Váš odborník na inovativní systémy spojování keramiky s kovem:
Keramicko-kovový kompozit
Abychom porozuměli složitosti keramicko-kovového kompozitu, je nejen důležité znát nejdůležitější vlastnosti materiálu, ale také mít základní znalosti o různých materiálech. Na rozdíl od kovů, keramika nahrazuje termín pevnost materiálu termínem pravděpodobnosti zlomení.
Čím větší je objem keramické složky při tahovém zatížení, tím vyšší je pravděpodobnost lomu. To lze odůvodnit, protože pravděpodobnost kritických vad materiálu se zvyšuje s velikostí komponenty. Kromě pravidla, že keramické komponenty musí být vystaveny stlačování a nikoli tahu, je důležité, aby koeficienty tepelné roztažnosti keramických materiálů se výrazně lišily od koeficientů kovů. To je třeba vzít v úvahu při navrhování kompozitních systémů, a to jak s ohledem na tepelnou roztažnost při maximální provozní teplotě, tak pro proces spojování. Příklad by měl ukázat, které rozhodující rozdíly mohou nastat se zvyšováním teploty.
Čím větší je objem keramické složky při tahovém zatížení, tím vyšší je pravděpodobnost lomu. To lze odůvodnit, protože pravděpodobnost kritických vad materiálu se zvyšuje s velikostí komponenty. Kromě pravidla, že keramické komponenty musí být vystaveny stlačování a nikoli tahu, je důležité, aby koeficienty tepelné roztažnosti keramických materiálů se výrazně lišily od koeficientů kovů. To je třeba vzít v úvahu při navrhování kompozitních systémů, a to jak s ohledem na tepelnou roztažnost při maximální provozní teplotě, tak pro proces spojování. Příklad by měl ukázat, které rozhodující rozdíly mohou nastat se zvyšováním teploty.
Keramické kovové pojivo
Objímka vyrobená z keramiky Al2O3 se spojuje s kovovou hřídelí pomocí uložení. Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) keramiky Al2O3 (99,7%) s α = 7,3 * 10-6 / K se výrazně liší od CTE z nerezové oceli 1.4571 s a = 16,5 * 10-6 / K. S průměrem D = 50 mm ocelového hřídele a zvýšením teploty o 100 K se získá expanze o 50 mm * (16,5 * 10-6 / K) * 100 K = 0,083 mm.
U pouzdra Al2O3 je rozpětí 50 mm * (7,3 * 10-6 / K) * 100 K = 0,037 mm. Pokud je spojení provedeno jako těsné uložení, větší roztažení kovového hřídele by způsobilo zlomení keramického pouzdra. Tento design proto není vhodný pro keramiku.
Příkladem vhodného kompozitu keramika-kov je lisovací spojení mezi keramickým jádrem a kovovým pouzdrem. Aby bylo možné pouzdro zasunout přes nadměrnou keramickou tyč, musí se kov zahřát. Když zchladne, lisovací spojení se vytvoří smrštěním na keramiku. Protože keramické materiály mohou velmi dobře absorbovat tlakové síly, je tento konstrukční princip v zásadě vhodný pro výrobu keramicko-kovového kompozitu.
U pouzdra Al2O3 je rozpětí 50 mm * (7,3 * 10-6 / K) * 100 K = 0,037 mm. Pokud je spojení provedeno jako těsné uložení, větší roztažení kovového hřídele by způsobilo zlomení keramického pouzdra. Tento design proto není vhodný pro keramiku.
Příkladem vhodného kompozitu keramika-kov je lisovací spojení mezi keramickým jádrem a kovovým pouzdrem. Aby bylo možné pouzdro zasunout přes nadměrnou keramickou tyč, musí se kov zahřát. Když zchladne, lisovací spojení se vytvoří smrštěním na keramiku. Protože keramické materiály mohou velmi dobře absorbovat tlakové síly, je tento konstrukční princip v zásadě vhodný pro výrobu keramicko-kovového kompozitu.
Keramicko-kovový kompozit (šroubové spojení)
Nejobvyklejším pozitivním spojením je šroubové spojení. Toho lze dosáhnout také pomocí keramických materiálů. Při pokojové teplotě lze kovové podpěry vnějšího závitu snadno přišroubovat do keramického vnitřního závitu.
Vnější vlákna v keramice však představují v keramice dlouhý zářez nebo prasklinu. Proto, pokud je to možné, by poloměr v základně zářezu měl být co největší, aby se snížilo riziko předem stanoveného bodu zlomu. Dává to větší smysl a obvykle je také výhodnější, pokud lze konstrukci přizpůsobit do té míry, že lze použít standardní kovové šrouby nebo mohou být do keramiky nalepeny nebo pájeny pouzdra s kovovými závity.
Vnější vlákna v keramice však představují v keramice dlouhý zářez nebo prasklinu. Proto, pokud je to možné, by poloměr v základně zářezu měl být co největší, aby se snížilo riziko předem stanoveného bodu zlomu. Dává to větší smysl a obvykle je také výhodnější, pokud lze konstrukci přizpůsobit do té míry, že lze použít standardní kovové šrouby nebo mohou být do keramiky nalepeny nebo pájeny pouzdra s kovovými závity.
Keramicko-kovový kompozit (lepení)
Organická lepidla lze rozdělit do dvou tříd. U chemicky reagujících adheziv je nastavení dosaženo polymerací, polyadicí nebo polykondenzací reakčních typů. V závislosti na typu reakce se rozlišuje také mezi studeným a teplým vytvrzováním a také jedno nebo dvoukomponentními systémy. S fyzikálně tuhnoucími lepidly se rozpouštědlo odpařuje a základní materiály vytvrzují.
Lepidla na bázi epoxidové pryskyřice se ukázala jako velmi účinná pro lepení kompozitů z keramických kovů. Vyznačují se následujícími vlastnostmi:
Lepené spoje by měly být prováděny pouze při namáhání střihem, tahem nebo tlakem a je třeba se vyhnout ohybovým zatížením. Je důležité důkladně očistit a aktivovat povrchy lepidla chemicky nebo mechanicky. Je však třeba poznamenat, že adhezivní vazby s organickými adhezivy podléhají procesu stárnutí a obecně by neměly být trvale zahřívány nad 150 ° C.
Lepené kovokeramické kompozitní komponenty nejsou vhodné pro použití ve vakuové technologii z důvodu trvalého odplyňování.
Lepidla na bázi epoxidové pryskyřice se ukázala jako velmi účinná pro lepení kompozitů z keramických kovů. Vyznačují se následujícími vlastnostmi:
- dobré mechanické vlastnosti
- dobrá chemická odolnost
- nízké smrštění během vytvrzování
- Vhodné také pro větší mezery lepidla díky použití plniv
- jednoduché připojení různých materiálů
Lepené spoje by měly být prováděny pouze při namáhání střihem, tahem nebo tlakem a je třeba se vyhnout ohybovým zatížením. Je důležité důkladně očistit a aktivovat povrchy lepidla chemicky nebo mechanicky. Je však třeba poznamenat, že adhezivní vazby s organickými adhezivy podléhají procesu stárnutí a obecně by neměly být trvale zahřívány nad 150 ° C.
Lepené kovokeramické kompozitní komponenty nejsou vhodné pro použití ve vakuové technologii z důvodu trvalého odplyňování.
Kovokeramický a keramicko-keramický kompozit (pájení se skleněnými pájkami)
Skleněné pájky mohou být použity pro plynotěsné spojení keramických komponent a také například platino-keramických kompozitních komponent. Tento spojovací proces se vyznačuje dobrou chemickou odolností a provozními teplotami až do cca. 1 000 ° C, v závislosti na skleněné pájce. Pro spojení se skleněnou pájkou není nutná atmosféra ochranného plynu ani metalizace keramiky.
Keramicko-kovový kompozit (svařované kovovými pájkami)
Standardním procesem spojování v Alumina Systems pro výrobu kovokeramických kompozitních komponent je pájení keramiky na kovy. Při pájení atomy difundují z pájky do mřížky materiálu a při pájení kovů také atomy materiálu difundují do struktury pájky. Pod zvlhčovacím povrchem se vytvoří víceméně výrazná difúzní zóna. Na rozdíl od svařování zůstává materiál v pevném stavu.
Počet možných spojovacích partnerů mezi keramikou a kovem je výrazně omezen různými koeficienty tepelné roztažnosti materiálů. Čím větší je rozdíl koeficientu tepelné roztažnosti mezi keramikou a kovem a pájkou, tím vyšší je složená napětí, která vznikají, když se pájený spoj ochlazuje.
Existují dva různé způsoby pájecí keramiky:
Počet možných spojovacích partnerů mezi keramikou a kovem je výrazně omezen různými koeficienty tepelné roztažnosti materiálů. Čím větší je rozdíl koeficientu tepelné roztažnosti mezi keramikou a kovem a pájkou, tím vyšší je složená napětí, která vznikají, když se pájený spoj ochlazuje.
Existují dva různé způsoby pájecí keramiky:
- Pasivní pájení keramiky
- Aktivní pájení keramiky
1. Pasivní pájení keramiky
Aby se zajistilo dostatečné smáčení pájky na keramice, je nutné keramický povrch předem metalizovat. Za tímto účelem se MoMn (molybden, mangan) nebo WMn (wolfram, mangan) nanáší sítotiskem a vypaluje při cca. 1400 ° C ve formovacím plynu (5% vodíku, 95% dusíku).
Tato vrstva má dvě funkce. Sklo obsahující Mn se kombinuje s keramikou Al2O3. Kovové částice Mo ve skle tvoří spojení s kovem. Po roztavení se kovová vrstva galvanicky nikluje. Ni má také několik funkcí. Chrání metalizaci proti korozi a umožňuje dobrou smáčitelnost kovovou pájkou.
V závislosti na kovovém partnerovi dochází k pasivnímu pájení keramiky pod redukční atmosférou nebo ve vakuu. Nejběžnější pasivní pájky jsou založeny na eutektice ze stříbra a mědi.
Tato vrstva má dvě funkce. Sklo obsahující Mn se kombinuje s keramikou Al2O3. Kovové částice Mo ve skle tvoří spojení s kovem. Po roztavení se kovová vrstva galvanicky nikluje. Ni má také několik funkcí. Chrání metalizaci proti korozi a umožňuje dobrou smáčitelnost kovovou pájkou.
V závislosti na kovovém partnerovi dochází k pasivnímu pájení keramiky pod redukční atmosférou nebo ve vakuu. Nejběžnější pasivní pájky jsou založeny na eutektice ze stříbra a mědi.
2. Aktivní pájení keramiky
Druhou možností pájení keramiky je použití tzv. Aktivních pájek. Ty obsahují např. titan, zirkonium nebo hafnium jako reaktivní složky. Aktivní pájky se kombinují s keramikou i bez metalizace. Ve srovnání s pasivními pájkami však aktivní pájky na keramickém povrchu stěží tečou. To znamená, že se nevytvoří žádný pájený filet, což je příznivé pro pevnost spoje. I když se zdá pájení bez metalizace příznivější, pro aktivní pájení je vyžadována vysokoteplotní vakuová nebo inertní plynová pec.
Aby byla zaručena optimální pájecí mezera během pájení, mohou být kov a keramika během procesu pájení jen mírně tepelně roztaženy. Proto se pro pájení s Al2O3 používají hlavně slitiny železa a niklu, jako je Ni42 (1.3917) nebo Kovar (NiCo2918 = 1,3981). Zde je rozdíl koeficientu tepelné roztažnosti na Al2O3 při pokojové teplotě relativně malý. Tím se generuje pouze nízké složené napětí. Tím je dosaženo vysoké reprodukovatelné pevnosti kovokeramického kompozitu více než 200 MPa.
Tyto slitiny železa a niklu lze v dalších procesech velmi dobře svařovat s nerezovými ocelemi. To otevírá velké množství aplikačních polí pro keramicko-kovové kompozitní komponenty.
Aby byla zaručena optimální pájecí mezera během pájení, mohou být kov a keramika během procesu pájení jen mírně tepelně roztaženy. Proto se pro pájení s Al2O3 používají hlavně slitiny železa a niklu, jako je Ni42 (1.3917) nebo Kovar (NiCo2918 = 1,3981). Zde je rozdíl koeficientu tepelné roztažnosti na Al2O3 při pokojové teplotě relativně malý. Tím se generuje pouze nízké složené napětí. Tím je dosaženo vysoké reprodukovatelné pevnosti kovokeramického kompozitu více než 200 MPa.
Tyto slitiny železa a niklu lze v dalších procesech velmi dobře svařovat s nerezovými ocelemi. To otevírá velké množství aplikačních polí pro keramicko-kovové kompozitní komponenty.