Technicznaceramika | Kompozyty metal – ceramika do inżynierii elektrycznej. Część 3

12 lip Kompozyty metal – ceramika do inżynierii elektrycznej. Część 3

Trzecia część artykułu o ceramice technicznej łączonej z metalami do zastosowań w inżynierii elektrycznej.

TECHNOLOGIA – KONSTRUKCJA I DOBÓR MATERIAŁÓW

Konstrukcja elementów ceramicznych wpływa na około 70% całkowitych kosztów produkcji.
W rezultacie, konstrukcja ma za zadanie dostarczenie klientowi produktu, który spełnia jego potrzeby, przy jednoczesnym zapewnieniu konkurencyjnej ceny jego wytworzenia.

Oznacza to w szczególności:

wprowadzenie wymaganych właściwości za pomocą prostych rozwiązań i przy wykorzystaniu podstawowych, standardowych produktów

konstrukcję dostosowaną do ceramiki

konstrukcję dostosowaną do możliwych metod produkcji

Wybór materiałów ceramicznych i odpowiednich do łączenia z nimi metali wymaga kompleksowej wiedzy o warunkach pracy elementu. Tabela 1 zawiera przegląd głównych wymogów nakładanych na trzy główne obszary tj. ceramikę, metal i powierzchnię łączenia.

Konstrukcje łączeń projektowane są zgodnie z wymaganiami geometrycznymi użytkownika i z dopasowaniem właściwości termalnych wybranych materiałów (patrz Tabela 3).

Tabela 2 przedstawia kilka podstawowych rozwiązań konstrukcyjnych najczęściej stosowanych w przepustach elektrycznych i elementach izolacyjnych.

Łączenie ceramiki z metalem jest zaprojektowane w taki sposób, aby część metalowa po lutowaniu wywierała naprężenia ściskające na część ceramiczną. Konstrukcja nr 1 zbliża się do tego warunku. Przy lutowaniu zewnętrznym korzystne są stopy metali (Ni42, NiCo 2918) lub metali o współczynniku rozszerzalności cieplnej większym od ceramiki. Podane wcześniej stopy metali nadają się również do lutowania wewnętrznego jednakże przy innych metalach ich współczynnik rozszerzalności cieplnej powinien być niższy od ceramiki. Metale takie jak miedź są wyjątkiem ponieważ mogą one być używane do lutowania wewnętrznego pomimo wysokiego współczynnika rozszerzalności cieplnej ze względu na swoją wysoką plastyczność. Do lutowania zewnętrznego stosowane są dopasowane stopy metali lub metale ciągliwe o grubości ścianki do 1 mm. Większe średnice wymagają zastosowania elastycznych kształtek.

Tabela 1 Główne wymagania

Jeżeli wymagane jest lutowanie po wewnętrznym obwodzie na obu końcach rury ceramicznej nacinany jest odpowiedni rowek w ceramice (typ 1 b). Zaletą tego rozwiązania jest to, że wymaga ono minimalnego nakładu pracy urządzeń lutujących a zlutowane elementy są łatwe w późniejszym montażu.

W przypadku metali o niedopasowanym współczynniku rozszerzalności cieplnej konstrukcję nr 1 możemy stosowań wyłącznie dla średnic mniejszych od 50 mm. Przy dużej różnicy współczynników rozszerzalności lutowanych materiałów częściej stosujemy konstrukcję nr 2.

To samo dotyczy sytuacji gdy lutowane są duże elementy metalowe ze stali austenitycznej poprzez pośrednią warstwę elastycznej miedzi. Ten rodzaj konstrukcji pozwala na dużą mobilność części metalowej na powierzchni czołowej części ceramicznej.

Kompaktowe konstrukcje typu 3 produkowane są przy użyciu dopasowanych stopów metali lub metali ciągliwych. Poprzez zastosowanie dodatkowego, ceramicznego, kompensującego pierścienia zwiększane jest bezpieczeństwo mechaniczne takiego połączenia ceramiki z metalami.

Przepusty narażone są na wysokie obciążenia mechaniczne i pozwalają tylko na występowanie naprężeń ściskających wewnątrz ceramiki. Jeśli ta zasada konstrukcyjna jest przestrzegana możliwe jest produkowanie przepustów o wysokiej odporności mechanicznej.

Tabela 2 Podstawowe typy łączeń ceramika – metal

TECHNOLOGIA LUTOWANIA

Z wyjątkiem niektórych produktów, użyteczność ceramiki wymaga łączenia jej z częściami metalowymi lub innymi częściami ceramicznymi przy użyciu wytrzymałych i próżnioszczelnych łączeń. Do tego celu mogą być stosowane różne techniki łączenia.

LUTOWANIE SZKŁEM

Lutowanie to jest odpowiednie do gazoszczelnego łączenia ze sobą komponentów ceramicznych. Ta technika łączenia charakteryzuje się generalnie bardzo dobrą odpornością chemiczną i wytrzymałością temperaturową do ok. 1100 °C. Połączenia te osiągają wytrzymałość do 100 MPa, w temperaturze pokojowej (zgodnie z DVS – German Welding Society, wytyczne 3101). Dla jakości spoiny z lutu szklanego decydujące znaczenie ma współczynnik rozszerzalności cieplnej dostosowany do ceramiki i szkła. Istnieje duża swoboda konstrukcyjna w odniesieniu do geometrii, jednakże musi być zagwarantowane odpowiednie miejsce depozytu lutowia oraz odpowiedni odstęp na lut w miejscu łączenia. Ta technika łączenia ceramiki z ceramiką opiera się na wykorzystaniu lutu szklanego o rozszerzalności cieplnej dopasowanej do ceramiki ponieważ szkło nie wykazuje właściwości plastycznych.

LUTOWANIE METALIZOWANEJ CERAMIKI

Elementy wykonane z zaawansowanej ceramiki FRIALIT^®-DEGUSSIT^® generalnie metalizowane są przy wykorzystaniu procedury metalizacji molibden-mangan (procedura MoMn), a następnie niklowania (patrz rysunek 5a). Punktem wyjścia dla tego procesu jest związek molibdenu i manganu. Związek ten w postaci pasty nanosi się na powierzchnię ceramiczną w celu wytworzenia trwale związanej powłoki metalizacji powstałej w późniejszym procesie wypalania. Ponieważ większość dostępnych na rynku twardych lutów próżniowych nie zwilża powierzchni metalizacji, jest ona niklowana w kolejnym etapie metodą galwaniczną lub autokatalityczną. Komponenty metalowe mogą być wlutowywane w bazową, metalizowaną powłokę na ceramice. Metalizacja umożliwia lutowanie w temperaturze powyżej 1000 °C w atmosferze gazu ochronnego i / lub w próżni. Jako standardowy materiał lutowniczy stosuje się stop eutektyczny srebro – miedź. Materiały lutownicze o podwyższonych właściwościach topienia używa się gdy na końcową część nakładane są wyższe wymagania temperatury roboczej, właściwości antykorozyjne oraz gdy wybrane metale nie mogą być zwilżone przez eutektyczny stop srebro – miedź. Tabela 3 przedstawia przegląd dostępnych stopów lutowniczych. W celu umożliwienia stosowania lutów miękkich w niższych temperaturach nasza metalizowana ceramika dostępna jest z powłoką galwaniczną z Au, Ni lub Cu.

Tabela 3 Materiały lutownicze i temperatury lutowania

Rys 3 Porównanie współczynników rozszerzalności cieplnej metali i ceramiki FRIALIT F99,7

Elementy ceramiczne przygotowane do lutowania przy użyciu wcześniejszej metalizacji mogą być twardo-lutowane z dopasowanymi termicznie elementami metalowymi takimi jak: NiFe 42 (np. VACODIL), NiFeCo (np. VACON 10/70), Ti, Mo, CU, itp.. Rysunek 3 przedstawia współczynniki rozszerzalności cieplnej różnych metali w porównaniu do ceramiki FRIALIT F99,7. Rysunek 4 pokazuje przekrój poprzeczny obszaru łączenia materiałów FRIALIT 99,7 / AgCu28 / 1,3917. Próby rozciągania wykazują wytrzymałość tego typu połączeń powyżej 100 MPa (zgodnie z DVS German Welding Society, wytyczne 3101). Przy odpowiedniej konstrukcji taką wytrzymałość można otrzymać również przy lutowaniu aktywnym.

Rys 4 . Przekrój poprzeczny łączenia ceramiki z metalami przez metalizację

Rys 5a Schemat procesu metalizacji ceramiki metodą MoMn

LUTOWANIE AKTYWNE

Lutowanie aktywne (patrz Rysunek 5b) oparte jest na zastosowaniu materiałów lutowniczych o niskiej zawartości metalu reaktywnego z tlenem, takich jak: Ti, Zr lub Hf. Luty te zwilżają ceramikę Al₂O₃ eliminując konieczność uprzedniej metalizacji. Wartości wytrzymałościowe łączeń bezpośrednio lutowanych aktywnie ceramiki Al₂O₃/ Ni 42 osiągają wartości zbliżone do połączeń lutowanych z wcześniejszą metalizacją. Rysunek 6 przedstawia kolejny przykład łączenia powierzchni ceramiki ZrO2 i stali lutem aktywnym z AgCu26, 5Ti3. Chociaż lutowanie aktywne jest atrakcyjne pod względem technicznym i ekonomicznym, jego zastosowanie w przepustach ceramicznych jest ograniczone ponieważ lut nie wpływa w szczelinę lutowania, ale pozostaje w miejscu depozytu. Jednakże można ominąć te ograniczenia projektując specyficzną konstrukcję łączeń.

Rys 5 b Schemat łączenia ceramiki z metalami przez lutowanie aktywne

Rys 6 Przekrój poprzeczny łączenia lutowaniem aktywnym ceramiki cyrkonowej ZrO2

Kolejna część wkrótce.