高性能等靜壓成型陶瓷與其金屬化工藝匹配性的探索
陶瓷金屬化技術(shù)是使陶瓷制件與金屬零件形成牢固連接并具有很好的密封性能的技術(shù),是電真空陶瓷器件生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量的好壞及其穩(wěn)定性直接影響到電真空陶瓷器件及其整機(jī)的質(zhì)量、使用壽命和可靠性,甚至影響到整個系統(tǒng)設(shè)備的安全。而金屬化層與陶瓷件的匹配性是影響產(chǎn)品質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素。
采用等靜壓成型工藝生產(chǎn)的95%Al2O3 陶瓷致密、體積密度大,氣孔率低,顯微結(jié)構(gòu)均勻,該工藝生產(chǎn)的陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度更高、規(guī)整度更好,各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于熱壓鑄等其他普通成型工藝,但在其上進(jìn)行良好的金屬化加工不僅同普通陶瓷一樣存在陶瓷材料與金屬材料的界面反應(yīng)結(jié)合問題,還存在陶瓷與金屬化膏劑的晶粒大小匹配、金屬化層與陶瓷結(jié)合要好等難題。
與陶瓷結(jié)合良好的金屬化層在顯微結(jié)構(gòu)上觀察:鎳層、金屬化層、陶瓷層應(yīng)層次清晰,鎳層與金屬化層無交叉滲透,金屬化層與陶瓷間有均勻的薄的相互滲透但沒有深的孔洞式滲透;鎳層厚度最佳范圍3～5μm ,且連續(xù)、均勻、致密;金屬化層中鉬顆粒分布均勻、連續(xù),盡量形成最緊密堆積,同時鉬顆粒間的孔隙分布均勻且伴有溶劑物質(zhì)填充;陶瓷層與金屬化層之間應(yīng)有一定厚度的過渡反應(yīng)層,其玻璃相能產(chǎn)生交融聯(lián)結(jié)、相互滲透的反應(yīng)。要形成與某種陶瓷結(jié)合良好的金屬化層,除與金屬化用原輔材料的選定和加工、金屬化膏劑配方、金屬化工藝等直接相關(guān)外,還與該陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。與不同顯微結(jié)構(gòu)的陶瓷形成良好的金屬化需有不同的與之匹配的金屬化工藝和配方。
1、一次金屬化燒成溫度與陶瓷燒成溫度的匹配性
為適應(yīng)95%Al2O3等靜壓陶瓷金屬化生產(chǎn)工藝的需要,本研究采用高溫活性Mo-Mn金屬化法技術(shù)工藝,該工藝具有工藝可靠、適應(yīng)范圍廣、簡單可行等特點(diǎn)。
由于一次金屬化燒成溫度的高低直接影響到陶瓷與金屬化層的反應(yīng)程度,溫度越高過渡層反應(yīng)激烈,結(jié)合強(qiáng)度和致密性越高;溫度低,物質(zhì)活性不高,形成的過渡層薄、不夠致密,結(jié)合強(qiáng)度不高,但溫度太高,由于陶瓷和金屬化層產(chǎn)生的玻璃相太多,相互滲透較深,其結(jié)合強(qiáng)度又會降低,且電性能會變差,不利于電鍍和封接。所以陶瓷金屬化一次燒成最佳溫度應(yīng)以陶瓷燒結(jié)溫度為參考,結(jié)合陶瓷的晶相結(jié)構(gòu)來確定。通過試驗(yàn),要形成與等靜壓成型工藝生產(chǎn)的95%Al2O3陶瓷配合良好且產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、加工工藝范圍較寬的金屬化,陶瓷金屬化一次燒成最佳溫度為1495～1505℃,據(jù)此來進(jìn)行陶瓷金屬化膏劑的配方和工藝試驗(yàn)。
2、鉬粉在配方中的比例
鉬粉是金屬化配方中的主要成分。將金屬化層假設(shè)為理想的純鉬致密結(jié)構(gòu),根據(jù)緊密堆積原理,鉬粉為等徑球體時,最大體積分?jǐn)?shù)可達(dá)75%。實(shí)際涂層中,鉬顆粒通常不只是球形,而且尺寸不一,顆粒堆積密度就會變小,需要被填充的空隙體積增加。另外,在金屬化燒結(jié)過程中,鉬粉本身有一定程度的燒結(jié),其體積及空隙率也會相應(yīng)減少。而且燒成溫度越低,鉬粉燒結(jié)度越小,填充物體積就要越高。過少的鉬粉將導(dǎo)致金屬化層中金屬相比例太小,玻璃相等填充物多,使其導(dǎo)電性能就會低,熱膨脹系數(shù)加大,將給電鍍鎳和以后的封接帶來一定困難,影響金屬化層與鎳層的結(jié)合及金屬化陶瓷的封接性能。
本研究對鉬粉體積分?jǐn)?shù)為37% ,47%,60%的配方進(jìn)行了試驗(yàn),并進(jìn)行了掃描電鏡分析。從微觀晶相結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)的測試結(jié)果分析,并結(jié)合金屬化層燒成前后厚度的變化情況,鉬粉體積分?jǐn)?shù)適中的金屬膏配方,其在一次金屬化燒成時,其中鉬顆粒間孔隙得到了較合適的填充,形成的金屬化層為致密,有利于產(chǎn)品性能的提高。
3、鉬粉顆粒度
從燒結(jié)理論上講,粉體顆粒越小,表面能越高,物質(zhì)活性增加,有利于降低燒成溫度。從玻璃滲透理論講,由于鉬顆粒的燒結(jié)而形成的毛細(xì)管為金屬化層與瓷件中的玻璃相互相滲透創(chuàng)造了條件。所以,鉬顆粒的大小與陶瓷的Al2O3晶粒度要相匹配。陶瓷中的Al2O3顆粒細(xì),相應(yīng)要求金屬化層中的鉬粉也要細(xì);陶瓷中Al2O3顆粒粗,則要求金屬化層中的鉬粉也要相應(yīng)粗些(見表1) 。
表1 陶瓷晶粒同鉬粉顆粒匹配性對金屬化陶瓷的抗拉強(qiáng)度的影響
