Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами

В. Н. Батыгин, И. И. Метелкин, А. М. Решетников

Энергия, 1973 г.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ  ПРИПОЯ С  МЕТАЛЛИЗАЦИОННЫМ СЛОЕМ  И  КОНСТРУКЦИОННЫМ  МЕТАЛЛОМ

При пайке металлизированной керамики с металлическими деталями образование прочного соединения осуществляется в результате смачивания жидким припоем контактирующих поверхностей и последующего взаимодействия, характер которого зависит как от природы выбранного припоя, так и от свойств металлизационного покрытия и конструкционного металла.

Взаимодействие жидкого припоя с компактным металлом обычно сводится к взаимной диффузии атомов металла и припоя с образованием переходной зоны на границе металл — припой.

Более сложными являются процессы взаимодействия жидкого припоя с металлизационным слоем, поскольку последний, как уже отмечалось, представляет трехфазную систему, состоящую из металла, диэлектрика и пор.

При смачивании металлизационного слоя жидким припоем последний образует контакт главным образом с металлической фазой слоя. Диэлектрическая же фаза смачивается плохо. Смачивая спеченные частицы тугоплавкого металла, припой создает капиллярное давление на диэлектрическую фазу. Если эта фаза при температуре пайки находится в твердом состоянии, то припой, несмотря на создаваемое им капиллярное давление, не может проникнуть в глубь металлизационного слоя. В этом случае проникновение припоя осуществляется только по порам. Не происходит при этом и нарушения созданных между керамикой и металлизационным покрытием (его металлической фазой) химических связей. Взаимодействие припоя происходит с поверхностными слоями металлизационного покрытия с образованием прочных химических связей, в результате чего достигается высокая прочность спая в целом. Для получения вакуумно-плотных и механически прочных спаев в этом случае не требуется наносить вторых металлизационных слоев, если припой хорошо смачивает и растекается по металлизированной поверхности. Если же припой недостаточно хорошо смачивает металлизационное покрытие, то для получения надежного спая рекомендуется наносить второй слой металла, хорошо смачиваемого припоем. В качестве примера может служить Мо—Μnи другие слои на керамике 22ХС.

Медный припой хорошо смачивает металлизационный слой (гл. 4), и пайка этим припоем осуществляется без второго слоя. Припайке той же металлизированной керамики серебряными и медно-золотыми припоями поверх металлизационного слоя наносится слой никеля толщиной 3—5 мкм.

Если же основу диэлектрической фазы, располагающейся между зернами тугоплавкого металла, составляет стекловидная или кристаллическая фаза, переходящая при температуре пайки в жидкое состояние, то в этом случае жидкий припой под действием капиллярных сил может проникнуть на всю глубину металлизационного слоя, вытеснить из него диэлектрическую фазу и тем самым частично разрушить созданные при вжигании связи между керамикой и тугоплавким металлом. Новые связи между керамикой и припоем за короткое время пайки (1—3 мин) не успевают создаваться, и в результате прочность спая, а также его вакуумная плотность и термическая стойкость ухудшаются. Примером такого процесса является пайка медью керамики 22ХС, металлизированной молибденом. Поскольку основой межмолибденового вещества является довольно легкоплавкая стеклофаза керамики 22ХС, то при 1100°С стеклофаза становится весьма подвижной и под действием капиллярных сил вытесняется из промежутков между зернами молибдена. Время вытеснения стеклофазы и заполнение ее припоем невелико и ориентировочно может быть подсчитано по следующей формуле

Процесс взаимодействия припоя с металлизированной поверхностью керамики зависит как от состава припоя, так и от того конструкционного металла, с которым осуществляется соединение металлизированной керамики.

В процессе пайки (за 1—3 мин) медный припой полностью растворяет в себе трехмикронное никелевое покрытие, причем этот процесс происходит довольно интенсивно вследствие пористости никелевых слоев. Образующийся медно-никелевый расплав взаимодействует с молибденом, частично растворяя его. В результате взаимодействия образуется переходная область трехкомпонентного сплава Сu—Ni—Мо. При отсутствии никелевых покрытий на металлизированной керамике растворение молибдена в припое, хотя ив меньшей мере, также наблюдается. Это происходит в результате того, что медный припой, взаимодействуя с коваром, частично растворяет его и переносит растворенные компоненты к поверхности металлизациониого слоя. Наличие же в жидком припое никеля и других составляющих ковара обеспечивает частичное растворение молибдена в расплаве.

Взаимодействие жидкого припоя с коваром наиболее интенсивно происходит по границам зерен. Особенно интенсивно этот процесс протекает при пайке керамики с нержавеющей сталью медным и медно-германиевым припоями. Из рис. 6-22 видно, что растворение нержавеющей стали в припое начинается по границам зерен, причем этот процесс идет настолько интенсивно, что отдельные зерна стали оказываются как бы плавающими в припое. Происходит перенос растворенных компонентов к поверхности металлизационного слоя, в результате чего на границе образуется слой из железа, хрома и никеля. Аналогичный барьерный слой наблюдается и при пайке с коваром при больших выдержках (~3—5 мин),

Медно-серебряные (ПСр72) и медно-золотые припои менее активно взаимодействуют со слоем металлизации, покрытым тонким слоем никеля. Не наблюдается проникновения этих припоев в поры металлизационного слоя с вытеснением межмолибденового вещества. Это объясняется более низкими, чем у меди, температурами плавления припоев и недостаточно хорошим смачиванием молибдена этими припоями.

При пайке металлизированной керамики с медью медно-германиевым и медно-золотым припоями интенсивного взаимодействия с металлизационным слоем также не происходит — переходные слои довольно тонкие. С медью припои образуют твердые растворы.