1. Características de soldadura fuerte
Soldar componentes de cerámica a cerámica o de cerámica a metal puede ser todo un desafío. La mayoría de los metales de aportación para soldadura fuerte forman formas esféricas en la superficie cerámica, lo que provoca una humectación débil o nula.
Los metales de aportación para soldadura fuerte que pueden mojar las cerámicas tienden a formar diversos compuestos frágiles en la interfaz de la unión (como carburos, siliciuros y compuestos ternarios o multicomponentes), que afectan las propiedades mecánicas de la unión.
Además, debido a diferencias significativas en los coeficientes de expansión térmica entre cerámicas, metales y metales de aportación para soldadura fuerte, puede existir tensión residual en la junta después de enfriarla desde la temperatura de soldadura fuerte hasta la temperatura ambiente, lo que podría provocar grietas en la junta.
El uso de metales de aportación para soldadura fuerte activa creados mediante la adición de elementos metálicos reactivos a los metales de aportación convencionales puede mejorar la humectación de las superficies cerámicas. El uso de soldadura fuerte a baja temperatura y de corta duración puede reducir el impacto de las reacciones de interfaz.
Diseñar configuraciones de juntas apropiadas y utilizar capas metálicas únicas o múltiples como capas intermedias puede ayudar a minimizar el estrés térmico en la junta.
Soldadura fuerte de metales de aporte La soldadura fuerte de cerámicas a metales generalmente se realiza en un horno de vacío, en una atmósfera de hidrógeno o de argón. Los metales de aportación para soldadura fuerte para dispositivos electrónicos de sellado al vacío tienen requisitos específicos adicionales además de las características generales.
Por ejemplo, el metal de aportación no debe contener elementos que generen altas presiones de vapor para evitar problemas como fugas dieléctricas y envenenamiento catódico en los dispositivos. Generalmente se especifica que la presión de vapor del metal de aportación durante el funcionamiento del dispositivo no debe exceder los 10-3 Pa, y el contenido de impurezas a alta presión de vapor debe estar en el rango de 0,002% a 0,005%.
El contenido de oxígeno del metal de aportación (W(o)) no debe exceder el 0,001% para evitar la generación de vapor de agua durante la soldadura fuerte en una atmósfera de hidrógeno, lo que podría provocar salpicaduras del metal de aportación de soldadura fuerte fundido. Además, el metal de aportación debe estar limpio y no debe tener óxidos en la superficie.
Al soldar cerámicas después de la metalización, se pueden utilizar metales de aporte de aleación como cobre (Cu), níquel (Ni), plata-cobre (Ag-Cu) y oro-cobre (Au-Cu). Al soldar cerámicas directamente a metales, se deben seleccionar metales de aporte que contengan elementos reactivos como titanio (Ti) y circonio (Zr).
Entre los metales de aportación para soldadura fuerte binaria, se utilizan habitualmente Ti-Cu y Ti-Ni y pueden emplearse en el rango de 1100°C. En metales de aportación para soldadura fuerte ternaria, Ag-Cu-Ti (con un contenido de (W)Ti inferior al 5%) se utiliza a menudo para la soldadura fuerte directa de diversas cerámicas a metales.
Este sistema ternario se puede utilizar con láminas de Ag-Cu, polvo o metal de aportación eutéctico combinado con polvo de Ti. El metal de aportación para soldadura fuerte B-Ti49Be2 presenta una resistencia a la corrosión similar al acero inoxidable y tiene una presión de vapor más baja, lo que lo convierte en una opción preferible para el vacío. Juntas selladas que requieren prevención de oxidación y fugas.
En el sistema Ti-V-Cr, la adición de Cr reduce efectivamente el rango de temperatura de fusión, alcanzando la temperatura de fusión más baja al 30% W(V). Se ha utilizado metal de aportación para soldadura fuerte B-Ti47.5Ta5 sin Cr para la soldadura fuerte directa de alúmina y magnesia, lo que permite que la junta funcione a una temperatura ambiente de 1000 °C. Las cargas de soldadura fuerte activa para la unión directa de cerámica a metales se muestran en la Tabla 14.
Tabla 14. Cargas de soldadura fuerte activa para soldadura fuerte de cerámica a metales
| Composición del material de soldadura (fracción de masa) (%)· |
Temperatura de soldadura (ºC) · |
Aplicaciones y materiales para juntas. |
| B-Ag69Cu26Ti5 | 850~880 | Cerámica-Cu, Ti, Nb, etc. |
| B-Ag85Ti15 | 1000 | Óxido cerámico-Ni, Mo, etc. |
| B-Ag85Zr15 | 1050 | Óxido cerámico-Ni, Mo, etc. |
| B-Cu70Ti30 | 900~1000 | Cerámica-Cu, Ti, metales refractarios, etc. |
| B-Ni83Fe17 | 1500~1675 | Cerámica-Ta (resistencia de la junta 140MPa) |
| B-Ti92Cu8 | 820~900 | metal cerámico |
| B-Ti75Cu25 | 900~950 | metal cerámico |
| B-Ti72Ni28 | 1140 | Cerámica-cerámica, cerámica-metal, cerámica-grafito |
| B-Ti50Cu50 | 980~1050 | metal cerámico |
| B-Ti49Cu49Be2 | 1000 | metal cerámico |
| B-Ti48Zr48Be4 | 1050 | metal cerámico |
| B-Ti68Ag28Be4 | 1040 | metal cerámico |
| B-Ti47.5Zr47.5Ta5 | 1650~2100 | Cerámica de tantalio |
| B-Zr75Nb19Be6 | 1050 | metal cerámico |
| B-Zr56V28Ti16 | 1250 | metal cerámico |
2. Tecnología de soldadura fuerte
Las cerámicas premetalizadas se pueden soldar en entornos de vacío, hidrógeno o gas inerte de alta pureza. Cuando se sueldan directamente cerámicas no metálicas, generalmente se recomienda la soldadura fuerte al vacío.
(1) Proceso general de soldadura fuerte para cerámicas y metales
(1) El proceso general de soldadura fuerte para cerámicas y metales se puede dividir en siete pasos del proceso: limpieza de superficies, aplicación de pasta, metalización de superficies cerámicas, niquelado, soldadura fuerte e inspección posterior a la soldadura fuerte.
La limpieza de superficies se lleva a cabo para eliminar manchas de aceite, marcas de sudor y películas de óxido de la superficie del material base. Las piezas metálicas y el material de soldadura deben desengrasarse y luego tratarse con ácido o álcali para eliminar las películas de óxido, luego enjuagarse con agua corriente y secarse.
Las piezas de alta calidad deben someterse a un tratamiento térmico a la temperatura y duración adecuadas en un horno de vacío o en un horno de hidrógeno (también se puede utilizar bombardeo iónico) para purificar la superficie de la pieza.
Las piezas limpiadas no deben entrar en contacto con objetos aceitosos ni con las manos desnudas y deben pasar inmediatamente al siguiente proceso o colocarse en una secadora, evitando la exposición prolongada al aire.
Las piezas cerámicas deben limpiarse con acetona mediante limpieza ultrasónica, enjuagarse con agua corriente y finalmente hervirse dos veces en agua desionizada durante 15 minutos cada vez.
La aplicación de la pasta es un paso crucial en la metalización cerámica. Consiste en aplicar la pasta sobre la superficie cerámica a metalizar mediante una brocha o aplicador de pasta.
El espesor del recubrimiento generalmente está entre 30 y 60 micrómetros y la pasta generalmente está compuesta de polvo de metal puro con un tamaño de partícula de aproximadamente 1 a 5 micrómetros (a veces con la adición de óxidos metálicos adecuados) y un aglutinante orgánico.
Las piezas cerámicas aplicadas con pasta se colocan luego en un horno de hidrógeno y se sinterizan a una temperatura de 1300-1500°C durante 30-60 minutos usando hidrógeno húmedo o amoníaco craqueado. Para las cerámicas con hidruros aplicados, se deben calentar a aproximadamente 900 °C para descomponer el hidruro y reaccionar con metal puro o titanio residual (o circonio) en la superficie cerámica para obtener un recubrimiento metálico.
En el caso de la capa de metalización de Mo-Mn, para promover la humectación con el material de soldadura fuerte, se galvaniza o recubre con polvo de níquel una capa de níquel de 1,4-5 micrómetros de espesor. Si la temperatura de soldadura fuerte es inferior a 1000°C, la capa de níquel también debe someterse a una sinterización previa en un horno de hidrógeno a una temperatura y un tiempo de 1000°C/15-20 minutos.
Las cerámicas tratadas se tratan como piezas metálicas y se ensamblan con moldes de acero inoxidable, grafito o cerámica para formar un todo. El material de soldadura se aplica a la unión y la pieza debe mantenerse limpia durante toda la operación, evitando tocarla con las manos desnudas.
La soldadura fuerte se lleva a cabo en un horno de vacío, gas argón o hidrógeno. La temperatura de soldadura depende del material de soldadura y, para evitar que se agriete la cerámica, la velocidad de enfriamiento no debe ser demasiado rápida. Además, se puede aplicar cierta presión durante la soldadura (aproximadamente 0,49-0,98 MPa).
Después de la soldadura fuerte, las piezas soldadas deben someterse a inspecciones de calidad superficial, además de pruebas de choque térmico y de rendimiento mecánico. Los componentes de sellado utilizados en dispositivos de vacío también deben someterse a pruebas de estanqueidad de acuerdo con las normas pertinentes.
(2) Soldadura directa
En la soldadura fuerte directa (método de metal activo), las piezas cerámicas y metálicas a soldar se limpian primero la superficie y luego se ensamblan.
Para evitar grietas debidas a diferentes coeficientes de expansión térmica, se puede colocar una capa amortiguadora giratoria (una o varias láminas de metal) entre las juntas. Siempre que sea posible, se debe colocar material de soldadura entre las dos piezas de trabajo o en los espacios llenos con material de soldadura y luego soldar de manera similar a la soldadura fuerte al vacío convencional.
Cuando se utiliza material de soldadura fuerte Ag-Cu-Ti para soldadura fuerte directa, se debe emplear el método de soldadura fuerte al vacío. El calentamiento debe comenzar cuando el grado de vacío en el horno alcance 2,7×10-3Pa.
En este punto, se puede aplicar un calentamiento rápido; sin embargo, cuando la temperatura se acerca al punto de fusión del material de soldadura fuerte, se debe calentar lentamente para asegurar una distribución uniforme de la temperatura en todas las partes de la unión.
Una vez fundido el material de soldadura, se debe elevar rápidamente la temperatura hasta la temperatura de soldadura, con un tiempo de espera de 3 a 5 minutos. Durante el enfriamiento, se debe realizar un enfriamiento lento antes de alcanzar los 700°C, mientras que después de 700°C se puede permitir el enfriamiento natural.
Para soldadura fuerte directa con material de soldadura fuerte activo Ti-Cu, el material de soldadura fuerte puede tomar la forma de lámina de Cu con polvo de Ti o componente de Cu con lámina de Ti, o se puede aplicar polvo de Ti a la superficie cerámica seguido de la adición de lámina de Cu.
Todas las piezas metálicas deben desgasificarse al vacío, la temperatura de desgasificación para el cobre libre de oxígeno es de 750-800°C, y para Ti, Nb, Ta, etc., la temperatura de desgasificación debe ser de 900°C durante 15 minutos. El grado de vacío en esta etapa no debe ser inferior a 6,7×10 -3 Pai.
Durante la soldadura fuerte, los componentes a soldar deben ensamblarse en un dispositivo eléctrico y calentarse en un horno de vacío a una temperatura entre 900-1120°C, con un tiempo de mantenimiento de 2 a 5 minutos. Durante todo el proceso de soldadura fuerte, la presión de vacío no debe ser inferior a 6,7×10 -3 Pai.
El proceso de soldadura fuerte que utiliza el método Ti-Ni es similar al método Ti-Cu, siendo la temperatura de soldadura fuerte de 900 ± 10 °C.
(3) Método de soldadura fuerte con óxido
El método de soldadura fuerte con óxido utiliza material de soldadura fuerte con óxido que forma una fase vítrea cuando se funde, lo que le permite infiltrarse en la cerámica y mojar la superficie del metal, logrando así conexiones confiables. Este método se puede utilizar para unir cerámica con cerámica o cerámica con metal.
Los componentes principales de los materiales de soldadura de óxido son Al 2 Ó 3 CaO, BaO, MgO y la adición de B 2 Ó 3 Y2O3, Ta 2 Ó 3 , etc. Puede producir materiales de soldadura fuerte con varios puntos de fusión y coeficientes de expansión lineal.
Además, los materiales de soldadura fuerte con flúor compuestos principalmente de CaF 2 y NaF también se pueden utilizar para unir cerámicas y metales, proporcionando uniones de alta resistencia y resistentes al calor.
