Пайка металла с керамикой

Для получения соединений керамики с металлом применяют несколько способов пайки: пайку металлизированной керамики, активную пайку, пайку стеклоприпоем и пайку неметаллизированной керамики под давлением.

Пайка металлизированной керамики — это многоступенчатый способ получения соединений. Вначале на керамическую деталь наносят и закрепляют тонкий слой порошкового материала (75—95 % Мо и активные добавки Mn, Si, Ti, Fe, ферросилиция, стекла и др.). Затем гальваническим или химическим методом наносят второй слой металла (Ni или Fe) осуществляют пайку высокотемпературными припоями в интервале температур 780—1100 °С. Время выдержки после расплавления припоя составляет 30—60 с.

Сущность активной пайки заключается в использований титана и циркония в качестве активных составляющих металлического припоя. Процесс пайки протекает в вакууме (1,3 x 10^-3 Па) или в среде инертного газа, не содержащего кислород и пары воды.

Получение металлокерамических соединений стеклоприпоем основывается на хорошей адгезии керамики и стеклоприпоя, а также на том, что процесс пайки протекает в условиях, когда на металле появляется тонкая пленка окисла, улучшающая адгезионное сцепление стеклоприпоя с металлом. Для пайки в окислительной фазе применяют стеклоприпои системы SiO₂ — ZnO—В₂О₃ — РbО и V₂O₅—В₂O₃ — ZnO. В случае восстановительной среды используют стеклоприпои на основе окислов SiO₂, Аl₂O₃, CaO, MnO, MgO и ВаО.

Пайка неметаллизированной керамики с металлами под давлением напоминает диффузионную сварку. Процесс получения соединений сводится к сборке деталей, расплавлению припоя и выдержке. 3—5 мин без давления, а затем под давлением в течение 8—10 мин. Далее температура снижается и узел охлаждается под давлением 4—5 МПа до комнатной температуры.

Известны и нашли широкое применение в производстве следующие виды пайки:

• пайка металла с металлизированной керамикой (аналогично пайке металлов);
• активная пайка с использованием титана и циркония в качестве компонентов припоя;
• пайка стеклоприпоем (глазурью);
• пайка по металлизированному слою;
• пайка неметаллизированной керамики под давлением.

Рис. 7. Элементарные формы соединений керамики с металлами:
а - торцовое компенсированное; б - торцовое некомпенсированное; в - лезвийное; г - конусное; д - охватывающее; е - охватывающее с бандажом; ж - цилиндрическое внутреннее и наружное (охватывающее); з - внутреннее

14. Состав паст для металлизации керамики

Компоненты паст перед приготовлением паст тщательно измельчают в ацетоне или этиловом спирте. Для приготовления металлизационных паст используют раствор коллоксилина в изоамил-ацетате. Рецептура металлизационных паст из расчета на 300 г порошка приведена в табл. 15.

15. Рецептура металлизационных паст

Компоненты паст перед приготовлением паст тщательно измельчают в ацетоне или этиловом спирте. Для приготовления металлизационных паст используют раствор коллоксилина в изоамил-ацетате. Рецептура металлизационных паст из расчета на 300 г порошка приведена в табл. 15.

После нанесения паст детали поступают на вжигание. Температура вжигания для керамических материалов, содержащих стекло (6 ... 20 %), 1250 ... 1450 °С. С уменьшением содержания стекла температура вжигания может достигать 1500 ... 1650 °С.

После закрепления первого слоя порошковым или гальваническим методом наносится второй слой (никеля, железа, меди). Состав и режим работы ванны для химического никелирования приведены ниже.

Никель хлористый, г/л 40 ... 50
Аммоний хлористый, г/л 40 ... 50
Натрий лим. кисл., г/л 40 ... 50
Натрий гипофосфат, г/л 10 ... 20
рН 8,0 ... 8,5
Температура, °С 80 ... 85
Время, мин 15 ... 20

Перед никелированием детали травят в смеси соляной и азотной кислот в течение 4 ... 8 с и промывают в проточной воде.

Сборка металлокерамических узлов осуществляется при плотной посадке манжет на цилиндрические керамические детали с применением рычажных или винтовых процессов. При этом натяг манжеты на керамику не должен превышать 0,1 ... 0,15 мм во избежание скола керамики и металлизационного слоя.

При сборке под пайку существенное значение имеет размещение припоя (рис. 8 и рис. 9). Режимы пайки металлокерамических узлов приведены на рис. 10. Пайку осуществляют в печах с защитной атмосферой. Рекомендуемое время выдержки и температура пайки металлизированной керамики с металлом приведены в табл. 16.

Для металлокерамических узлов (МКУ), изготовленных с применением пайки, особое значение имеет сохранение вакуумной плотности в условиях эксплуатации и хранения. Вакуумную плотность изделий контролируют методом испытания на термостойкость, по величине которой оценивают технологическую и эксплуатационную надежность конструкций.

Рис. 8. Расположение припоя

Рис. 9. Потолочное (верхнее) закрепление припоя в телескопических соединениях керамики с металлами:
1 - керамика; 2 - фольга припоя; 3 - манжета; 4 - припой

Рис. 10. Режимы пайки металлокерамических узлов медью и медно-серебряной эвтектикой:
1-3 - изделия простой формы размером до 100 мм, манжеты медные (1) и коваровые (2, 3); 4,5 - изделия сложной формы или размером до 250 мм

Материал манжет - ковар 29НК, керамика ВК94-1, металлизированная молибдено-марганцевым покрытием с гидридом титана (Mo-Mn-Ti Н₂). В качестве второго слоя покрытия - никель гальванический 6 ... 9 мкм. Пайка МКУ осуществлялась на установке ЛM 4890. Термостойкость исследовалась путем нагрева и охлаждения в среде азота по режиму 50 - 600 - 50 °С. После каждого цикла нагрева-охлаждения производилась проверка узлов на вакуумную плотность гелиевым течеискателем ПТН-10. Из исследованных трех типов конструкций паяного соединения наибольшей термостойкостью обладают МКУ с Т-образной конструкцией спая (рис. 11, в), наименьшей - с телескопической (рис. 11,6).

Рис. 11. Конструкции спаев металлокерамических узлов: а - торцовый некомпенсированный; б - телескопический; в - Т-образный

Как следует из проведенных исследований, термостойкость паяных соединений керамики ВК94-1 с коваром 29НК, выполненных медью для диаметров до 25 мм, существенно зависит как от конструкции паяного соединения, так и от геометрии спаев.

Источник публикации:
autowelding.ru - Справочник по пайке. Под ред. И.Е. Петрунина.
Волченко В.Н. "Сварка и свариваемые материалы" том 2, Москва, 1996