Технология изготовления металлокерамических спаев
Металлизацию керамики производят методом пульверизации суспензии порошка металла в органическом лаке или методом плазменно-дугового напыления сухого порошка. Оптимальная толщина наносимого слоя металла равна 30 мкм.
Внедряются в производство также способы металлизации керамики напылением и вжиганием в защитных средах, а также металлизации ультразвуком.
Металлизированную керамику подвергают спеканию, цель которой — повышение механической прочности сцепления частиц покрытия друг с другом и с поверхностью керамики, а также Удаления из покрытия органических веществ и следов влаги. Спекание производят в слабоокислительной защитной атмосфере формир-газа с содержанием 2 — 3 % кислорода. Оптимальная температура спекания на 5 — 10°С ниже температуры окончательного обжига керамики. В процессе спекания на поверхности частиц образуется тонкая оксидная пленка; это объясняется кислотным характером стеатитовой керамики и наличием в формир-газе незначительного количества кислорода, образующегося при разложении паров воды. При температуре 1300°С происходит химическая реакция между основными компонентами керамики и оксидированным молибденовым порошком. При этом образуются силикаты молибдена, которые создают промежуточный переходный слой, способствующий прочному и плотному сцеплению металлического порошка с керамикой.
Путем обработки керамики 10%-ным нитратом стронция и 10%-ным хлористым иттрием (это повышает прочность на 10 — 35 %•
При остывании металлизированной керамики в печь пропу., скается сухой водород (с точкой росы ниже —20°С) или[ формир-газ для восстановления металлического слоя.
На металлизированную керамику гальваническим методомг наносят тонкий (=3 + 5 мкм) слой никеля. Никелевое покрытие (в отличие от молибдена) хорошо смачивается расплавленным серебряным припоем и улучшает его растекание по поверхности спая. При пайке без никелирования серебро растекается плохое не затекает в щели и неровности спая, спай получается негерметичным и механически непрочным. Для улучшения растекаемости припоя иногда производят также синтерирование металлических деталей никелевым порошком (при 960 — 990°С в атмосфере водорода или формир-газа).
Применение для металлизации керамики смеси порошков молибдена и марганца вместо порошка молибдена более целесообразно, так как марганец имеет повышенную окислительную способность. Это позволяет на 40 — 100°С снизить оптимальную температуру спекания в атмосфере увлажненного водорода и применять для изготовления спаев не только стеатитовую керамику, имеющую излишек свободных кислотных оксидов, но и форстеритовую, алюмооксидную и алюмосиликатную. В качестве припоев используется серебро, медь, медно-серебряные, медно-зо-лотые и золотоникелевые сплавы, в последнее время применяют также медно-германиевые сплавы.
Основной недостаток металлизации смесью порошков молибдена и марганца: при высоких температурах прибора марганец испаряется, что приводит к отравлению катодов.
По одноступенчатому методу спаивание металла с керамикой производится в одну ступень без предварительной металлизации керамики. Для образования прочного вакуумноплотного спая необходим активный металл (например, титан или цирконий), который используют в качестве материала спаиваемой детали или как компонента в сплаве, образующем припой. Поэтому если металлическая деталь (например, оболочка металлокерамической лампы) изготовлена из пассивных металлов (стали, ковара и т. д.), то в качестве припоев используют сплавы на основе активных металлов — титана и циркония. Наилучшими свойствами обладает припой, содержащий 20% Ti, 5% Ni, 0,1% Si и остальное Си. В процессе расплавления припоя активный металл растворяется и образуется расплав с высокой реакционной способностью, хорошо смачивающий керамику и вступающий в химическое взаимодействие с керамикой и металлом с образованием прочного спая. Если металлическая деталь изготовлена из активного металла, например Ti, то могут применяться обычные твердые припои (например, серебряно-никелевый припой ПСрМ72).
Диффузионный (термокомпрессионный) метод спаивания основан на образовании неразъемного вакуумноплотного соединения между металлической и керамической деталями с чистыми и гладкими контактирующими поверхностями, прижатыми друг к другу (под давлением 10 — 15 МПа) и нагретыми до температуры, равной 0,6 — 0,8 Тпл. При этом цроисходит взаимная диффузия атомов и молекул контактирующих деталей и образуется прочный спай (оксиды из тонкой оксидной пленки металла диффундируют в керамику или металлизирующий слой, в результате чего получается плотный соединительный шов). Металлическая деталь и металлизированная керамика устанавливаются на оправке, загружаются в вакуумную камеру и нагреваются токами высокой частоты. При диффузионном методе соединения деталей припой не требуется. В качестве защитной среды при диффузионной сварке часто применяют влажный водород, формир-газ или вакуум. Защитная среда при сварке не должна нарушать пассивирующую оксидную пленку на поверхности детали. Например, при вакуумной диффузионной сварке следует применять неглубокий вакуум порядка 0,1 — 1,0 Па (достаточно для предупреждения пере-окисления тонкой пассивирующей пленки в толстую оксидную пленку), при сверхвысоком вакууме и повышенной температуре может происходить испарение и восстановление пассивирующей пленки на металле, что вызывает нарушение герметичности и прочности спая. Повышение температуры сварки также приводит к ухудшению электроизоляционных свойств керамики, снижению ее механической прочности и возникновению термической усталости в виде трещин и медленного структурного разрушения керамики.