세라믹과 금속의 브레이징

1. 브레이징 가능성

세라믹과 세라믹, 세라믹과 금속 부품의 브레이징은 어렵습니다. 대부분의 납땜 재료는 세라믹 표면에 구형으로 굳어지며, 젖음성이 거의 없거나 전혀 없습니다. 세라믹을 잘 적시는 브레이징 필러 금속은 브레이징 과정에서 접합면에 탄화물, 규화물, 3원 또는 5원 화합물 등 다양한 취성 화합물을 형성하기 쉽습니다. 이러한 화합물의 존재는 접합부의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 또한, 세라믹, 금속 및 납땜 재료 간의 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 브레이징 온도가 상온으로 냉각된 후 접합부에 잔류 응력이 발생하여 균열이 생길 수 있습니다.

일반 납땜에 활성 금속 원소를 첨가하면 세라믹 표면에 대한 납땜의 젖음성을 향상시킬 수 있습니다. 저온 단시간 브레이징은 계면 반응의 영향을 줄일 수 있습니다. 적절한 접합 형상을 설계하고 단층 또는 다층 금속을 중간층으로 사용하면 접합부의 열 응력을 줄일 수 있습니다.

2. 납땜

세라믹과 금속은 일반적으로 진공로 또는 수소-아르곤로에서 접합됩니다. 진공 전자 장치용 브레이징 충전재는 일반적인 특성 외에도 몇 가지 특별한 요구 사항을 충족해야 합니다. 예를 들어, 납땜에는 증기압이 높은 원소가 포함되어서는 안 되며, 이는 절연 누설 및 장치의 음극 중독을 유발할 수 있기 때문입니다. 일반적으로 장치 작동 시 납땜의 증기압은 10⁻³pa를 초과해서는 안 되며, 증기압이 높은 불순물 함량은 0.002%~0.005%를 초과해서는 안 된다고 규정되어 있습니다. 또한, 납땜의 w(o) 값은 0.001%를 초과해서는 안 되는데, 이는 수소 분위기에서 브레이징 시 발생하는 수증기로 인해 용융된 납땜 금속이 튀는 것을 방지하기 위함입니다. 더불어, 납땜은 깨끗하고 표면 산화물이 없어야 합니다.

세라믹 금속화 후 브레이징 시에는 구리, 모재, 은동, 금동 및 기타 합금 브레이징 충전재를 사용할 수 있습니다.

세라믹과 금속의 직접 브레이징에는 활성 원소인 Ti와 Zr을 함유하는 브레이징 필러 금속을 선택해야 합니다. 이원계 필러 금속은 주로 TiCu와 TiNi이며, 1100℃에서 사용할 수 있습니다. 삼원계 솔더 중에서는 AgCuTi(W)(TI) 솔더가 가장 일반적으로 사용되며, 다양한 세라믹과 금속의 직접 브레이징에 사용할 수 있습니다. 삼원계 필러 금속은 포일, 분말 또는 Ti 분말이 첨가된 AgCu 공융 필러 금속 형태로 사용할 수 있습니다. B-ti49be2 브레이징 필러 금속은 스테인리스강과 유사한 내식성과 낮은 증기압을 가지고 있어 산화 및 누출 저항성이 요구되는 진공 밀봉 접합부에 우선적으로 사용될 수 있습니다. Ti-V-Cr 솔더의 경우, w(V) 함량이 30%일 때 용융 온도가 가장 낮으며(1620℃), Cr을 첨가하면 용융 온도 범위를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 크롬이 없는 B-ti47.5ta5 솔더는 알루미나와 산화마그네슘의 직접 브레이징에 사용되었으며, 접합부는 1000℃의 주변 온도에서 작동할 수 있습니다. 표 14는 세라믹과 금속의 직접 연결에 사용되는 활성 플럭스를 보여줍니다.

표 14 세라믹 및 금속 브레이징에 사용되는 활성 브레이징 충전재

2. 브레이징 기술

금속 코팅 처리된 세라믹은 고순도 불활성 가스, 수소 또는 진공 환경에서 브레이징할 수 있습니다. 진공 브레이징은 일반적으로 금속 코팅 없이 세라믹을 직접 브레이징하는 데 사용됩니다.

(1) 범용 브레이징 공정 세라믹과 금속의 범용 브레이징 공정은 표면 세척, 페이스트 코팅, 세라믹 표면 금속화, 니켈 도금, 브레이징 및 용접 후 검사의 7가지 공정으로 나눌 수 있습니다.

표면 세척의 목적은 모재 표면의 기름때, 땀때 및 산화막을 제거하는 것입니다. 금속 부품과 납땜 부위는 먼저 탈지한 후, 산 또는 알칼리 세척으로 산화막을 제거하고 흐르는 물로 헹군 다음 건조합니다. 높은 품질 기준이 요구되는 부품은 진공로 또는 수소로(이온 충격법도 사용 가능)에서 적절한 온도와 시간으로 열처리하여 표면을 정화합니다. 세척된 부품은 기름기가 있는 물체나 맨손과의 접촉을 피해야 하며, 즉시 다음 공정이나 건조기에 투입해야 합니다. 또한 장시간 공기에 노출시키지 않아야 합니다. 세라믹 부품은 아세톤과 초음파 세척기로 세척하고 흐르는 물로 헹군 후, 마지막으로 탈이온수로 15분씩 두 번 끓여 살균합니다.

페이스트 코팅은 세라믹 금속화 공정에서 중요한 부분입니다. 코팅 과정에서 브러시나 페이스트 코팅기를 이용하여 금속화할 세라믹 표면에 페이스트를 도포합니다. 코팅 두께는 일반적으로 30~60mm입니다. 페이스트는 일반적으로 입자 크기가 약 1~5μm인 순수 금속 분말(때때로 적절한 금속 산화물을 첨가)과 유기 접착제로 제조됩니다.

혼합된 세라믹 부품은 수소로에 넣어 습식 수소 또는 분해 암모니아 분위기에서 1300~1500℃로 30~60분간 소결한다. 수소화물로 코팅된 세라믹 부품의 경우, 약 900℃로 가열하여 수소화물을 분해하고 세라믹 표면에 남아 있는 순수 금속 또는 티타늄(또는 지르코늄)과 반응시켜 세라믹 표면에 금속 코팅을 얻는다.

Mo-Mn 금속화층의 경우, 납땜과의 접착성을 높이기 위해 1.4~5μm 두께의 니켈층을 전기 도금하거나 니켈 분말로 코팅해야 합니다. 브레이징 온도가 1000℃ 미만일 경우에는 수소로에서 니켈층을 예비 소결해야 합니다. 소결 온도와 시간은 1000℃에서 15~20분입니다.

처리된 세라믹은 금속 부품이며, 스테인리스강 또는 흑연 및 세라믹 몰드를 사용하여 하나의 전체로 조립해야 합니다. 접합부에는 납땜을 해야 하며, 작업 과정 내내 가공물을 깨끗하게 유지하고 맨손으로 만지지 않아야 합니다.

브레이징은 아르곤, 수소 또는 진공로에서 수행해야 합니다. 브레이징 온도는 브레이징 충전재의 종류에 따라 달라집니다. 세라믹 부품의 균열을 방지하기 위해 냉각 속도가 너무 빠르지 않아야 합니다. 또한, 브레이징에는 일정 압력(약 0.49~0.98MPa)을 가할 수 있습니다.

표면 품질 검사 외에도 브레이징 용접부는 열충격 및 기계적 특성 검사를 받아야 합니다. 진공 장치의 밀봉 부품은 관련 규정에 따라 누출 시험도 받아야 합니다.

(2) 직접 브레이징(활성 금속법)의 경우, 먼저 세라믹 및 금속 용접부의 표면을 세척한 후 조립한다. 구성 재료의 열팽창 계수 차이로 인한 균열을 방지하기 위해 용접부 사이에 완충층(한 장 이상의 금속판)을 회전시킬 수 있다. 브레이징 필러 금속은 두 용접부 사이에 고정하거나 가능한 한 틈새를 브레이징 필러 금속으로 채운 위치에 놓고 일반 진공 브레이징과 같이 브레이징을 수행한다.

Ag-Cu-Ti 솔더를 사용하여 직접 브레이징하는 경우 진공 브레이징 방법을 사용해야 합니다. 로 내부 진공도가 2.7×10⁻³pa에 도달하면 10⁻³pa에서 가열을 시작하고 이때 온도를 빠르게 상승시킵니다. 솔더의 용융점에 가까워지면 용접부 전체의 온도가 균일해지도록 온도를 천천히 올립니다. 솔더가 녹으면 브레이징 온도까지 빠르게 올리고 3~5분간 유지합니다. 냉각 시에는 700℃ 이전에는 천천히 냉각하고, 700℃ 이후에는 로에서 자연 냉각합니다.

Ti-Cu 활성 솔더를 직접 브레이징할 경우, 솔더의 형태는 구리 호일과 티타늄 분말 또는 구리 부품과 티타늄 호일로 구성될 수 있으며, 세라믹 표면에 티타늄 분말과 구리 호일을 코팅할 수도 있습니다. 브레이징 전에 모든 금속 부품은 진공 탈기해야 합니다. 무산소 구리의 탈기 온도는 750~800℃이고, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨 등은 900℃에서 15분 동안 탈기해야 합니다. 이때 진공도는 6.7 × 10⁻³Pa 이상이어야 합니다. 브레이징 과정에서는 용접할 부품들을 고정 장치에 조립하고 진공로에서 900~1120℃로 가열하여 2~5분간 유지합니다. 전체 브레이징 공정 동안 진공도는 6.7 × 10⁻³Pa 이상이어야 합니다.

Ti Ni 방식의 브레이징 공정은 Ti Cu 방식과 유사하며 브레이징 온도는 900 ± 10 ℃이다.

(3) 산화물 브레이징법 산화물 브레이징법은 산화물 땜납의 용융으로 형성된 유리상이 세라믹에 침투하여 금속 표면을 적시는 방식으로 신뢰할 수 있는 접합을 구현하는 방법입니다. 이 방법은 세라믹과 세라믹, 세라믹과 금속을 접합할 수 있습니다. 산화물 브레이징 필러 금속은 주로 Al2O3, CaO, BaO 및 MgO로 구성됩니다. B2O3, Y2O3 및 Ta2O3를 첨가하면 다양한 융점과 선팽창 계수를 갖는 브레이징 필러 금속을 얻을 수 있습니다. 또한, CaF2 및 NaF를 주성분으로 하는 불화물 브레이징 필러 금속을 사용하여 세라믹과 금속을 접합하여 고강도 및 고내열성을 갖는 접합부를 얻을 수도 있습니다.