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Soldadura fuerte de cerámica y metales: Explicación

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1. Características de la soldadura fuerte

La soldadura fuerte de cerámica con cerámica o de cerámica con componentes metálicos puede ser todo un reto. La mayoría de los metales de aportación para soldadura fuerte forman formas esféricas en la superficie cerámica, lo que provoca una humectación deficiente o nula.

Los metales de aportación para soldadura fuerte que pueden humedecer la cerámica tienden a formar diversos compuestos frágiles en la interfaz de la unión (como carburos, siliciuros y compuestos ternarios o multicomponentes), que afectan a las propiedades mecánicas de la unión.

Además, debido a las importantes diferencias en los coeficientes de dilatación térmica entre cerámicas, metales y metales de aportación para soldadura fuerte, tensión residual puede existir en la unión tras el enfriamiento desde la temperatura de soldadura hasta la temperatura ambiente, lo que puede provocar el agrietamiento de la unión.

El uso de metales de aportación activos para soldadura fuerte, creados mediante la adición de elementos metálicos reactivos a los metales de aportación convencionales, puede mejorar la humectación de las superficies cerámicas. El empleo de soldadura fuerte a baja temperatura y corta duración puede reducir el impacto de las reacciones de interfaz.

El diseño de configuraciones de unión adecuadas y la utilización de una o varias capas metálicas como capas intermedias pueden ayudar a minimizar la tensión térmica en la unión.

Soldadura fuerte de metales de aportación La soldadura fuerte de cerámica con metales se realiza normalmente en un horno de vacío, en atmósfera de hidrógeno o de argón. Los metales de aportación de soldadura fuerte para sellar dispositivos electrónicos de vacío tienen requisitos específicos adicionales, además de las características generales.

Por ejemplo, el metal de aportación no debe contener elementos que generen altas presiones de vapor para evitar problemas como fugas dieléctricas e intoxicación catódica en los dispositivos. Por lo general, se especifica que la presión de vapor del metal de aportación durante el funcionamiento del dispositivo no debe superar los 10-3Pa, y el contenido de impurezas de alta presión de vapor debe estar comprendido entre 0,002% y 0,005%.

El contenido de oxígeno del metal de aportación (W(o)) no debe ser superior a 0,001% para evitar la generación de vapor de agua durante la soldadura fuerte en una atmósfera de hidrógeno, lo que podría provocar salpicaduras del metal de aportación fundido para soldadura fuerte. Además, el metal de aportación debe estar limpio y no presentar óxidos superficiales.

Cuando se sueldan cerámicas después de la metalización, se pueden utilizar aleaciones de metales de aportación para soldadura fuerte, como cobre (Cu), níquel (Ni), plata-cobre (Ag-Cu) y oro-cobre (Au-Cu). Cuando se sueldan directamente cerámicas con metales, se utilizan metales de aportación que contengan elementos reactivos como titanio (Ti) y circonio (Zr).

Entre los metales de aportación binarios para soldadura fuerte, Ti-Cu y Ti-Ni se utilizan comúnmente y pueden emplearse dentro de la gama de 1100℃. Entre los metales de aportación ternarios para soldadura fuerte, el Ag-Cu-Ti (con un contenido de (W)Ti inferior a 5%) se utiliza con frecuencia para la soldadura fuerte directa de diversos materiales cerámicos con metales.

Este sistema ternario puede utilizarse con lámina, polvo o metal de aportación eutéctico Ag-Cu combinado con polvo de Ti. El metal de aportación para soldadura fuerte B-Ti49Be2 presenta una resistencia a la corrosión similar a la del acero inoxidable y tiene una presión de vapor más baja, por lo que es una opción preferible para uniones selladas al vacío que requieren oxidación y prevención de fugas.

En el sistema Ti-V-Cr, la adición de Cr reduce eficazmente el intervalo de temperaturas de fusión, alcanzándose la temperatura de fusión más baja a 30% W(V). El metal de aportación para soldadura fuerte B-Ti47,5Ta5, sin Cr, se ha utilizado para la soldadura fuerte directa de alúmina y magnesia, permitiendo que la unión funcione a una temperatura ambiente de 1000℃. En la Tabla 14 se muestran las cargas activas de soldadura fuerte para la unión directa de cerámica con metales.

Tabla 14. Masillas activas para la soldadura fuerte de cerámica y metal

Soldadura composición del material (fracción de masa)
(%)-
Temperatura de soldadura
(°C)-
Aplicaciones y materiales de unión
B-Ag69Cu26Ti5850~880Cerámica-Cu, Ti, Nb, etc.
B-Ag85Ti151000Óxido cerámico-Ni, Mo, etc.
B-Ag85Zr151050Óxido cerámico-Ni, Mo, etc.
B-Cu70Ti30900~1000Cerámica-Cu, Ti, metales refractarios, etc.
B-Ni83Fe171500~1675Cerámica-Ta (resistencia de la junta 140MPa)
B-Ti92Cu8820~900Cerámica-metal
B-Ti75Cu25900~950Cerámica-metal
B-Ti72Ni281140Cerámica-cerámica, cerámica-metal, cerámica-grafito
B-Ti50Cu50980~1050Cerámica-metal
B-Ti49Cu49Be21000Cerámica-metal
B-Ti48Zr48Be41050Cerámica-metal
B-Ti68Ag28Be41040Cerámica-metal
B-Ti47,5Zr47,5Ta51650~2100Cerámica-tántalo
B-Zr75Nb19Be61050Cerámica-metal
B-Zr56V28Ti161250Cerámica-metal

2. Tecnología de soldadura fuerte

Las cerámicas premetalizadas pueden soldarse en entornos de gas inerte de gran pureza, hidrógeno o vacío. Cuando se sueldan directamente cerámicas no metalizadas, suele recomendarse la soldadura al vacío.

(1) Generalidades Proceso de soldadura fuerte para cerámica y metales

(1) El proceso general de soldadura fuerte para cerámica y metales puede dividirse en siete pasos: limpieza de la superficie, aplicación de la pasta, metalización de las superficies cerámicas, niquelado, soldadura fuerte e inspección posterior a la soldadura fuerte.

La limpieza de superficies se realiza para eliminar manchas de aceite, marcas de sudor y películas de óxido de la superficie del material base. Las piezas metálicas y el material de soldadura fuerte deben desengrasarse y, a continuación, tratarse con ácido o álcali para eliminar las películas de óxido, enjuagarse con agua corriente y secarse.

Las piezas de alta calidad deben someterse a un tratamiento térmico a una temperatura y duración adecuadas en un horno de vacío o de hidrógeno (también puede utilizarse el bombardeo iónico) para purificar la superficie de la pieza.

Las piezas limpiadas no deben entrar en contacto con objetos aceitosos ni con las manos desnudas y deben pasar inmediatamente al proceso siguiente o colocarse en un dispositivo de secado, evitando la exposición prolongada al aire.

Las piezas cerámicas deben limpiarse con acetona mediante limpieza ultrasónica, enjuagarse con agua corriente y, por último, hervirse dos veces en agua desionizada durante 15 minutos cada vez.

La aplicación de la pasta es un paso crucial en la metalización de la cerámica. Consiste en aplicar la pasta sobre la superficie cerámica que se va a metalizar utilizando un pincel o un aplicador de pasta.

El grosor del revestimiento suele oscilar entre 30 y 60 micrómetros, y la pasta suele estar compuesta de polvo metálico puro con un tamaño de partícula de aproximadamente 1-5 micrómetros (a veces con la adición de óxidos metálicos adecuados) y un aglutinante orgánico.

A continuación, las piezas cerámicas con pasta aplicada se colocan en un horno de hidrógeno y se sinterizan a una temperatura de 1300-1500°C durante 30-60 minutos utilizando hidrógeno húmedo o amoniaco craqueado. En el caso de las piezas cerámicas con hidruros aplicados, deben calentarse a unos 900°C para descomponer el hidruro y que reaccione con el metal puro o el titanio (o circonio) residual en la superficie cerámica para obtener un recubrimiento metálico.

En el caso de la capa de metalización Mo-Mn, para favorecer la humectación con el material de soldadura fuerte, se galvanoplastia o se recubre con polvo de níquel una capa de níquel de 1,4-5 micrómetros de espesor. Si la temperatura de soldadura es inferior a 1000°C, la capa de níquel también debe someterse a una sinterización previa en un horno de hidrógeno a una temperatura y un tiempo de 1000°C/15-20 minutos.

Las cerámicas tratadas se tratan como piezas metálicas y se ensamblan con moldes de acero inoxidable, grafito o cerámica para formar un conjunto. El material de soldadura fuerte se aplica en la unión, y la pieza debe mantenerse limpia durante toda la operación, evitando tocarla con las manos desnudas.

La soldadura fuerte se realiza en un horno de gas argón, hidrógeno o vacío. La temperatura de soldadura depende del material de soldadura y, para evitar el agrietamiento de la cerámica, la velocidad de enfriamiento no debe ser demasiado rápida. Además, se puede aplicar cierta presión durante la soldadura fuerte (aproximadamente 0,49-0,98MPa).

Tras la soldadura fuerte, las piezas soldadas deben someterse a una inspección de calidad de la superficie, así como a pruebas de choque térmico y rendimiento mecánico. Los componentes de sellado utilizados en dispositivos de vacío también deben someterse a pruebas de estanqueidad según la normativa pertinente.

(2) Soldadura directa

Durante la soldadura directa (método del metal activo), las piezas de cerámica y metal que se van a soldar se someten primero a una limpieza superficial y después se ensamblan.

Para evitar el agrietamiento debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica, una capa tampón giratoria (una o múltiples chapas metálicas) entre las juntas. Siempre que sea posible, el material de soldadura fuerte se colocará entre las dos piezas o en los huecos rellenados con material de soldadura fuerte y, a continuación, se soldará de forma similar a la soldadura fuerte en vacío convencional.

Cuando se utiliza material de soldadura fuerte Ag-Cu-Ti para soldadura directa, debe emplearse el método de soldadura fuerte al vacío. El calentamiento debe iniciarse cuando el grado de vacío en el horno alcance 2,7×10-3Pa.

En este punto, puede aplicarse un calentamiento rápido; sin embargo, cuando la temperatura se aproxime al punto de fusión del material de soldadura fuerte, deberá calentarse lentamente para garantizar una distribución uniforme de la temperatura en todas las partes de la unión.

Una vez fundido el material de soldadura fuerte, la temperatura debe elevarse rápidamente hasta la temperatura de soldadura fuerte, con un tiempo de mantenimiento de 3 a 5 minutos. Durante el enfriamiento, debe realizarse un enfriamiento lento antes de llegar a 700°C, mientras que después de 700°C puede permitirse un enfriamiento natural.

Para la soldadura directa con material de soldadura activo Ti-Cu, el material de soldadura puede adoptar la forma de lámina de Cu con polvo de Ti o componente de Cu con lámina de Ti, o puede aplicarse polvo de Ti a la superficie cerámica seguido de la adición de lámina de Cu.

Todas las piezas metálicas deben desgasificarse en vacío, siendo la temperatura de desgasificación para el cobre libre de oxígeno de 750-800°C, y para el Ti, Nb, Ta, etc., la temperatura de desgasificación debe ser de 900°C durante 15 minutos. El grado de vacío en esta fase no debe ser inferior a 6,7×10-3Pa.

Durante la soldadura fuerte, los componentes que se van a soldar deben montarse en una fijación y calentarse en un horno de vacío a una temperatura entre 900-1120°C, con un tiempo de mantenimiento de 2-5 minutos. Durante todo el proceso de soldadura fuerte, la presión de vacío no debe ser inferior a 6,7×10-3Pa.

El proceso de soldadura fuerte mediante el método Ti-Ni es similar al método Ti-Cu, siendo la temperatura de soldadura fuerte de 900±10°C.

(3) Método de soldadura de óxido

El método de soldadura de óxido utiliza material de soldadura de óxido que forma una fase vítrea cuando se funde, lo que le permite infiltrarse en la cerámica y humedecer el superficie metálicaDe este modo se consiguen uniones fiables. Este método puede utilizarse para unir cerámica con cerámica o cerámica con metales.

Los principales componentes de los materiales de soldadura de óxido son el Al2O3CaO, BaO, MgO, y la adición de B2O3Y2O3, Ta2O3etc. pueden producir materiales de soldadura fuerte con diversos puntos de fusión y coeficientes de dilatación lineal.

Además, los materiales de soldadura de fluoruro compuestos principalmente de CaF2 y el NaF también pueden utilizarse para unir cerámica y metales, proporcionando uniones de alta resistencia y termorresistentes.

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