لحام السيراميك والمعادن

1. قابلية اللحام

من الصعب لحام السيراميك والمكونات الخزفية، والسيراميكية والمعدنية. يتشكل معظم اللحام على شكل كرة على سطح السيراميك، مع قليل من البلل أو بدونه. يسهل على معدن حشو اللحام، الذي يُبلل السيراميك، تكوين مجموعة متنوعة من المركبات الهشة (مثل الكربيدات، والسيليكات، والمركبات الثلاثية أو متعددة المتغيرات) عند سطح الوصلة أثناء اللحام. يؤثر وجود هذه المركبات على الخواص الميكانيكية للوصلة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير في معاملات التمدد الحراري بين السيراميك والمعدن واللحام، سيتبقى إجهاد متبقٍ في الوصلة بعد تبريد درجة حرارة اللحام إلى درجة حرارة الغرفة، مما قد يُسبب تشققها.

يمكن تحسين قابلية اللحام للبلل على السطح الخزفي عن طريق إضافة عناصر معدنية نشطة إلى اللحام المشترك؛ يمكن أن يؤدي اللحام بدرجة حرارة منخفضة ووقت قصير إلى تقليل تأثير تفاعل الواجهة؛ يمكن تقليل الضغط الحراري للمفصل عن طريق تصميم شكل مفصل مناسب واستخدام معدن واحد أو متعدد الطبقات كطبقة وسيطة.

2. اللحام

عادةً ما يتم توصيل السيراميك والمعدن في فرن التفريغ أو فرن الهيدروجين والأرجون. بالإضافة إلى الخصائص العامة، يجب أن تكون لمعادن حشو اللحام للأجهزة الإلكترونية المفرغة بعض المتطلبات الخاصة. على سبيل المثال، يجب ألا يحتوي اللحام على عناصر تُنتج ضغط بخار عالٍ، لتجنب تسرب العازل وتسمم الكاثود للأجهزة. يُشترط عمومًا ألا يتجاوز ضغط بخار اللحام أثناء تشغيل الجهاز 10-3 باسكال، وألا تتجاوز شوائب ضغط البخار العالي 0.002% إلى 0.005%؛ ويجب ألا يتجاوز وزن اللحام 0.001%، وذلك لتجنب بخار الماء المتولد أثناء اللحام بالهيدروجين، والذي قد يُسبب تناثر معدن اللحام المنصهر؛ بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون اللحام نظيفًا وخاليًا من أكاسيد السطح.

عند اللحام بعد التمعدن الخزفي، يمكن استخدام النحاس، والقاعدة، والنحاس الفضي، والنحاس الذهبي، ومعادن حشو اللحام السبائكية الأخرى.

للحام المباشر للسيراميك والمعادن، يُختار معدن حشو اللحام الذي يحتوي على عناصر نشطة Ti وZr. المعادن الحشو الثنائية هي Ti وCu وTi وNi بشكل رئيسي، ويمكن استخدامها عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية. من بين اللحام الثلاثي، يُعدّ لحام Ag Cu Ti (W) (TI) الأكثر شيوعًا، والذي يمكن استخدامه للحام المباشر لمختلف أنواع السيراميك والمعادن. يمكن استخدام معدن الحشو الثلاثي برقائق معدنية أو مسحوق أو معدن حشو أوتكتيكي Ag Cu مع مسحوق Ti. يتميز معدن حشو اللحام B-ti49be2 بمقاومة تآكل مماثلة للفولاذ المقاوم للصدأ وضغط بخار منخفض. يمكن اختياره بشكل تفضيلي في وصلات الختم الفراغية مع مقاومة الأكسدة والتسرب. في لحام ti-v-cr، تكون درجة حرارة الانصهار هي الأدنى (1620 درجة مئوية) عندما يكون w (V) 30%، ويمكن لإضافة Cr أن تقلل بشكل فعال من نطاق درجة حرارة الانصهار. استُخدم لحام B-ti47.5ta5 الخالي من الكروم للحام المباشر للألومينا وأكسيد المغنيسيوم، ويمكن توصيله عند درجة حرارة محيطة تبلغ 1000 درجة مئوية. يوضح الجدول 14 التدفق النشط للتوصيل المباشر بين السيراميك والمعدن.

الجدول 14 معادن حشو اللحام النشط للحام السيراميكي والمعدني

2. تقنية اللحام

يمكن لحام السيراميك المُمَعدَن مسبقًا في بيئة غاز خامل عالي النقاء، أو الهيدروجين، أو الفراغ. يُستخدم اللحام الفراغي عادةً للحام السيراميك مباشرةً دون استخدام المعدن.

(1) عملية اللحام الشامل يمكن تقسيم عملية اللحام الشامل للسيراميك والمعادن إلى سبع عمليات: تنظيف السطح، طلاء المعجون، طلاء سطح السيراميك، طلاء النيكل، اللحام وفحص ما بعد اللحام.

الغرض من تنظيف الأسطح هو إزالة بقع الزيت والعرق وطبقة الأكسيد من سطح المعدن الأساسي. تُزال الشحوم من الأجزاء المعدنية واللحام أولًا، ثم تُزال طبقة الأكسيد بالغسيل الحمضي أو القلوي، وتُغسل بالماء الجاري وتُجفف. تُعالج الأجزاء ذات المتطلبات العالية حراريًا في فرن التفريغ أو فرن الهيدروجين (يمكن أيضًا استخدام طريقة القصف الأيوني) عند درجة حرارة ووقت مناسبين لتنقية سطحها. يجب ألا تلامس الأجزاء المنظفة أي أجسام دهنية أو الأيدي. تُوضع فورًا في العملية التالية أو في المجفف. يجب عدم تعريضها للهواء لفترة طويلة. تُنظف الأجزاء الخزفية بالأسيتون والموجات فوق الصوتية، وتُغسل بالماء الجاري، ثم تُغلى مرتين بالماء منزوع الأيونات لمدة 15 دقيقة في كل مرة.

طلاء المعجون عملية مهمة في طلاء السيراميك المعدني. أثناء الطلاء، يُطبق المعجون على سطح السيراميك المراد طلاءه باستخدام فرشاة أو آلة طلاء المعجون. يتراوح سُمك الطلاء عادةً بين 30 و60 مم. يُحضّر المعجون عادةً من مسحوق معدني نقي (يُضاف إليه أحيانًا أكسيد معدني مناسب) بحجم جسيمات يتراوح بين 1 و5 ميكرومتر تقريبًا، بالإضافة إلى مادة لاصقة عضوية.

تُرسَل القطع الخزفية المُلصقة إلى فرن هيدروجين، وتُحَمَّل بالهيدروجين الرطب أو الأمونيا المُكَسَّرة عند درجة حرارة تتراوح بين 1300 و1500 درجة مئوية لمدة 30 إلى 60 دقيقة. أما القطع الخزفية المُغطاة بالهيدريدات، فتُسخَّن إلى حوالي 900 درجة مئوية لتفكيك الهيدريدات، ثم تتفاعل مع المعدن النقي أو التيتانيوم (أو الزركونيوم) المتبقي على سطح السيراميك، للحصول على طبقة معدنية عليه.

بالنسبة لطبقة الموليبدينوم والمنجنيز المطلية، ولترطيبها باللحام، يجب طلاء طبقة نيكل بسمك 1.4 إلى 5 ميكرومتر كهربائيًا أو طلاؤها بطبقة من مسحوق النيكل. إذا كانت درجة حرارة اللحام أقل من 1000 درجة مئوية، فيجب تلبيد طبقة النيكل مسبقًا في فرن هيدروجيني. تتراوح درجة حرارة التلبيد ومدة التلبيد بين 1000 درجة مئوية و15 إلى 20 دقيقة.

السيراميك المُعالَج عبارة عن قطع معدنية، تُجمَّع في وحدة واحدة باستخدام قوالب من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الجرافيت والسيراميك. يُثبَّت اللحام عند المفاصل، وتُحافَظ قطعة العمل نظيفة طوال العملية، ويُمنع لمسها باليدين العاريتين.

يُجرى اللحام باللحام في فرن الأرجون أو الهيدروجين أو التفريغ. تعتمد درجة حرارة اللحام على معدن حشو اللحام. ولمنع تشقق القطع الخزفية، يجب ألا يكون معدل التبريد سريعًا جدًا. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن تطبيق ضغط معين (حوالي 0.49 إلى 0.98 ميجا باسكال) على اللحام.

بالإضافة إلى فحص جودة السطح، يجب أن تخضع اللحامات الملحومة لفحص الصدمات الحرارية والخواص الميكانيكية. كما يجب أن تخضع أجزاء مانع التسرب لأجهزة التفريغ لاختبارات التسرب وفقًا للوائح ذات الصلة.

(٢) عند اللحام المباشر (بطريقة المعدن النشط)، يُنظف سطح اللحامات الخزفية والمعدنية أولًا، ثم يُجمع. لتجنب التشققات الناتجة عن اختلاف معاملات التمدد الحراري لمواد المكونات، يُمكن تدوير طبقة العازل (طبقة أو أكثر من الصفائح المعدنية) بين اللحامات. يُثبت معدن حشو اللحام بين اللحامين أو يُوضع قدر الإمكان في موضع ملء الفجوة بمعدن حشو اللحام، ثم يُجرى اللحام بنفس طريقة اللحام الفراغي العادي.

في حالة استخدام لحام Ag Cu Ti للحام المباشر، يجب استخدام طريقة اللحام الفراغي. عندما تصل درجة الفراغ في الفرن إلى 2.7 ×، ابدأ التسخين عند 10-3 باسكال، ويمكن أن ترتفع درجة الحرارة بسرعة. عندما تقترب درجة الحرارة من نقطة انصهار اللحام، يجب رفعها ببطء لجعل درجة حرارة جميع أجزاء اللحام متساوية. عند ذوبان اللحام، يجب رفع درجة الحرارة بسرعة إلى درجة حرارة اللحام، ويجب أن يكون وقت التثبيت من 3 إلى 5 دقائق. أثناء التبريد، يجب تبريده ببطء حتى 700 درجة مئوية، ويمكن تبريده طبيعيًا باستخدام الفرن بعد 700 درجة مئوية.

عند لحام النحاس النشط Ti وCu مباشرةً، يمكن استخدام رقاقة نحاس مع مسحوق Ti أو أجزاء نحاس مع رقاقة Ti، أو يمكن طلاء السطح الخزفي بمسحوق Ti ورقاقة Cu. قبل اللحام، يجب تفريغ جميع الأجزاء المعدنية. يجب أن تتراوح درجة حرارة تفريغ النحاس الخالي من الأكسجين بين 750 و800 درجة مئوية، ويجب تفريغ Ti وNb وTa وغيرها عند 900 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. في هذه الحالة، يجب ألا تقل درجة التفريغ عن 6.7 × 10-3 باسكال. أثناء اللحام، يتم تجميع المكونات المراد لحامها في التركيبات، وتسخينها في فرن التفريغ إلى 900 ~ 1120 درجة مئوية، مع مدة تثبيت تتراوح بين دقيقتين و5 دقائق. طوال عملية اللحام، يجب ألا تقل درجة التفريغ عن 6.7 × 10-3 باسكال.

عملية اللحام بطريقة Ti Ni مشابهة لتلك الخاصة بطريقة Ti Cu، ودرجة حرارة اللحام هي 900 ± 10 ℃.

(٣) طريقة اللحام بالأكسيد: تُعدّ طريقة اللحام بالأكسيد طريقةً لتحقيق اتصال موثوق باستخدام الطور الزجاجي الناتج عن ذوبان لحام الأكسيد، والذي يتسرب إلى السيراميك ويُبلل سطح المعدن. ويمكنها ربط السيراميك بالسيراميك والمعادن. تتكون معادن حشو اللحام بالأكسيد بشكل رئيسي من Al2O3، وCaO، وBao، وMgO. بإضافة B2O3، وY2O3، وta2o3، يمكن الحصول على معادن حشو لحام ذات درجات انصهار ومعاملات تمدد خطية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام معادن حشو اللحام بالفلورايد، التي تحتوي على CaF2 وNaF كمكونات رئيسية، لربط السيراميك والمعادن، للحصول على وصلات عالية القوة ومقاومة عالية للحرارة.