Способ металлизации керамики

Союз Советскик Социал исти неси ив РеспублнкОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ пп 8338,84(51)М. Кл.з с присоединением заявки йо С 04 В 41/14(23) Приормтет -Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Физико-технический институт АН Белорусской ССР(54) СПОСОБ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КЕК 4 ИКИ Изобретение относится к нанесениюметаллических покрытий на керамические конструкционные материалы и можетбыть использовано во всех отрасляхпромышленности при металлизации керамики, в частности, перед пайкой приполучении металлокерамических соединений,Известен способ металлиэации ипайки керамики по активной технологии,при которой в припой вводится адгезионно-активный по отношению,к порложке металт, спо.обствующий растеканию припоя и его химическому взаимодействию с компонентами подложки, 15сопровождающемуся образованием впограничной зоне сложных растворовзамещения (11Однако для проведения этоо процесса требуется либо вакуум 10 мм рт. ст.,либо среда инертного газа, несодержащего кислород и пары. водыкислорода не более 0,0001 об.),Процесс обладает невысокой производительностью, так как требуется значительное время для межфазного химического взаимодействия. Кроме того,адгезионная прочность закрепления.металлизационного слоя на подложкеневелика. , 30 Известен способ ультразвуковой металлиэации в расплавах металлов керамических конструкционных ма - териалов. В этом способе детали размещают в расплавленном припое состава Лп 90+2 Еп 10 и СО 18 + 5 п 52 + + РЬ 30, куда вводят ультразвуковые колебания, Амплитуда колебаний составляет 2,5- 3 м время озвучивания 5- 20 с 21.Однако обладая значительной производительностью, этот способ обеспечивает сравнительно невысокую адгезионную прочность сцепления покрытия и подложки 0 = 150-200 кг/см . Кроме того, при работе ультразвукового волновода происходит его эроэионное разрушение и растворение в припое. В результате припой загрязняется материалом волновода, что существенно ухудшает характеристики попучаемых покрытий.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ ультразвуковой металлизации керамических материалов, заключающийся в размещении деталей в ванне с оловянным припоем, содержащим для улучшения технологических свойств покрытий цинк или кобальт, и воэбуждение в нем ультразвуковых колебаний 31,Однако данный способ ультразвуковой металлизации керамики не позволяет получить высокие значения адгезионной прочности сцепления покрытияи подложки из-за отсутствия сущестенного химического взаимодействияа межфазной границе, так как компоненты припоя малоактивны по отношениюк подложке.При работе ультразвуковой ванны 1 Опроисходит значительная ее эрозияи растворение в припое, что ухудшает характеристики покрытия. Крометого, из-за сильной неоднородностиакустического поля получение равномерных покрытий на деталях затруднительно. В процессе ультразвуковойметаллизации в такой ванне невозможно определить эффективную акустическую мощность и оптимальное время щоозвучивания.Цель изобретения - увеличение прочности сцепления металлопокрытия скерамикой и упрощение процесса.Поставленная цель достигаетсятем, что в способе металлизации керамики путем погружения в металлический расплав припоя керамическогоизделия, излучателя ультразвука споследующим возбуждением ультразвуковых колебаний, в расплав предварительно вводят 0,5-1,0 вес.Ъ металлаот веса расплава из группы. МЬ, Мо,Я, Т, 2 г, Сг, Са,а изделие размещают на расстоянии 0,5-2 мм от поверхности излучателя, причем последний выполнен из того же металла,который предварительно вводят врасплав.Начальная концентрация 0,5-1,0вводимого металла из группы МЬ, Мо, 40Я Т 1, 2 г, Сг, Са в расплаве необходима для реализации физико-химического взаимодействия фаз в ультразвуковом полев начале технологическогопроцесса металлизации. При концентрации активного элемента менее 0,5процесс металлизации нестабилен,имеет место значительный статистический разброс величины адгеэии. Превышение концентрации 1, приводящеек существенному охрупчиванию покрытия, возможно до 20, при этом пропорционально уменьшается технологическое время работы системы в режимеозвучивания, так как растворившийсяметалл волновода при этим переходит 55в расплав. Поэтому оптимальная начальная концентрация металла, обеспечивающая наибольшую производительность процесса металлизации, составляет 0,5-1 В. 60При введении ультразвука достаточной интенсивности кавитации и сопутствукщие ей явления существенно интенсифицируют физико-химическоевзаимодействие фаэ, способствуют 65 заполнению расплавом микротрещин и дефектов, усиливают диффузионную миграцию атомов расплава вглубь поцложки, образуя прочню адгезионную связь.При повышении температуры плавления расплава ускоряется растворение волновода, по которому вводится ультразвук. Этот отрицательный во всех других случаях ультразвуковой обработки расплавов эффект, приводящий к их загрязнению, в предлагаемом способе имеет положительное значение, так как волновод изготовлен иэ того же металла, который дополнительно вводят в расплав, и растворение его ведет к повышению концентрации вводимого элемента расплава, что в конечном счете способствует повышению адгезионной прочности покрытия и подложки.С уменьшением зазора Ю между излучателем и изделием эффективность процесса возрастает, так как при этом увеличивается интенсивность ультразвука в расплаве, контактирующем с изделием.Однако при зазорах д , приближаю. - щихся по величине к размерам кавитационных пузырьков (л 0,5 мм) в расплаве, активность кавитации начинает уменьшаться. Обусловлено это тем, что при малых Ю зазор представляет собой большое гидродинамическое сопротивление потоку жидкости. Подтекание жидкости к захлопывающемуся в зазоре кавитационному пузырьку затрудняется, что приводит к уменьшению скорости захлопыяания пузырьков, а в конечном счете и к уменьшению активности кавитации. Следовательно, уменьшается адгезионная прочность сцепления металла с подложкой. Поэтому уменьшать зазор менее 0,5 мм нецелесообразно.При зазорах более 2 мм акустическая энергия используется неэффективно, так как большая часть ее поглощается в кавитационной области, Кроме того, при малых зазорах адгеэионноактивный металл, растворяемый и эродируемый с торца волновода, концентрируется в зазоре и способствует увеличению адгезионной прочности покрытия, причем переход его в окружающий расплав уменьшается. Таким образом, увеличивается коэффициент полезного использования металла.При осуществлении процесса металлизации по данному способу происходит растворение в единицу времени определенной массы металла волновода в, которая переходит в расплав. Вместе с изделиемиз него удаляется масса активного металла а 4, При условии непрерыяного пополнейия расплава основным компонентом для поддержания постоянного уровня в ванне можно, подобрав определенный режим металли(0,1-0,4)МО 50 30 7 эации в зависимости от вида изделия,требований к величине адгезии и производительности, достичь равенствамасс щ 8ви . В этом случае металлрастворяемого волновода полностьюпереходит в покрытие изделий, а концентрация его в расплаве постоянна.Если скорость растворения волноводабольше скорости удаления металла,то концентрация его увеличивается, авместе с ней увеличивается и адгезионная прочность сцепления покрытия.Для обеспечения стабильной работыультразвукового волновода в резонансном режиме необходима обратная акустическая связь, легко реализуемая,например, на серийных магнитострикционных преобразователях ПМСАВи генераторах УЗГ-10 или УЗГ-22.ультразвуковую металлизацию проводят, например, на алюмооксиднойкерамике 22,КС твердым медно-оловянным Щприпоем (75 Сц + 25 5 п) в присутствии МЬ, Мо, И, Т(, Р.г, Сг, Са,излучатели изготавливают также изэтих металлов, причем с целью повышения растворимости укаэанных метал-.лов при приготовлении расплава припоя на основе олова вводят М(, который не является активным металломпо отношению к подложке,Наиболее технологичным из перечисленных элементов является титан,который вводят в указанный припойв требуемом количестве с целью увеличения адгеэионной прочности,Процесс металлизации проводят вспециальной герметичной камере, откачивемой первоначально до давления10 мм рт.ст. и заполняемой затемосушенным аргоном. Керамический образец, размещенный на специальном40держателе, устанавливают с зазором1 мм по отношению к рабочей поверхности волновода, изготовленного из титанового сплава ВТ, и погружают в тигель с. расплавленным припоем. После прогрева образца в течение 5-10 с включают ультразвуковые колебания, возбуждаемые в магнитостриК- ционном преобразователе ПИСАВ с помощью генератора УЗГ-10. Амплитуду колебаний 10-15 мкм поццерживают постоянной с помощью обратной акустической связи. Температура припоя - 750 пС, время озвучивания мин.В указанной металлизации величина адгезионной связи, определяемая на адгеэиометре по методу нормального отрыва со скоростью 25 мм/мин, при отсутствии в сплаве титана составляет в среднем 100-140 кг/см . Приф добавлении 0,1-0,2 Т( величина адгезионной связи существенно увеличивается до 180-320 кг/см за счет интенсивного химического взаимодействия в ультразвуковом поле на границе раздела фаз с образованием окислов титана. Но при данной концентрации и режиме процесс нестабилен, имеет место значительный статистический разброс величины адгезии.Оптимальная начальная концентрация активного металла составляет 0,5-1. При этом величина адгезион". ной прочности покрытия и подложки 450-550 кг/см.Для сравнения эффективности предлагаемого способа с известным проводят металлизацию керамики в ультразвуковом поле, В этом случае волновод изготовляют из ниобиевого сплава ВН, а в припой не вводят металл. Время озвучивания составляет 1,5 мин, Величина адгезионной связи покрытия и подложки 80-135 кг/смт.е. в 3-4 раза меньше связи, достигаемой по предлагаемому способу.Сравнительные результаты представлены в таблице.+(0,5-1)Ж Ч 125-190 15 5-8 320-390 15 5"8 Составитель С. ШахиджановаТехред М. Коштура Редактор М. Ткач Корректор М. Коста Заказ 3927/35 Тираж 660 ВНИИПИ, Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Подписное филиал ППП фПатент",г . Ужгород, ул. Проектная, 5 5Износ волновода при температуре и акустическом режиме за время суммарной работы 25 мин составляет 0,4 мм, что в пересчете на массу составляетмВ - -рЕ. д: 4,5 3141 0,04=0,56 г, где Я = 4,5 г/см - плотность титана,3г - радиус волновода;д = 0,02 см - износ волновода. эрозионный износ волновода для 25 ниобия составляет 0,25-0,50 г/ч, для молибдена 0,08-0,2 г/ч, для вольфрама 1,2-1,4 г/ч.Таким образом, производительность ультразвуковой металлиэации по предлагаемому способу в 4-5 раз выше по сравнению, например, с обычной металлизацией по активной технологии, при которой необходима тщательная очистка поверхности подложки и выдерживание 35 ее в расплаве 2,5-3,5, а по сравнению с известным способом в 1,2-1,5 раза. При этом прочность сцепления покрытия и изделия также существеннд увеличивается.формула изобретения 40Способ металлиэации керамики путем погружения в металлический расплав поипоя керамического изделия, излучателя ультразвука с последующим возбуждением ультразвуковых колебаний,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью увеличения прочности сцепления металлопокрытия с керамикой иупрощения процесса, в расплдв предварительно вводят 0,5-1,0 вес. металла от веса расплава из группы:МЬ, Мо, Ч, Т 1, Ег, Сг, Са, а изделиеразмещают на расстоянии 0,5-2 ммот поверхности излучателя, причемпоследний выполнен из того же металла, который предварительно вводятв расплав. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе