陶瓷金属化技术.doc

陶瓷金属化技术-钼锰法新型陶瓷常用的钼锰法工艺流程与被银法基本相似。其金属化烧结多在立式或卧式氢气炉中进行。采用还原气氛，但需要含微量的氧化气体，如空气和水汽等，也可采用H2、N2及H2O三元气体。金属烧结的温度，一般比瓷件的烧成温度低30100。钼锰法也是烧结金属粉末法最重要的一种。金属件的膨胀系数与陶瓷的膨胀系数尽可能接近，互相匹配，封包陶瓷的金属应有较高的温度系数，封接与陶瓷内的金属应有较低的温度系数。这样，陶瓷保持受压状态。钼锰法的工艺流程图：1、金属化用的原料的处理与配制（1）钼粉：使用前先在纯，干的H2气氛中1100 处理，并将处理过的钼粉100g加入500ml无水乙醇中摇动一分钟，然后静置三分钟，倾出上层的悬浮液，在静止数小时使澄清，最后取出沉淀在40 下烘干。（2）锰粉：电解锰片在钢球磨中磨48小时，以磁铁吸去铁屑，在用酒精漂选出细颗粒。（3）金属化涂浆的配制与涂制：取100g钼锰金属的混合粉末（钼：锰=4：1），在其中加入2.5g硝棉溶液及适量的草酸二乙酯，搅拌均匀，至浆能沿玻璃棒成线状流下为准。每次使用前如稠度不合适，可再加入少量硝棉溶液或者草酸二乙酯进行调节。涂层厚度为50um。金属化的机理：锰被水气中的氧气在800下氧化，高温下，熔入玻璃相中，减低其黏度。玻璃相渗入钼层空隙，并向陶瓷坯体中渗透。由于Al2O3在玻璃相中溶解-重结晶过程，因此在界面上往往存在大颗粒的刚玉晶体。氧化锰还能与Al2O3生成锰铝尖晶石，或与SiO2生成蔷薇辉石。 钼在高温下烧结成多孔体，同时钼的表面被氧化，并渗入到金属化层空隙的玻璃相中，被润湿和包裹，这样容易烧结，并向瓷体移动。 冷却后，经书相层就通过过渡区而与瓷坯紧密的结合。由于以上的高温反应在氧化铝瓷和钼 锰金属化层之间形成有一厚度的中间层。金属化层厚度约为50um时，中间层约为30um，金属化层厚度增加，中间层厚度也增加。2、上镍 在金属化烧成以后，为改善焊接时金属化层与焊料的润湿性能，许在上面上一层镍，可用涂镍再烧，也可用电镀的方法。1，烧镍：将镍粉用上述钼粉漂选方法获得细颗粒，并采用和制金属化钼锰浆一样的方法制成镍浆，涂在烧好的金属化层上，厚度为40um，在980干H2气氛中烧结15分钟。2，镀镍：在金属化层上电镀镍，周期短，电极上采用的镍板纯度为99.52%。3、焊接经金属化并上有镍的陶瓷，与金属焊接在一起，是在干燥H2保护下的立式钼丝炉中进香。与可伐合金焊接时焊料用纯银，与无氧铜焊接时，只能用银铜低共熔合金。纯银焊料：一般采用0.3mm厚的薄片，或直径0.1mm的银丝，纯度为99.7%，焊接温度为030-1050 银铜焊料：也可采用0.3mm厚的薄片，或直径0.1mm的银丝，成分为72.98%银，27.02%铜焊接温度为030-1050 封接陶瓷与各种金属的玻璃焊料封接法技术讲解玻璃焊料适合于陶瓷与各种金属合金的封接，特别是强度和气密性要求高的场合。尤其是普遍用于碱金属蒸气灯的制造。在以氧化铝和氧化钙为基的玻璃焊料中，若添加各种氧化物，对焊料性能有不同的影响。添 加 物 性 能二氧化硅、氧化锡 玻璃焊料不易析晶，抗碱腐蚀能力下降氧化铝过多，或不适当的SrO或MgO 易析晶，抗碱性增强，熔点随之升高，流动性下降Na2O和B2O3 增加焊料流动性，降低了抗碱性少量Y2O3等稀土氧化物改善焊料的润湿性1、工艺过程：通常用于制造碱金属蒸气灯的玻璃焊料有下列系统：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用氧化物和碳酸盐为原料，按质量百分比组成称量，混匀后，在1500左右的高温下保温1.5-2.0小时，充分熔制，快速冷却，粉碎，磨细，制成浆待用。半透明氧化铝封接件过程图：2、焊料的组成对性能的影响以氧化铝和氧化钙为基的玻璃焊料，添加各种氧化物，可调节熔点，流动性，润湿性及抗钠腐蚀性能。例如，添加Na2O，B2O3，虽然流动性增大，但降低了抗钠腐蚀性能。A系和B系的热膨胀系数：100-800时，A系和B系的膨胀系数均比氧化铝大，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，封接后焊料结晶化。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温结构陶瓷，但是，陶瓷脆性难以保证在外应力作用下不破坏。因此希望制备陶瓷与金属复合材料。碳化物、氮化物等非氧化物陶瓷多采用固相封接法，即与陶瓷接触的固相由加压、加热法扩大接触面积，使各成分扩散，直至容积扩散而完成粘接。1、固相封接法的机理： 两个处于相互接触状态的表，在高温压力的作用下，其封接机理不仅很复杂，而且结合状态受很多参数的控制，但大体可分3个阶段：第一阶段：首先是面的接触，在温度和压力的作用下，初始 表面产生屈服和蠕变变形，然后由表面变化扩大接触面积。 第二阶段：通过变形和表面扩散，界面移动且空洞渐渐消失。 第三阶段：由体积扩散引起界面移动和空洞完全消失。 2、影响封接状态的因素：1温度：影响试样封接的全过程，因为接触面的屈服变形，蠕变，表面扩散，体积扩散，以及界面移动，空隙消除都与温度有关系。2压力：压力的作用主要对第一阶段的影响。3时间：时间与压力和温度相配合影响整个过程。4气氛：因试样的性质选择合适的气氛。还有要注意选择材料间的热膨胀差的影响，试样表面光滑程度，以及元素扩散速度差的影响。3、陶瓷的封接形式金属与陶瓷的封接形式甚多，就其基本结构而言，有对封、压封、穿封三种，几种基本封接形式如图。 （1）对封 如图(a)、(b)所示，通过焊封将金属化后的陶瓷端面上。这是一种工艺最简单的封接方式，其实 (b)是一种夹层焊封法，应力是均衡的；图中(a)瓷件在一边则不均衡，如金属件不太厚时，这样也能很好地工作；如金属件过薄，则不宜用直接对封。（2）压封 陶瓷与膨胀系数较大的金属如银、铜、镍等焊接时，则应采用如图中(c)所示的外压封，即金属件在外，瓷件在内，加热焊接时，金属套在瓷件外，冷却过程中金属能将瓷件箍紧，以保证足够的强度及气密性。图中(d)是(c)的一种改进，这样可以大大降低焊接前后配合加工的精度要求，使金属件与瓷件间保持弹性结合，封接件可在更大的温度范围内工作，并能承受更大的热冲击作用。 (3)、穿封 当穿封瓷件的金属件的直径较小，例如不大于1cm时，可以直接采用图中(e)所示的实心穿封。这是由于线径小，其膨胀系累计值不大，金属有较好的形变能力，故不易使瓷件炸裂。但如金属件较粗，而与瓷件的膨胀系数又相差较大时，则有将瓷件胀破之虑。所以应改用如图中(f)所示的压穿封。瓷件孔径较大，与金属件之间留有间隙，如将金属压片制成波纹形，还可以承受更大的热变化。 如果元器件本身结构比较简单，则可使用其中之一种，如小型密封电阻、电容、电路基片等。如元器件本身结构比较复杂时，则可使用其中2-3种形式组合而成，如常见的穿心式电容器或绝缘套管等，其焊接方式由(d)+(e)或(d)+(f)组合而成。 4、碳化物陶瓷与金属的封接示意图 SiC和镍基合金反应在700以上，形成反应层。在高温下Si和C向镍基合金扩散，而合金中的Ni向SiC扩散，结果在合金两侧形成Ni的硅化物，碳化物等反应层。5、氮化物陶瓷与金属的封接（1）SiN4与金属合金的封接 在惰性气体中，SiN4与奥氏体体的不锈钢AlSI-316和20/25/Nb钢，以及-铁系不锈钢，在825-900产生反应， 20/25/Nb钢反应显著， -铁系不锈钢最稳定。主要是因为：合金中的Fe,Cr,Ni与Si反应，形成硅化物层。SiN4与Ti封接时，界面上生成Ti5Si3，TiSi2， TiN。 SiN4与Fe封接时，在3GPa的压力下，1300时，保持30分钟，SiN4与Fe形成反应层，富含硅。（2）氮化物与金属的封接 真空中，AlN,TiN和BN与金属Mo封接表明，AlN与1500蒸发，但不发生反应。Ti