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封接陶瓷与各种金属的玻璃焊料封接法技术讲解

作者:佚名    文章来源:网络    点击数:    更新时间:2008-6-14

 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%SrO
B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α-铁系不锈钢,在825-900℃产生反应, 20/25/Nb钢反应显著, α-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。TiN分解而向Mo扩散。 BN与Mo反应生成Mo2B和MoB。这种反应的方法叫“当场烧结”封接法,其程序为:

a,试样制备:在金属平面上加上陶瓷粉末使之接触。
b,加压:随着压力的升高,金属产生变形,从而   使接触面扩大。
c,升温:随着温度的升高,金属软化并浸入陶瓷粉粒中,同时陶瓷    开始烧结。
d,时间:在温度压力保持一定的时间完成陶瓷的烧结和界面的形成。