Az innovatív kerámia-fém integrációs rendszer szakértője:
Kerámia-fém kompozit
A kerámia-fém kompozitok összetettségének megértése érdekében nemcsak a legfontosabb anyagi tulajdonságainak megértése, hanem a különböző anyagok alapvető megértése is. A fémekkel ellentétben a kerámiák az anyag szilárdságát a törés valószínűségével helyettesítik.
Minél nagyobb a kerámia tag térfogata a szakítószilárdság alatt, annál nagyobb a törés valószínűsége. Ez akkor indokolt, ha az anyagban lévő kritikus hiba valószínűsége nő a komponens méretével. Az is fontos, hogy a kerámiatestek hőtágulási együtthatója lényegesen különbözik a fém hőtágulási együtthatójától, kivéve azt a szabályt, hogy a kerámia komponenseknek inkább a préselésnek kell alávetni, mint a nyújtásnak. Ezt figyelembe kell venni egy kompozit rendszer tervezésénél, függetlenül attól, hogy a hőtágulás a legmagasabb üzemi hőmérsékleten vagy a csatlakozási folyamat során van-e. Egy példának meg kell mutatnia, hogy mely döntő különbségek fordulnak elő, ahogy a hőmérséklet nő.
Minél nagyobb a kerámia tag térfogata a szakítószilárdság alatt, annál nagyobb a törés valószínűsége. Ez akkor indokolt, ha az anyagban lévő kritikus hiba valószínűsége nő a komponens méretével. Az is fontos, hogy a kerámiatestek hőtágulási együtthatója lényegesen különbözik a fém hőtágulási együtthatójától, kivéve azt a szabályt, hogy a kerámia komponenseknek inkább a préselésnek kell alávetni, mint a nyújtásnak. Ezt figyelembe kell venni egy kompozit rendszer tervezésénél, függetlenül attól, hogy a hőtágulás a legmagasabb üzemi hőmérsékleten vagy a csatlakozási folyamat során van-e. Egy példának meg kell mutatnia, hogy mely döntő különbségek fordulnak elő, ahogy a hőmérséklet nő.
Kerámia fémkötő
Az Al2O3 kerámiából készült burkolatot össze kell kötni a fém tengellyel. Az Al2O3 kerámiák hőtágulási együtthatója (99,7%) 7,3 × 10-6/K, ami szignifikánsan különbözik a rozsdamentes acél 1,4571 hőtágulási együtthatójától (16,5 × 10-6/K).Ha az acél tengely átmérője D = 50 mm, és a hőmérséklet-emelkedés 100 K, a terjeszkedés 16,5 mmm.
Az Al2O3 hüvely esetében a tágulási mennyiség 50 mm * (7,3 * 10-6/K) * 100K = 0,037 mm. Ha a csatlakozást úgy tervezték, hogy szorosan illeszkedjen, a fém tengely nagyobb kiterjedése miatt a kerámia hüvely megszakad. Ezért ez a design nem alkalmas kerámiákra.
A megfelelő kerámia-fém kompozit anyag példája a kerámia mag és a fém burkolat közötti krimpelés. Ahhoz, hogy a hüvelyt egy túlméretezett kerámia rúdra tolja, a fémt fel kell melegíteni. Hűtés közben egy krimpelés alakul ki, amely a kerámiára zsugorodik. Mivel a kerámia anyagok jól felszívják a nyomóerőt, ez a tervezési elv elvben alkalmazható kerámia-fém kompozitok előállítására.
Az Al2O3 hüvely esetében a tágulási mennyiség 50 mm * (7,3 * 10-6/K) * 100K = 0,037 mm. Ha a csatlakozást úgy tervezték, hogy szorosan illeszkedjen, a fém tengely nagyobb kiterjedése miatt a kerámia hüvely megszakad. Ezért ez a design nem alkalmas kerámiákra.
A megfelelő kerámia-fém kompozit anyag példája a kerámia mag és a fém burkolat közötti krimpelés. Ahhoz, hogy a hüvelyt egy túlméretezett kerámia rúdra tolja, a fémt fel kell melegíteni. Hűtés közben egy krimpelés alakul ki, amely a kerámiára zsugorodik. Mivel a kerámia anyagok jól felszívják a nyomóerőt, ez a tervezési elv elvben alkalmazható kerámia-fém kompozitok előállítására.
Kerámia-fém kompozit (menetes csatlakozás)
A leggyakoribb nem pozitív kapcsolat menetes csatlakozás. Ezt kerámia anyagokkal is elérhetjük. Szobahőmérsékleten a fém külső menetes konzol könnyen csavarható a kerámia belső menetébe.
A kerámia külső menete azonban hosszú bemetszést vagy repedést jelent a kerámiában. Ezért, ha lehetséges, a horony alapjának sugara a lehető legnagyobb legyen, hogy csökkentse az előre meghatározott töréspont kockázatát. Jelentősebb és általában előnyösebb, ha a szerkezet olyan mértékben állítható be, hogy egy szabványos fémcsavar használható, vagy egy fémmenetes perselyt lehet ragasztani vagy hegeszteni egy kerámiába.
A kerámia külső menete azonban hosszú bemetszést vagy repedést jelent a kerámiában. Ezért, ha lehetséges, a horony alapjának sugara a lehető legnagyobb legyen, hogy csökkentse az előre meghatározott töréspont kockázatát. Jelentősebb és általában előnyösebb, ha a szerkezet olyan mértékben állítható be, hogy egy szabványos fémcsavar használható, vagy egy fémmenetes perselyt lehet ragasztani vagy hegeszteni egy kerámiába.
Kerámia-fém kompozit (kötés)
A szerves ragasztók két kategóriába sorolhatók. Kémiai reakcióragasztók esetében a kikeményedést reakció típusú polimerizációval, polimerizációval vagy polikondenzációval érik el. A reakció típusától függően a hideg kikeményedés és a hőkezelés, valamint az egykomponensű vagy kétkomponensű rendszerek is megkülönböztethetők. Használjon fizikailag kikeményedő ragasztót, oldószeres bepárlást és szubsztrátum kikeményedését.
Az epoxigyanta alapú ragasztók nagyon hatásosnak bizonyultak a kerámia-fém kompozit elemek ragasztásához. A következő jellemzőkkel bírnak:
A ragasztott ízületeket csak nyíró-, húzó- vagy nyomóterhelés alatt kell előállítani, és a hajlítóterhelést el kell kerülni. Fontos, hogy alaposan tisztítsuk és aktiváljuk a ragasztott felületet kémiai vagy mechanikai módszerekkel. Meg kell azonban jegyezni, hogy a szerves ragasztókhoz való tapadás öregítési folyamaton megy keresztül, és általában nem szabad 150 ° C fölé melegíteni.
A kombinált fém-kerámia kompozit alkatrészek nem alkalmasak vákuumtechnikára az állandó gáztalanítás miatt.
Az epoxigyanta alapú ragasztók nagyon hatásosnak bizonyultak a kerámia-fém kompozit elemek ragasztásához. A következő jellemzőkkel bírnak:
- Jó mechanikai tulajdonságok
- Jó kémiai ellenállás
- Alacsony zsugorodás a kikeményedés során
- A töltőanyagok használata miatt nagy kötőanyag-résekre is alkalmas
- A különböző anyagok egyszerű összekapcsolása
A ragasztott ízületeket csak nyíró-, húzó- vagy nyomóterhelés alatt kell előállítani, és a hajlítóterhelést el kell kerülni. Fontos, hogy alaposan tisztítsuk és aktiváljuk a ragasztott felületet kémiai vagy mechanikai módszerekkel. Meg kell azonban jegyezni, hogy a szerves ragasztókhoz való tapadás öregítési folyamaton megy keresztül, és általában nem szabad 150 ° C fölé melegíteni.
A kombinált fém-kerámia kompozit alkatrészek nem alkalmasak vákuumtechnikára az állandó gáztalanítás miatt.
Fém-kerámia és kerámia-kerámia kompozitok (üvegforraszanyaggal hegesztve)
Üvegforraszanyag használható kerámia alkatrészek és légmentes csatlakozások, például platina-kerámia kompozit alkatrészek. Ezt a csatlakozási folyamatot a jó kémiai ellenállás és a közelség jellemzi. 1000 ° C, az üvegforraszanyagtól függően. Az üvegforraszanyaggal való kombinációhoz nincs szükség védőgáz-atmoszférára vagy a kerámia fémezésére.
Kerámia-fém kompozit (fémforrasztással hegesztve)
Az alumínium-oxid rendszer szabványos csatlakozási folyamata cermet kompozit alkatrészek gyártásához kerámia és fém hegesztése. Hegesztéskor az atomok diffundálnak a forraszanyagból az anyag hálójába, és a fém hegesztésekor az anyag atomjai is diffundálnak a forraszanyag szerkezetébe. A nedvesített felület mentén többé-kevésbé jelentős diffúziós zóna alakul ki. A hegesztéssel ellentétben az anyag szilárd marad.
A kerámia és a fém közötti lehetséges összekötő partnerek számát súlyosan korlátozza az anyag különböző hőtágulási együtthatója. Minél nagyobb a hőtágulási együttható különbsége a kerámia és a fém és a forraszanyag között, annál nagyobb a kompozit feszültség, amelyet a hegesztett kötés hűtése okoz.
A kerámiák hegesztése két különböző módon lehetséges:
A kerámia és a fém közötti lehetséges összekötő partnerek számát súlyosan korlátozza az anyag különböző hőtágulási együtthatója. Minél nagyobb a hőtágulási együttható különbsége a kerámia és a fém és a forraszanyag között, annál nagyobb a kompozit feszültség, amelyet a hegesztett kötés hűtése okoz.
A kerámiák hegesztése két különböző módon lehetséges:
- Kerámia passziválás keményforrasztás
- Kerámia aktív forrasztás
1.A kerámiák passziválása
Annak érdekében, hogy biztosítsák a forraszanyag megfelelő nedvesíthetőségét a kerámián, a kerámia felületet előzetesen fémesíteni kell. Ebből a célból MOMN (molibdén, mangán) vagy WMN (volfrám, mangán) pasztát szitanyomással alkalmaznak, és körülbelül. 1400 ° C, képződött gáz (5% hidrogén, 95% nitrogén).
Ez a réteg két funkcióval rendelkezik. Mn tartalmú üveg Al2O3 kerámiával kombinálva. Az üvegben lévő fém Mo részecskék fémhez kapcsolódnak. Olvasztás után nikkelezett a fémezett rétegre. Az NI-nek számos funkciója van. Megvédi a fémezést a korróziótól, és jó nedvesíthetőséget biztosít a fém forraszanyagnak.
A fém partnerektől függően a kerámia passziválása csökkentett atmoszférában vagy vákuumban történik. A leggyakoribb passzivált forraszanyag ezüst-réz eutektikus.
Ez a réteg két funkcióval rendelkezik. Mn tartalmú üveg Al2O3 kerámiával kombinálva. Az üvegben lévő fém Mo részecskék fémhez kapcsolódnak. Olvasztás után nikkelezett a fémezett rétegre. Az NI-nek számos funkciója van. Megvédi a fémezést a korróziótól, és jó nedvesíthetőséget biztosít a fém forraszanyagnak.
A fém partnerektől függően a kerámia passziválása csökkentett atmoszférában vagy vákuumban történik. A leggyakoribb passzivált forraszanyag ezüst-réz eutektikus.
2.A kerámiák aktív keményforrasztása
A keményforrasztott kerámiák második lehetősége az úgynevezett aktív forraszanyag használata. Olyan reakciókomponenseket tartalmaznak, mint a titán, a cirkónium vagy a hafnium. Még a fémezés nélkül is, az aktív forraszanyag kerámiával kombinálható. Azonban az aktív forraszanyag nehezen áramlik a kerámia felületen a passzív forraszanyaghoz képest. Ez azt jelenti, hogy nincs olyan forraszanyag filé, amely megkönnyíti a kötési szilárdságot. Még akkor is, ha a hegesztés fémezés nélkül előnyösebbnek tűnik, magas hőmérsékletű vákuum vagy inert gázkemence szükséges az aktív hegesztéshez.
Az optimális hegesztési rés biztosítása érdekében a hegesztési folyamat során a fém és a kerámia csak enyhén elválasztható hőtágulással a hegesztési folyamat során. Ezért a vas-nikkel ötvözeteket, mint például a Ni42 (1.3917) vagy a Kovar (NiCo2918 = 1.3981) elsősorban Al2O3 hegesztéshez használják. Itt az Al2O3 hőtágulási együtthatójának különbsége szobahőmérsékleten viszonylag kicsi. Csak alacsony kompozit feszültség keletkezik. Ezért 200 MPa feletti cermet kompozit nagy reprodukciós szilárdságát kaptuk.
Ezek a vas-nikkel ötvözetek jól hegeszthetők rozsdamentes acélból további folyamatokban. Ez számos alkalmazást nyitott a kerámia-fém kompozit komponensek számára.
Az optimális hegesztési rés biztosítása érdekében a hegesztési folyamat során a fém és a kerámia csak enyhén elválasztható hőtágulással a hegesztési folyamat során. Ezért a vas-nikkel ötvözeteket, mint például a Ni42 (1.3917) vagy a Kovar (NiCo2918 = 1.3981) elsősorban Al2O3 hegesztéshez használják. Itt az Al2O3 hőtágulási együtthatójának különbsége szobahőmérsékleten viszonylag kicsi. Csak alacsony kompozit feszültség keletkezik. Ezért 200 MPa feletti cermet kompozit nagy reprodukciós szilárdságát kaptuk.
Ezek a vas-nikkel ötvözetek jól hegeszthetők rozsdamentes acélból további folyamatokban. Ez számos alkalmazást nyitott a kerámia-fém kompozit komponensek számára.