세라믹 및 금속 브레이징: 설명

1. 브레이징 특성

세라믹과 세라믹 또는 세라믹과 금속 부품을 브레이징하는 작업은 상당히 까다로울 수 있습니다. 대부분의 브레이징 필러 금속은 세라믹 표면에 구형을 형성하기 때문에 습윤성이 떨어지거나 전혀 없습니다.

세라믹을 적실 수 있는 브레이징 필러 금속은 조인트 인터페이스에서 다양한 취성 화합물(탄화물, 규화물, 삼원 또는 다성분 화합물 등)을 형성하는 경향이 있어 조인트의 기계적 특성에 영향을 미칩니다.

또한 세라믹, 금속 및 브레이징 필러 금속 간의 열팽창 계수가 크게 다르기 때문입니다, 잔류 스트레스 가 납땜 온도에서 실온으로 냉각된 후 접합부에 존재할 수 있으며, 이로 인해 접합부 균열이 발생할 가능성이 있습니다.

기존 필러 금속에 반응성 금속 원소를 추가하여 만든 활성 브레이징 필러 금속을 사용하면 세라믹 표면의 습윤성을 개선할 수 있습니다. 저온, 단시간 브레이징을 사용하면 계면 반응의 영향을 줄일 수 있습니다.

적절한 조인트 구성을 설계하고 단일 또는 다중 금속층을 중간층으로 활용하면 조인트의 열 응력을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

브레이징 필러 금속 세라믹을 금속에 브레이징하는 작업은 일반적으로 진공로, 수소 분위기 또는 아르곤 분위기에서 수행됩니다. 진공 전자 장치를 밀봉하기 위한 브레이징 필러 금속에는 일반적인 특성 외에도 추가적인 특정 요구 사항이 있습니다.

예를 들어, 장치에서 유전체 누설 및 음극 중독과 같은 문제를 방지하기 위해 필러 금속에는 높은 증기압을 생성하는 원소가 포함되어서는 안 됩니다. 일반적으로 장치 작동 중 필러 금속의 증기압은 10-3Pa를 초과해서는 안 되며, 고증기압 불순물의 함량은 0.002% ~ 0.005% 이내여야 한다고 규정되어 있습니다.

수소 분위기에서 브레이징하는 동안 용융된 브레이징 용가재의 비산을 유발할 수 있는 수증기 발생을 방지하기 위해 용가재의 산소 함량(W(o))은 0.001%를 초과하지 않아야 합니다. 또한 필러 금속은 깨끗해야 하며 표면 산화물이 없어야 합니다.

금속화 후 세라믹을 브레이징할 때는 구리(Cu), 니켈(Ni), 은-구리(Ag-Cu), 금-구리(Au-Cu) 등의 합금 브레이징 필러 금속을 사용할 수 있습니다. 세라믹을 금속에 직접 브레이징하는 경우 다음과 같은 반응성 원소를 포함하는 브레이징 필러 금속을 사용할 수 있습니다. 티타늄 (Ti) 및 지르코늄(Zr)을 선택해야 합니다.

이원 브레이징 필러 금속 중에서는 Ti-Cu와 Ti-Ni가 일반적으로 사용되며 1100℃ 범위 내에서 사용할 수 있습니다. 삼원 브레이징 필러 금속 중에서는 다양한 세라믹을 금속에 직접 브레이징하기 위해 Ag-Cu-Ti((W)Ti 함량이 5% 미만)가 자주 사용됩니다.

이 삼원 시스템은 포일, 분말 또는 Ti 분말과 결합된 Ag-Cu 공융 필러 금속과 함께 사용할 수 있습니다. B-Ti49Be2 브레이징 용가재는 스테인리스 스틸과 유사한 내식성을 나타내며 증기압이 낮아 산화 및 누출 방지가 필요한 진공 밀봉 조인트에 적합한 선택입니다.

Ti-V-Cr 시스템에서 Cr을 추가하면 용융 온도 범위가 효과적으로 감소하여 30% W(V)에서 가장 낮은 용융 온도를 달성할 수 있습니다. 알루미나와 마그네시아의 직접 브레이징에는 Cr이 없는 B-Ti47.5Ta5 브레이징 필러 금속이 사용되어 1000℃의 주변 온도에서 조인트가 작동할 수 있습니다. 세라믹과 금속의 직접 접합을 위한 활성 브레이징 필러는 표 14에 나와 있습니다.

표 14. 세라믹을 금속에 납땜하기 위한 액티브 브레이징 필러

2. 브레이징 기술

사전 금속화 세라믹은 고순도 불활성 가스, 수소 또는 진공 환경에서 납땜할 수 있습니다. 비금속화 세라믹을 직접 브레이징할 때는 일반적으로 진공 브레이징을 권장합니다.

(1) 일반 브레이징 프로세스 세라믹 및 금속용

(1) 세라믹 및 금속의 일반 브레이징 공정은 표면 세척, 페이스트 도포, 세라믹 표면의 금속화, 니켈 도금, 브레이징, 브레이징 후 검사 등 7가지 공정 단계로 나눌 수 있습니다.

표면 세척은 모재 표면의 기름 얼룩, 땀 자국, 산화막을 제거하기 위해 수행됩니다. 금속 부품과 브레이징 재료는 탈지한 다음 산 에칭 또는 알칼리 처리하여 산화막을 제거한 다음 흐르는 물로 헹구고 건조해야 합니다.

고품질 부품은 진공로 또는 수소로에서 적절한 온도와 시간 동안 열처리(이온 충격도 사용 가능)를 거쳐 부품 표면을 정화하는 과정을 거쳐야 합니다.

세척한 부품은 기름기가 있는 물체나 맨손에 닿지 않도록 하고 즉시 다음 공정으로 진행하거나 건조 장치에 넣어 공기에 장시간 노출되지 않도록 해야 합니다.

세라믹 부품은 초음파 세척을 사용하여 아세톤으로 세척하고 흐르는 물로 헹구고 마지막으로 탈이온수에 매번 15분씩 두 번 끓여야 합니다.

페이스트 도포는 세라믹 금속화에서 중요한 단계입니다. 브러시 또는 페이스트 어플리케이터를 사용하여 금속화할 세라믹 표면에 페이스트를 도포합니다.

코팅 두께는 일반적으로 30~60마이크로미터이며, 페이스트는 일반적으로 입자 크기가 약 1~5마이크로미터인 순수 금속 분말(때로는 적절한 금속 산화물이 첨가된 경우도 있음)과 유기 바인더로 구성됩니다.

그런 다음 페이스트가 도포된 세라믹 부품을 수소로에 넣고 습식 수소 또는 균열 암모니아를 사용하여 1300~1500°C의 온도에서 30~60분 동안 소결합니다. 수 소화물이 적용된 세라믹의 경우 약 900°C로 가열하여 수 소화물을 분해하고 세라믹 표면의 순수 금속 또는 잔류 티타늄(또는 지르코늄)과 반응하여 금속 코팅을 얻어야 합니다.

Mo-Mn 금속화 층의 경우, 납땜 재료와의 습윤을 촉진하기 위해 1.4~5 마이크로미터 두께의 니켈 층을 전기 도금하거나 니켈 분말로 코팅합니다. 만약 납땜 온도 가 1000°C 미만인 경우 니켈 층도 수소 용광로에서 1000°C/15~20분의 온도와 시간으로 사전 소결을 거쳐야 합니다.

처리된 세라믹은 금속 부품처럼 처리되고 스테인리스 스틸, 흑연 또는 세라믹 몰드로 조립되어 전체를 형성합니다. 브레이징 재료는 접합부에 도포되며, 맨손으로 만지지 않도록 전체 작업 과정에서 작업물을 청결하게 유지해야 합니다.

브레이징은 아르곤 가스, 수소 가스 용광로 또는 진공 용광로에서 수행됩니다. 브레이징 온도는 브레이징 재료에 따라 다르며 세라믹 균열을 방지하기 위해 냉각 속도가 너무 빠르지 않아야 합니다. 또한 브레이징 중에는 일정한 압력(약 0.49~0.98MPa)을 가할 수 있습니다.

브레이징 후 용접된 부품은 표면 품질 검사뿐만 아니라 열 충격 및 기계적 성능 테스트를 거쳐야 합니다. 진공 장치에 사용되는 씰링 부품도 관련 규정에 따라 누출 테스트를 거쳐야 합니다.

(2) 직접 브레이징

직접 납땜(활성 금속 방식) 시에는 납땜할 세라믹 및 금속 공작물을 먼저 표면 세척한 후 조립합니다.

서로 다른 열팽창 계수로 인한 균열을 방지하기 위해 회전하는 버퍼 레이어(하나 또는 여러 개의 금속 시트)를 조인트 사이에 배치할 수 있습니다. 가능하면 납땜 재료는 두 공작물 사이 또는 납땜 재료로 채워진 틈새에 배치한 다음 기존의 진공 납땜과 유사하게 납땜해야 합니다.

직접 납땜에 Ag-Cu-Ti 납땜 재료를 사용하는 경우 진공 납땜 방법을 사용해야 합니다. 가열은 퍼니스의 진공도가 2.7×10-3Pa에 도달할 때 시작해야 합니다.

이 시점에서 급속 가열을 적용할 수 있지만, 온도가 납땜 재료의 융점에 가까워지면 조인트의 모든 부분에 균일한 온도 분포가 이루어지도록 천천히 가열해야 합니다.

납땜 재료가 녹으면 3~5분 동안 유지하면서 온도를 납땜 온도까지 빠르게 올려야 합니다. 냉각 시에는 700°C에 도달하기 전에 천천히 냉각해야 하며, 700°C 이후에는 자연 냉각을 허용할 수 있습니다.

Ti-Cu 활성 브레이징 재료를 사용한 직접 브레이징의 경우, 브레이징 재료는 Ti 분말이 포함된 Cu 호일 또는 Cu 성분이 포함된 Ti 호일 형태를 취할 수 있으며, 세라믹 표면에 Ti 분말을 도포한 후 Cu 호일을 추가할 수도 있습니다.

모든 금속 부품은 진공 상태에서 탈기해야 하며, 무산소 구리의 탈기 온도는 750-800°C, Ti, Nb, Ta 등의 경우 15분 동안 900°C에서 탈기해야 합니다. 이 단계의 진공도는 6.7×10보다 낮아서는 안 됩니다.^-3Pa.

납땜하는 동안 납땜할 부품을 고정 장치에 조립하고 진공로에서 900-1120°C 사이의 온도로 가열하고 2-5분의 유지 시간을 가져야 합니다. 전체 브레이징 공정에서 진공 압력은 6.7×10보다 낮아서는 안 됩니다.^-3Pa.

Ti-Ni 방법을 사용하는 납땜 공정은 납땜 온도가 900±10°C인 Ti-Cu 방법과 유사합니다.

(3) 산화물 브레이징 방법

산화물 브레이징 방식은 녹으면 유리상을 형성하는 산화물 브레이징 재료를 사용하여 세라믹에 침투하여 금속 표면을 적시므로 안정적인 연결을 달성할 수 있습니다. 이 방법은 세라믹과 세라믹 또는 세라믹과 금속을 접합하는 데 사용할 수 있습니다.

산화물 브레이징 재료의 주요 구성 요소는 Al₂O₃, CaO, BaO, MgO 및 B₂O₃, Y2O3, Ta₂O₃등 다양한 융점과 선형 팽창 계수를 가진 납땜 재료를 얻을 수 있습니다.

또한, 불소 브레이징 재료는 주로 CaF로 구성됩니다.₂ 와 NaF는 세라믹과 금속을 접합하는 데도 사용할 수 있어 고강도 및 내열성 접합을 제공합니다.