中低温金属化配方的研制及应用(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)陕西宝光陶瓷科技有限公司 作者:安百江

  讨论了在不使用二氧化锰及不熔炼玻璃相的前提下,确定以钼为主体,锰-铝-硅为三元玻璃相,添加一定添加剂改变性态的方式,研制了1380~1420℃的金属化配方,并成功应用于生产。降低了生产成本,在技术上增强了金属化膏剂工艺的稳定性及可控制性,质量上可提高产品的一致性。

  陶瓷金属化管壳主要用于陶瓷真空开关管产品,起绝缘和真空密封的作用。在世界范围内,真空开关具有独特优点,广泛应用于煤炭、铁路、石油、冶金、化工、输变电等行业中,也是国民经济发展中重
要的不可缺少的应用领域。基于目前我国电力发展的需要,电子陶瓷金属化产品特别是95-Al2O3陶瓷产品在近年来有了大量的发展。目前随着我国电力事业的发展,特别是中高压设备的普及,用于生产真空灭弧室的三大部件之一的陶瓷管壳目前在国内出现大量的需求,国内仍在进口大量的金属化陶瓷管壳。本研究通过大量的工厂实地试验,对95-Al2O3电子陶瓷金属化配方的设计思路及结果进行论述,供大家参考。

  就目前来说,所使用的金属化配方有以下几个特点:传统配方成分比较复杂;中低温金属化配方的个别原材料(如二氧化锰) 成本极高;金属化配方中硅酸锰的制备需要使用专用设备及器具,如:高频感应加热炉,高纯度石墨坩埚等,并且制备工艺非常复杂,过程难以用工艺量化从而做到有效的控制。因此,金属化配方的上述弱点,一直是制约金属化产品质量稳定的一个关键因素。

  在陶瓷金属化过程中经常遇到如下问题:金属化强度偏低,抗拉强度低,表面镍层起泡等问题,此不断研究提高金属化工艺水平,对于提高产品质量,促进真空电子器件的发展至关重要。从降低成本,增强技术的可控性以及质量的稳定性方面,应从以下几个方面进行考虑。

1、配方的确定

  目前所普遍采用的是Mo-Mn法为基础的金属化配方,其工艺流程如图1所示。

工艺流程图

图1  工艺流程图

  Mo粉是金属化层的主体,在金属化的过程中,Mo本身只有一定程度的烧结,在Mo粉中掺入适量的玻璃物质,会提高Mo的烧结密度,当玻璃质过多或成分不当时,Mo的烧结密度反而下降。另外,Mo粉的粗细,也是一个关键,根据烧结理论,当表面能提高,晶体缺陷加大会使其活性增加,从而降低烧结温度,并且可以提高封接强度。实际工艺中的Mo粉不可能是单一粒度,当Mo粉过细,也会给涂膏和封接强度带来影响。

  金属化涂层的厚度应该适当,金属化时玻璃相填充烧结Mo层的孔隙,若涂层太薄,金属化温度又高,则玻璃相就有可能到涂层表面,影响电镀Ni ,产生镍层起泡、强度降低等现象;若涂层太厚,而Mo层烧结不好,玻璃相未能填满Mo层孔隙,则容易造成漏气,使封接强度下降。一般认为,金属化与陶瓷的过渡区域是Mn与玻璃相的作用区域。当Mn的量提高,Mn离子与玻璃相作用并渗入到瓷中,当金属化层过厚,过渡区达到饱和状态,反而会带来不利影响。足够厚的过渡区是金属化层与瓷牢固粘结的重要条件,因此涂层应有适当的厚度。

  另外,需要考虑的是玻璃相,金属化层中的玻璃态物质,可能来自陶瓷,也可能来自金属化配方本身的玻璃熔体。玻璃相的粘度对封接有较大的影响,当粘度过高,需要提高金属化温度或延长保温时间,此时可以通过添加一定的活化剂来增加玻璃相的数量,同时可以降低玻璃相的粘度。在金属化层中,Mo不是分散独立的金属粉,玻璃相湿润整个Mo烧结体,可以说,玻璃相、Mo 和Al2O3三者的膨胀系数彼此接近,将有利于封接强度的提高。在实际生产中,金属化过程中玻璃相的成分一直是处于不平衡的状态,在升温时玻璃相会随时溶入其它氧化物,而在降温时又随时有不同的晶相析出。玻璃相在Mo上的润湿情况的变化要考虑Mo在露点提高时Mo被氧化以及随之发生的与玻璃相的作用。在对玻璃相含量相对较少的95 瓷进行金属化时,多半是在普通的Mo-Mn配方中添加一定的组分,使其在金属化条件下变成玻璃熔体,此熔体既要与95瓷很好的作用,又要对Mo层有很好的润湿。活化剂出现熔体的温度是选择配方的主要参考因素之一,可以借助于相图来调整活化剂的熔点,以期达到所需要的温度。

   从以上几个方面考虑,结合实际生产,本次探在不使用二氧化锰及不熔炼玻璃相的前提下,以钼为主体,锰-铝-硅为三元玻璃相,添加一定添加剂改变性态的方式,确定高温配方组成。配方的确定主要从以下几个方面入手:

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