陶瓷金屬化技術.doc

陶瓷金屬化技術-鉬錳法新型陶瓷常用的鉬錳法工藝流程與被銀法基本相似。其金屬化燒結多在立式或臥式氫氣爐中進行。采用還原氣氛，但需要含微量的氧化氣體，如空氣和水汽等，也可采用H2、N2及H2O三元氣體。金屬燒結的溫度，一般比瓷件的燒成溫度低30100。鉬錳法也是燒結金屬粉末法最重要的一種。金屬件的膨脹系數(shù)與陶瓷的膨脹系數(shù)盡可能接近，互相匹配，封包陶瓷的金屬應有較高的溫度系數(shù)，封接與陶瓷內(nèi)的金屬應有較低的溫度系數(shù)。這樣，陶瓷保持受壓狀態(tài)。鉬錳法的工藝流程圖：1、金屬化用的原料的處理與配制（1）鉬粉：使用前先在純，干的H2氣氛中1100 處理，并將處理過的鉬粉100g加入500ml無水乙醇中搖動一分鐘，然后靜置三分鐘，傾出上層的懸浮液，在靜止數(shù)小時使澄清，最后取出沉淀在40 下烘干。（2）錳粉：電解錳片在鋼球磨中磨48小時，以磁鐵吸去鐵屑，在用酒精漂選出細顆粒。（3）金屬化涂漿的配制與涂制：取100g鉬錳金屬的混合粉末（鉬：錳=4：1），在其中加入2.5g硝棉溶液及適量的草酸二乙酯，攪拌均勻，至漿能沿玻璃棒成線狀流下為準。每次使用前如稠度不合適，可再加入少量硝棉溶液或者草酸二乙酯進行調(diào)節(jié)。涂層厚度為50um。金屬化的機理：錳被水氣中的氧氣在800下氧化，高溫下，熔入玻璃相中，減低其黏度。玻璃相滲入鉬層空隙，并向陶瓷坯體中滲透。由于Al2O3在玻璃相中溶解-重結晶過程，因此在界面上往往存在大顆粒的剛玉晶體。氧化錳還能與Al2O3生成錳鋁尖晶石，或與SiO2生成薔薇輝石。 鉬在高溫下燒結成多孔體，同時鉬的表面被氧化，并滲入到金屬化層空隙的玻璃相中，被潤濕和包裹，這樣容易燒結，并向瓷體移動。 冷卻后，經(jīng)書相層就通過過渡區(qū)而與瓷坯緊密的結合。由于以上的高溫反應在氧化鋁瓷和鉬 錳金屬化層之間形成有一厚度的中間層。金屬化層厚度約為50um時，中間層約為30um，金屬化層厚度增加，中間層厚度也增加。2、上鎳 在金屬化燒成以后，為改善焊接時金屬化層與焊料的潤濕性能，許在上面上一層鎳，可用涂鎳再燒，也可用電鍍的方法。1，燒鎳：將鎳粉用上述鉬粉漂選方法獲得細顆粒，并采用和制金屬化鉬錳漿一樣的方法制成鎳漿，涂在燒好的金屬化層上，厚度為40um，在980干H2氣氛中燒結15分鐘。2，鍍鎳：在金屬化層上電鍍鎳，周期短，電極上采用的鎳板純度為99.52%。3、焊接經(jīng)金屬化并上有鎳的陶瓷，與金屬焊接在一起，是在干燥H2保護下的立式鉬絲爐中進香。與可伐合金焊接時焊料用純銀，與無氧銅焊接時，只能用銀銅低共熔合金。純銀焊料：一般采用0.3mm厚的薄片，或直徑0.1mm的銀絲，純度為99.7%，焊接溫度為030-1050 銀銅焊料：也可采用0.3mm厚的薄片，或直徑0.1mm的銀絲，成分為72.98%銀，27.02%銅焊接溫度為030-1050 封接陶瓷與各種金屬的玻璃焊料封接法技術講解玻璃焊料適合于陶瓷與各種金屬合金的封接，特別是強度和氣密性要求高的場合。尤其是普遍用于堿金屬蒸氣燈的制造。在以氧化鋁和氧化鈣為基的玻璃焊料中，若添加各種氧化物，對焊料性能有不同的影響。添 加 物 性 能二氧化硅、氧化錫 玻璃焊料不易析晶，抗堿腐蝕能力下降氧化鋁過多，或不適當?shù)腟rO或MgO 易析晶，抗堿性增強，熔點隨之升高，流動性下降Na2O和B2O3 增加焊料流動性，降低了抗堿性少量Y2O3等稀土氧化物改善焊料的潤濕性1、工藝過程：通常用于制造堿金屬蒸氣燈的玻璃焊料有下列系統(tǒng)：A系：40-50%Al2O3,35-42%CaO,12-16%BaO,1.5- 5%SrOB系:A系中添加0.5-2%MgO,0.5-2.5%Y2O3用氧化物和碳酸鹽為原料，按質(zhì)量百分比組成稱量，混勻后，在1500左右的高溫下保溫1.5-2.0小時，充分熔制，快速冷卻，粉碎，磨細，制成漿待用。半透明氧化鋁封接件過程圖：2、焊料的組成對性能的影響以氧化鋁和氧化鈣為基的玻璃焊料，添加各種氧化物，可調(diào)節(jié)熔點，流動性，潤濕性及抗鈉腐蝕性能。例如，添加Na2O，B2O3，雖然流動性增大，但降低了抗鈉腐蝕性能。A系和B系的熱膨脹系數(shù)：100-800時，A系和B系的膨脹系數(shù)均比氧化鋁大，封接后有所下降，原因是封接前A系和B系的焊料基本是玻璃相，封接后焊料結晶化。三、非氧化物系陶瓷的固相封接碳化物、氮化物等非氧化物陶瓷是理想的高溫結構陶瓷，但是，陶瓷脆性難以保證在外應力作用下不破壞。因此希望制備陶瓷與金屬復合材料。碳化物、氮化物等非氧化物陶瓷多采用固相封接法，即與陶瓷接觸的固相由加壓、加熱法擴大接觸面積，使各成分擴散，直至容積擴散而完成粘接。1、固相封接法的機理： 兩個處于相互接觸狀態(tài)的表，在高溫壓力的作用下，其封接機理不僅很復雜，而且結合狀態(tài)受很多參數(shù)的控制，但大體可分3個階段：第一階段：首先是面的接觸，在溫度和壓力的作用下，初始 表面產(chǎn)生屈服和蠕變變形，然后由表面變化擴大接觸面積。 第二階段：通過變形和表面擴散，界面移動且空洞漸漸消失。 第三階段：由體積擴散引起界面移動和空洞完全消失。 2、影響封接狀態(tài)的因素：1溫度：影響試樣封接的全過程，因為接觸面的屈服變形，蠕變，表面擴散，體積擴散，以及界面移動，空隙消除都與溫度有關系。2壓力：壓力的作用主要對第一階段的影響。3時間：時間與壓力和溫度相配合影響整個過程。4氣氛：因試樣的性質(zhì)選擇合適的氣氛。還有要注意選擇材料間的熱膨脹差的影響，試樣表面光滑程度，以及元素擴散速度差的影響。3、陶瓷的封接形式金屬與陶瓷的封接形式甚多，就其基本結構而言，有對封、壓封、穿封三種，幾種基本封接形式如圖。 （1）對封 如圖(a)、(b)所示，通過焊封將金屬化后的陶瓷端面上。這是一種工藝最簡單的封接方式，其實 (b)是一種夾層焊封法，應力是均衡的；圖中(a)瓷件在一邊則不均衡，如金屬件不太厚時，這樣也能很好地工作；如金屬件過薄，則不宜用直接對封。（2）壓封 陶瓷與膨脹系數(shù)較大的金屬如銀、銅、鎳等焊接時，則應采用如圖中(c)所示的外壓封，即金屬件在外，瓷件在內(nèi)，加熱焊接時，金屬套在瓷件外，冷卻過程中金屬能將瓷件箍緊，以保證足夠的強度及氣密性。圖中(d)是(c)的一種改進，這樣可以大大降低焊接前后配合加工的精度要求，使金屬件與瓷件間保持彈性結合，封接件可在更大的溫度范圍內(nèi)工作，并能承受更大的熱沖擊作用。 (3)、穿封 當穿封瓷件的金屬件的直徑較小，例如不大于1cm時，可以直接采用圖中(e)所示的實心穿封。這是由于線徑小，其膨脹系累計值不大，金屬有較好的形變能力，故不易使瓷件炸裂。但如金屬件較粗，而與瓷件的膨脹系數(shù)又相差較大時，則有將瓷件脹破之慮。所以應改用如圖中(f)所示的壓穿封。瓷件孔徑較大，與金屬件之間留有間隙，如將金屬壓片制成波紋形，還可以承受更大的熱變化。 如果元器件本身結構比較簡單，則可使用其中之一種，如小型密封電阻、電容、電路基片等。如元器件本身結構比較復雜時，則可使用其中2-3種形式組合而成，如常見的穿心式電容器或絕緣套管等，其焊接方式由(d)+(e)或(d)+(f)組合而成。 4、碳化物陶瓷與金屬的封接示意圖 SiC和鎳基合金反應在700以上，形成反應層。在高溫下Si和C向鎳基合金擴散，而合金中的Ni向SiC擴散，結果在合金兩側形成Ni的硅化物，碳化物等反應層。5、氮化物陶瓷與金屬的封接（1）SiN4與金屬合金的封接 在惰性氣體中，SiN4與奧氏體體的不銹鋼AlSI-316和20/25/Nb鋼，以及-鐵系不銹鋼，在825-900產(chǎn)生反應， 20/25/Nb鋼反應顯著， -鐵系不銹鋼最穩(wěn)定。主要是因為：合金中的Fe,Cr,Ni與Si反應，形成硅化物層。SiN4與Ti封接時，界面上生成Ti5Si3，TiSi2， TiN。 SiN4與Fe封接時，在3GPa的壓力下，1300時，保持30分鐘，SiN4與Fe形成反應層，富含硅。（2）氮化物與金屬的封接 真空中，AlN,TiN和BN與金屬Mo封接表明，AlN與1500蒸發(fā)，但不發(fā)生反應。Ti