה קצרת טווח יכולים להפחית את השפעת תגובת הממשק; ניתן להפחית את הלחץ התרמי של החיבור על ידי תכנון צורת חיבור מתאימה ושימוש במתכת חד-שכבתית או רב-שכבתית כשכבת ביניים.

2. הלחמה

קרמיקה ומתכת מחוברים בדרך כלל בתנור ואקום או בתנור מימן וארגון. בנוסף למאפיינים הכלליים, מתכות מילוי להלחמה עבור מכשירים אלקטרוניים בוואקום צריכות להיות גם דרישות מיוחדות. לדוגמה, הלחמה לא צריכה להכיל אלמנטים המייצרים לחץ אדים גבוה, כדי לא לגרום לדליפה דיאלקטרית ולהרעלת קתודה של התקנים. בדרך כלל מצוין שכאשר המכשיר פועל, לחץ האדים של ההלחמה לא יעלה על 10-3pa, וזיהומי לחץ אדים גבוהים הכלולים לא יעלו על 0.002% ~ 0.005%; ערך w (o) של ההלחמה לא יעלה על 0.001%, כדי למנוע אדי מים שנוצרים במהלך ההלחמה במימן, העלולים לגרום להתזות של מתכת הלחמה מותכת; בנוסף, ההלחמה חייבת להיות נקייה וללא תחמוצות על פני השטח.

בעת הלחמה לאחר מטאליזציה קרמית, ניתן להשתמש במתכות מילוי הלחמה מסוג נחושת, נחושת בסיסית, נחושת כסופה, נחושת זהב וסגסוגות אחרות.

עבור הלחמה ישירה של קרמיקה ומתכות, יש לבחור מתכות מילוי להלחמה המכילות את היסודות הפעילים Ti ו-Zr. מתכות המילוי הבינאריות הן בעיקר TiCu ו-TiNi, בהן ניתן להשתמש בטמפרטורה של 1100 מעלות צלזיוס. מבין סוגי ההלחמה הטרינרית, AgCuTi(W)(TI) הוא הלחמה הנפוצה ביותר, בה ניתן להשתמש להלחמה ישירה של קרמיקה ומתכות שונות. ניתן להשתמש במתכת מילוי טרינרית על ידי נייר כסף, אבקה או מתכת מילוי אוטקטית AgCu עם אבקת Ti. למתכת מילוי להלחמה B-ti49be2 עמידות בפני קורוזיה דומה לזו של פלדת אל-חלד ולחץ אדים נמוך. ניתן לבחור אותה באופן מועדף בחיבורי איטום בוואקום עם עמידות לחמצון ודליפה. בהלחמה ti-v-cr, טמפרטורת ההיתוך היא הנמוכה ביותר (1620 מעלות צלזיוס) כאשר w(V) הוא 30%, ותוספת Cr יכולה להפחית ביעילות את טווח טמפרטורות ההיתוך. הלחמה B-ti47.5ta5 ללא Cr שימשה להלחמה ישירה של אלומינה ותחמוצת מגנזיום, והחיבור שלה יכול לעבוד בטמפרטורת סביבה של 1000 מעלות צלזיוס. טבלה 14 מציגה את השטף הפעיל עבור חיבור ישיר בין קרמיקה למתכת.

טבלה 14 מתכות מילוי להלחמה אקטיבית להלחמה קרמית ומתכתית

2. טכנולוגיית הלחמה

ניתן להלחים קרמיקה קדם-מתכתית בסביבת גז אינרטי בעלת טוהר גבוה, מימן או ואקום. הלחמת ואקום משמשת בדרך כלל להלחמה ישירה של קרמיקה ללא מתכות.

(1) תהליך הלחמה אוניברסלי תהליך ההלחמה האוניברסלי של קרמיקה ומתכת ניתן לחלק לשבעה תהליכים: ניקוי פני השטח, ציפוי במשחה, מטאליזציה של פני השטח הקרמיים, ציפוי ניקל, הלחמה ובדיקה לאחר ריתוך.

מטרת ניקוי פני השטח היא להסיר כתמי שמן, כתמי זיעה ושכבת תחמוצת מפני השטח של מתכת בסיסית. יש להסיר תחילה את חלקי המתכת וההלחמה, לאחר מכן להסיר את שכבת התחמוצת באמצעות שטיפה חומצית או בסיסית, לשטוף במים זורמים ולייבש. חלקים בעלי דרישות גבוהות יעברו טיפול בחום בתנור ואקום או בתנור מימן (ניתן גם להשתמש בשיטת הפצצת יונים) בטמפרטורה ובזמן מתאימים כדי לטהר את פני השטח של החלקים. החלקים הנקיים לא יבואו במגע עם חפצים שמנוניים או ידיים חשופות. יש להעביר אותם מיד לתהליך הבא או למייבש. אין לחשוף אותם לאוויר למשך זמן רב. יש לנקות את חלקי הקרמיקה באצטון ובאולטרסאונד, לשטוף במים זורמים, ולבסוף להרתיח פעמיים במים מזוקקים במשך 15 דקות בכל פעם.

ציפוי משחה הוא תהליך חשוב של מטאליזציה קרמית. במהלך הציפוי, הוא מוחל על המשטח הקרמי המיועד למתכת באמצעות מברשת או מכונת ציפוי משחה. עובי הציפוי הוא בדרך כלל 30 ~ 60 מ"מ. המשחה מוכנה בדרך כלל מאבקת מתכת טהורה (לעיתים מוסיפים תחמוצת מתכת מתאימה) בגודל חלקיקים של כ-1 ~ 5 מיקרון ודבק אורגני.

חלקי הקרמיקה המודבקים נשלחים לתנור מימן ומסונטרים עם מימן רטוב או אמוניה סדוקה בטמפרטורה של 1300 ~ 1500 מעלות צלזיוס למשך 30 ~ 60 דקות. עבור חלקי הקרמיקה המצופים בהידרידים, יש לחמם אותם לכ-900 מעלות צלזיוס כדי לפרק את ההידרידים ולהגיב עם מתכת טהורה או טיטניום (או זירקוניום) שנותרו על פני השטח הקרמיים כדי לקבל ציפוי מתכת על פני השטח הקרמיים.

עבור שכבת המתכת של MoMn, על מנת להרטיב אותה עם הלחמה, יש לצבוע שכבת ניקל בגודל 1.4 ~ 5 מיקרון באמצעות אלקטרוליטי או מצופה בשכבת אבקת ניקל. אם טמפרטורת ההלחמה נמוכה מ-1000 מעלות צלזיוס, יש צורך לסנטור מראש את שכבת הניקל בכבשן מימן. טמפרטורת הסינטור וזמן הסינון הם 1000 מעלות צלזיוס / 15 ~ 20 דקות.

הקרמיקה המטופלת היא חלקים ממתכת, אשר יורכבו לשלם באמצעות תבניות נירוסטה או גרפיט וקרמיקה. יש להתקין הלחמה בחיבורים, ויש לשמור על חומר העבודה נקי לאורך כל הפעולה, ואין לגעת בו בידיים חשופות.

יש לבצע את ההלחמה בתנור ארגון, מימן או ואקום. טמפרטורת ההלחמה תלויה במתכת המילוי להלחמה. על מנת למנוע סדקים של חלקים קרמיים, קצב הקירור לא יהיה מהיר מדי. בנוסף, ניתן להפעיל לחץ מסוים בהלחמה (כ-0.49 ~ 0.98 מגה פסקל).

בנוסף לבדיקת איכות פני השטח, יש לבחון גם את רכיבי הריתוך המולחמים לבדיקת הלם תרמי ותכונות מכניות. חלקי האטימה של התקני ואקום חייבים לעבור גם בדיקת דליפה בהתאם לתקנות הרלוונטיות.

(2) הלחמה ישירה בעת הלחמה ישירה (שיטת המתכת הפעילה), יש לנקות תחילה את פני השטח של הריתוכים הקרמיים והמתכתיים, ולאחר מכן להרכיב אותם. על מנת למנוע סדקים הנגרמים עקב מקדמי התפשטות תרמיים שונים של חומרי הרכיבים, ניתן לסובב את שכבת החיץ (שכבה אחת או יותר של יריעות מתכת) בין הריתוכים. יש להדק את מתכת המילוי להלחמה בין שני ריתוכים או להניח אותה במקום שבו הפער ממולא במתכת מילוי להלחמה ככל האפשר, ולאחר מכן יש לבצע את ההלחמה כמו הלחמת ואקום רגילה.

אם משתמשים בהלחמת Ag Cu Ti להלחמה ישירה, יש לאמץ שיטת הלחמת ואקום. כאשר דרגת הוואקום בכבשן מגיעה ל-2.7 מעלות צלזיוס, יש להתחיל לחמם בטמפרטורה של 10-3 פסקל, והטמפרטורה יכולה לעלות במהירות בשלב זה; כאשר הטמפרטורה קרובה לנקודת ההיתוך של ההלחמה, יש להעלות את הטמפרטורה באיטיות כדי שהטמפרטורה של כל חלקי הריתוך תהיה זהה; כאשר ההלחמה נמסה, יש להעלות את הטמפרטורה במהירות לטמפרטורת ההלחמה, וזמן ההחזקה יהיה 3 ~ 5 דקות; במהלך הקירור, יש לקרר אותו באיטיות לפני 700 ℃, וניתן לקרר אותו באופן טבעי באמצעות הכבשן לאחר 700 ℃.

כאשר מלחמים ישירות הלחמה פעילה של Ti-Cu, צורת ההלחמה יכולה להיות נייר אלומיניום בתוספת אבקת Ti או חלקי נחושת בתוספת נייר אלומיניום, או שניתן לצפות את המשטח הקרמי באבקת Ti בתוספת נייר אלומיניום. לפני ההלחמה, יש לנקות את כל חלקי המתכת באמצעות ואקום. טמפרטורת ניתוק הגזים של נחושת נטולת חמצן צריכה להיות 750 ~ 800 ℃, ויש לנקות את Ti, Nb, Ta וכו' ב-900 ℃ למשך 15 דקות. בשלב זה, דרגת הוואקום לא צריכה להיות פחות מ-6.7 × 10-3Pa. במהלך ההלחמה, יש להרכיב את הרכיבים המיועדים לריתוך במתקן, לחמם אותם בתנור הוואקום ל-900 ~ 1120 ℃, וזמן ההחזקה הוא 2 ~ 5 דקות. במהלך כל תהליך ההלחמה, דרגת הוואקום לא צריכה להיות פחות מ-6.7 × 10-3Pa.

תהליך ההלחמה של שיטת Ti Ni דומה לזה של שיטת Ti Cu, וטמפרטורת ההלחמה היא 900 ± 10 ℃.

(3) שיטת הלחמת תחמוצת שיטת הלחמת תחמוצת היא שיטה להשגת חיבור אמין באמצעות שימוש בפאזה זכוכיתית הנוצרת מהתכת הלחמת תחמוצת כדי לחדור לקרמיקה ולהרטיב את פני המתכת. היא יכולה לחבר קרמיקה עם קרמיקה וקרמיקה עם מתכות. מתכות מילוי להלחמת תחמוצת מורכבות בעיקר מ-Al2O3, Cao, Bao ו-MgO. על ידי הוספת B2O3, Y2O3 ו-ta2o3, ניתן להשיג מתכות מילוי להלחמת פלואוריד עם CaF2 ו-NaF כמרכיבים העיקריים גם כן לחיבור קרמיקה ומתכות כדי לקבל חיבורים בעלי חוזק גבוה ועמידות גבוהה בחום.