Способ металлизации керамики

 

Союз Советскик

Социал исти неси ив

Реслублнк

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ.Ф

; «),ф ф, г, К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву—

l (22) Заявлено 170979 (21) 2846499/29-33 (53)М. Кл.з с присоединением заявки ¹

С 04 В 41/14 (23) Приормтет—

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий

Опубликовано 30.0581. Бюллетень Н9 20 (53) %gal(666.3.056. .5(088.8) Дата опубликовани я описания 3 00 581

П.П.Прохоренко, Н.В.Деленковский, Н.В.Дежкунов и И.В.Стойчева (72) Авторы изобретения

Физико-технический институт AH Белорусской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КЕ К4ИКИ

Изобретение относится к нанесению металлических покрытий на керамические конструкционные материалы и может быть использовано во всех отраслях промышленности при металлизации керамики, в частности, перед пайкой при получении металлокерамических соединений.

Известен способ металлиэации и пайки керамики по активной технологии, при которой в припой вводится адгезионно-активный по.отношению,к попложке метал т, способствующий растеканию припоя и его химическому взаимодействию с компонентами подложки, сопровождающемуся образованием в пограничной зоне сложных растворов замещения f1)..

Однако для проведения этого процесса требуется либо вакуум 10 мм рт. ст., либо среда инертного газа, не содержащего кислород и пары. воды (кислорода не более 0,0001 об.%).

Процесс обладает невысокой производительностью, так как требуется значительное время для межфазного химического взаимодействия. Кроме того, адгезионная прочность закрепления. металлизационного слоя на подложке невелика., 30

Известен способ ультразвуковой металлиэации в расплавах металлов керамических конструкционных ма— териалов. В этом способе детали размещают в расплавленном припое состава Zn 90+2 Zn 10 H Cd 18 + Sn 52 +

+ Pb 30, куда вводят ультразвуковые колебания. Амплитуда колебаний составляет 2,5- 3 м время озвучивания 520 с (2).

Однако обладая значительной производительностью, этот способ обеспечивайт сравнительно невысокую адгезионную прочность сцепления покрытия и.подложки У = 150-200 кг/см . Кроме того, при работе ультразвукового волновода происходит его зроэионное разрушение и растворение в припое.

В результате припой загрязняется материалом волновода, что существенно ухудшает характеристики-получаемых покрытий.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ ультразвуковой металлизации керамических материалов, заключающийся в размещении деталей в ванне с оловянным припоем, содержащим для улучшения технологических свойств покрытий цинк или кобальт, и воэбуж833884 дение в нем ультразвуковых колебаний (3).

Однако данный способ ультразвуковой металлизации керамики не позволяет получить высокие значения адгезионной прочности сцепления покрытия и подложки из-за отсутствия сущестенного химического взаимодействия а межфазной границе, так как компоненты припоя малоактивны по отношению к подложке.

При работе ультразвуковой ванны происходит значительная ее эрозия и растворение в припое, что ухудшает характеристики покрытия. Кроме того, из-за сильной неоднородности акустического поля получение равно- 15 мерных покрытий на деталях затруднительно. В процессе ультразвуковой металлизации в такой ванне невозможно определить эффективную акустическую мощность и оптимальное время 2р озвучивания.

Цель изобретения — увеличение прочности сцепления металлопокрытия с керамикой и упрощение процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в способе металлизации керамики путем погружения в металлический расплав припоя керамического изделия, излучателя ультразвука с последующим возбуждением ультразвуковых колебаний, в расплав п ед арительно вводят 0,5-1,0 вес.Ъ металла от веса расплава из группы. Nb, Мо, W, Ti, Zr, Cr, Са,а изделие размещают на расстоянии 0,5-2 мм от поверхности излучателя, причем послед- 35 ний выполнен из того же металла, который предварительно вводят в расплав.

Начальная концентрация 0,5-1,0% вводимого металла из группы Nb, Мо, 40

W, Ti, Zr, Cr, Са в распл ве необходима для реализации физико-химического взаимодействия фаз в ультразвуковом поле в начале технологического процесса металлизации. При концентрации активного элемента менее 0,5Ъ процесс металлизации нестабилен, имеет место значительный статистический разброс величины адгеэии. Превышение концентрации 1%, приводящее к существенному охрупчиванию покрытия, возможно до 203, при этом пропорционально уменьшается технологическое время работы системы в режиме озвучивания, так как растворившийся металл волновода при эт м переходит 55 в расплав. Поэтому оптимальная начальная концентрация металла, обеспечивающая наибольшую производительность процесса металлизации, составляет 0,5-1В. 60

При введении ультразвука достаточной интенсивности кавитации и сопутствукщие ей явления существенно интенсифицируют физико-химическое взаимодействие фаэ, способствуют 65 заполнению расплавом микротрещин и дефектов, усиливают диффузионную миграцию атомов расплава вглубь поцложки, образуя прочн ю алгезионную связь.

При повышении температуры плавления расплава ускоряется растворение волновода, по которому вводится ультразвук. Этот отрицательный во всех других случаях ультразвуковой обработки расплавов эффект, приводящий к их загрязнению, в предлагаемом способе имеет положительное значение, так как волновод изготовлен иэ того же металла, который дополнительно вводят в расплав, и растворение его ведет к повышению концентрации вводимого элемента расплава, что в конечном счете способствует повышению адгезионной прочности покрытия и подложки.

С уменьшением зазора О между излучателем и изделием эффективность процесса возрастает, так как при этом увеличивается интенсивность ультразвука в расплаве, контактирующем с изделием.

Однако при зазорах д, приближаю.— щихся по величине к размерам кавитационных пузырьков (0 5 мм) в расплаве, активность кавитации начинает уменьшаться. Обусловлено это тем, что при малых Ю зазор представляет собой большое гидродинамическое сопротивление потоку жидкости. Подтекание жидкости к захлопывающемуся в зазоре кавитационному пузырьку затрудняется, что приводит к уменьшению скорости захлопыяания пузырьков, а в конечном счете и к уменьшению активности кавитации. Следовательно, уменьшается адгезионная прочность сцепления металла с подложкой. Поэтому уменьшать зазор менее 0,5 мм нецелесообразно.

При зазорах более 2 мм акустическая энергия используется неэффективно, так как большая часть ее поглощается в кавитационной области. Кроме того, при малых зазорах адгеэионноактивный металл, растворяемый и эродируемый с торца волновода, KoHIIpHTpHруется в зазоре и способствует увеличению адгезионной прочности покрытия, причем переход его в окружающий расплав уменьшается. Таким образом, увеличивается коэффициент полезного использования металла.

При осуществлении процесса металлизации по данному способу происходит растворение в единицу времени определенной массы металла волновода

m>, которая переходит в расплав.

Вместе с изделием„из него удаляется масса активного металла m, При условии непрерывного пополнейия расплава основным компонентом для поддержания постоянного уровня в ванне можно, подобрав определенный режим металли833884

30 140-280

8-10

30 350-400

8-10

30 .400-430

30 70-100

8-10

7-12

160-250

7-12 30 эации в зависимости от вида изделия, требований к величине адгезии и производительности, достичь равенства масс m> mи . В этом случае металл растворяемого волновода полностью переходит в покрытие изделий, а концентрация его в расплаве постоянна.

Если скорость растворения волновода больше скорости удаления металла, то концентрация его увеличивается, а вместе с ней увеличивается и адгезионная прочность сцепления покрытия.

Для обеспечения стабильной работы ультразвукового волновода в резонансном режиме необходима обратная акустическая связь, легко реализуемая, например, на серийных магнитострик- 15 ционных преобразователях IIMC-15A-1В и генераторах УЗГ-2-10 или УЗГ-10-22. ультразвуковую металлизацию проводят, например, на алюмооксидной керамике 22,@C твердым медно-оловянным Щ припоем (75% Cu + 25% Sn) в присут ствии МЬ, Мо, W, Ti, Zr, Cr, Са, излучатели изготавливают также из этих металлов, пр чем с целью повышения растворимости укаэанных метал-. лов при приготовлении расплава припоя на основе олова вводят Ni, который не является активным металлом по отношению к подложке.

Наиболее технологичным из перечисленных элементов является титан, который вводят в указанный припой в требуемом количестве с целью увеличения адгеэионной прочности.

Процесс металлизации проводят в специальной герметичной камере, откачиваемой первоначально до давления

10 мм рт.ст. и заполняемой затем осушенным аргоном. Керамический образец, размещенный на специальном 40 держателе, устанавливают с зазором

1 мм по отношению к рабочей поверхности волновода, изготовленного из

60% Cu + 32Ъ Sn + 8% Ni Nb (60% Cu + 32% Sn + 8% Mi)+

+(0,2-0,45)3 МЬ МЬ (60% Cu + 32% Sn + 8Ô Ni)+

+(0,5-1) МЬ МЬ (60% Cu + 32% Sn + 8% Ni)+

+ 5% МЬ Nb

55% Cu + 30% Sn + 15% МЗ Мо (55% Cu + 30% S и + 15% Nl)+

+(O,1-0,4) Ф МО М,о титанового сплава ВТ-9, и погружают в тигель с. расплавленным припоем.

После прогрева образца в течение

5-10 с включают ультразвуковые колебания, возбуждаемые в магнитостриКционном преобразователе ПИС-15А-1В с помощью генератора УЗГ-2-10. Амплитуду колебаний 10-15 мкм поддерживают постоянной с помощью обратной акустической связи. Температура припоя — 750 C время озвучивания1 мин.

B указанной металлизации величина адгезионной связи, определяемая на адгеэиометре по методу нормального отрыва со скоростью 25 мм/мин, при отсутствии в сплаве титана составляет в среднем 100-140 кг/см . При

Я добавлении 0,1-0,2% Ti величина адгезионной связи существенно увеличивается до 180-320 кг/см за счет интенсивного химического взаимодействия в ультразвуковом поле на границе раздела фаз с образованием окислов титана. Но при данной концентрации и режиме процесс нестабилен, имеет место значительный статистический разброс величины адгезии.

Оптимальная начальная концентрация активного металла составляет

0,5-1%. При этом величина адгезион ной прочности покрытия и подложки

450-550 кг/см .

Для сравнения эффективности предлагаемого способа с известным проводят металлизацию керамики в ультразвуковом поле. В этом случае волновод изготовляют из ниобиевого сплава

ÂÍ-2, а в припой не вводят металл.

Время озвучивания составляет 1,5 мин.

Величина адгезионной связи покрытия и попложки 80-135 кг/см > т.е. в

3-4 раза меньше связи, достигаемой по предлагаемому способу.

Сравнительные результаты представлены в таблице.

833884

Продолжение таблицы

3 (55% Cu + 30% Sn + 15% Ni)+

+(0,5-1) 3 Мо Мо 7-12 . 30

310-350

Ni)+

Ni)+

W (55% Cu + 30% Sn + 15%

+(0,1-0,4)3W (55% Cu + 30% Sn + 15%

+(0,5-1)Ж W

125-190

5-8

320-390

5-8

Составитель С. Шахиджанова

Техред М. Коштура

Редактор М. Ткач

Корректор М. Коста Заказ 3927/35 Тираж 660

ВНИИПИ. Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент",г . Ужгород, ул. Проектная, 5!

Износ волновода при температуре и акустическом режиме за время суммарной работы 25 мин составляет

0,4 мм, что в пересчете на массу составляет м — -рЕi д= 4,5 3 14 ° 1 0,04=0,56r, где P = 4,5 г/см — плотность титана, 3

r — радиус волновода;

0,02 см — износ волновода.

Эрозионный износ волновода для 25 ниобия составляет 0,25-0,50 r/÷, для молибдена 0,08-0,2 r/÷, для вольфрама 1,2-1,4 r/÷.

Таким образом, производительность ультразвуковой металлиэации по предлагаемому способу в 4-5 раз выше по сравнению, например, с обычной металлизацией по активной технологии, при которой необходима тщательная очистка поверхности подложки и выдерживание З5 ее в расплаве 2,5-3 5, а по сравнению с известным способом в 1,2-1,5 раза.

При этом прочность сцепления покрытия и изделия также существеннд увеличивается.

Формула изобретения 40

Способ металлиэации керамики путем погружения в металлический расплав поипоя керамического изделия, излучателя ультразвука с последующим возбуждением ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что, с целью увеличения прочности сцепления металлопокрытия с керамикой и упрощения процесса, в расплав предварительно вводят 0,5-1,0 вес.% металла от веса расплава из группы:

Nb, Мо, W, Ti, Zr, Cr, Са, а изделие размещают на расстоянии 0,5-2 мм от поверхности излучателя, причем последний выполнен из того же металла, который предварительно вводят в расплав.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лоцманов С.Н. и др. Справочник по пайке. М., 1975, с. 294.

2. Труды научно-исследовательского технологического института. 1964, вып. 8, с. 103-106.

3. Попилов Л.Я. Новое в электрофи:зической и электрохимической обработке материалов. М., 1966 с. 394.