CN101104567A - 氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺 - Google Patents

氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺 Download PDF

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Abstract

一种氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺，金属复合层由如下中温金属化配方构成：40－60％的Mo粉，15－30％的MnO2粉，7－20％的SiO2粉，0.2～1.5％的CaO，5－15％的95％氧化铝瓷粉；其复合工艺是：将上述原料按金属化配方的比例称重、混合，置于高能球磨机中，在有机介质下高能球磨48小时以上，然后烘干、过筛备用；将制备好的金属化粉，加入适量的有机粘结剂，经过充分搅拌，用丝网印刷方法覆盖在清洁好的95％氧化铝陶瓷表面上；将覆盖有金属化粉的95％氧化铝陶瓷在弱还原性气氛保护下烧结，氢气露点在20±10℃范围内，烧结温度1370～1460℃，烧结保温时间30～60min；烧结好的产品经镀镍并镍化后即为本发明的95％氧化铝陶瓷表面金属化复合层；它具有金属化工艺制度容易控制，温度范围宽，产品合格率高，生产成本低等特点；复合层具有厚度均匀，组织致密，漏气率小，抗拉强度值大等优点。

Description

氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺
技术领域
本发明涉及的是一种氧化铝陶瓷表面的高强度气密性金属复合层以及复合工艺，尤其是95％氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺；该金属复合层使氧化铝陶瓷可与金属材料进行钎焊。
背景技术
95％氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、电绝缘性好、高频损耗小、导热系数大且真空气密性好等优点，因而有非常广泛的应用领域，特别是在电真空行业中。但目前制约95％氧化铝陶瓷广泛应用的关键原因是：95％氧化铝陶瓷表面金属复合层质量不稳定，从而导致电真空器件的可靠性不能保证。目前95％氧化铝陶瓷表面的金属化现状如下：(1)低温金属化，金属化温度≤1350℃，由于金属化强度和气密性差，很少使用；(2)中温金属化，金属化温度1350～1480℃，它是一种较经济的金属化工艺，由于配方对陶瓷和工艺的要求高，金属化过程控制困难，质量不稳定，各研发机构正在大力研制开发中；(3)高温金属化，金属化温度≥1480℃，高温金属化配方和工艺相对较成熟，但工艺过程能耗大且陶瓷易变形，产品合格率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的不足，而提供一种中温金属化配方并专用于95％氧化铝陶瓷表面进行复合、满足其在电真空行业应用时的抗拉强度和气密性指标等要求的氧化铝陶瓷表面金属复合层及复合工艺。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的氧化铝陶瓷表面金属复合层由如下中温金属化配方(重量百分比)构成：40-60％的Mo粉，15-30％的MnO2粉，7-20％的SiO2粉，0.2～1.5％的CaO，5-15％的95％氧化铝瓷粉。
所述的中温金属化配方(重量百分比)是：50％的Mo粉，20％的MnO2粉，13.7％的SiO2粉，1.3％的CaO，15％的95％氧化铝瓷粉。
以上所述的Mo粉粒度≤2.0um，且粒径为0.3～1.5um的颗粒占Mo粉总重量的80～85％；所述的MnO2粉纯度≥99.9％；SiO2粉除AI2O3和Fe2O3外的杂质含量≤0.1wt％；所述的95％氧化铝瓷粉由94～95％AI2O3，3.2～3.7％SIO2，1.0～1.4％BaO，0.5～0.9％CaO，0.5～0.9％MgO构成。
本发明所述的复合工艺是：将上述原料按金属化配方的比例称重、混合，置于高能球磨机中，在有机介质下高能球磨48小时以上，然后烘干、过筛备用；将制备好的金属化粉，加入适量的有机粘结剂，经过充分搅拌，用丝网印刷方法覆盖在清洁好的95％氧化铝陶瓷表面上；将覆盖有金属化粉的95％氧化铝陶瓷在弱还原性气氛保护下烧结，氢气露点在20±10℃范围内，烧结温度1370～1460℃，烧结保温时间30～60min；烧结好的产品经镀镍并镍化后即为本发明的95％氧化铝陶瓷表面金属化复合层。
本发明的金属化配方适用于不同工艺方法生产的95％氧化铝陶瓷，如热压铸法、冷等静压法、粉浆浇铸法等工艺方法制造的95％氧化铝陶瓷，对陶瓷的适用性强；用本发明的金属化配方进行金属化生产，工艺制度控制容易，产品质量稳定、可靠；用本发明的金属化配方和工艺制造的陶瓷金属化产品，金属化层均匀、致密，与陶瓷的结合强度高且一致性好，用Φ3可伐合金棒三点式测抗拉强度，其平均抗拉强度值≥150MPa，漏气率≤1×10-11Pa.m3/s，金属化层厚度在15～40um，镍层厚度在4～9um，完全满足电真空行业对陶瓷金属化产品的要求；用本发明的金属化配方和工艺制造陶瓷金属化产品，与高温金属化比较制造成本可降低20％，成品率可提高10％，具有显著的社会效益和经济效益。它具有金属化工艺制度容易控制，温度范围宽，产品合格率高，生产成本低等特点。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的氧化铝陶瓷表面金属复合层由如下中温金属化配方构成：
组成物 Mo粉 MnO2粉 SiO2粉 CaO  95％氧化铝瓷粉
    Wt％     40～60     15～30     7～20   0.2～1.5     5～15
上述配方中使用的Mo粉粒度≤2.0um，粒径为0.3～1.5um的颗粒占Mo粉总重量的80～85％，Mo粒度较小有利于Mo粉与玻璃相充分润湿，同时提高金属化层的抗拉强度和气密性；上述配方中使用的MnO2粉纯度≥99.9％，MnO2是玻璃相的主要改性成份，使玻璃相与Mo颗粒表面有良好的浸润性，同时促进金属化层与陶瓷基体之间的原子扩散；
上述配方中使用的SiO2粉除AI2O3和Fe2O3外的杂质含量≤0.1wt％，SiO2是形成玻璃相的主要成份；
上述配方中使用的95％氧化铝瓷粉(简写为95％瓷粉)成份为：
    组成物     AI2O3   SIO2     BaO     CaO     MgO
    Wt％     94～95   3.2～3.7     1.0～1.4     0.5～0.9     0.5～0.9
本发明用上述原料按金属化配方的比例称重、混合，置于高能球磨机中，在有机介质下高能球磨48小时以上，然后烘干、过筛备用；制备好的金属化粉，加入适量的有机粘结剂，经过充分搅拌，用丝网印刷方法覆盖在清洁好的95％氧化铝陶瓷表面上；覆盖有金属化粉的95％氧化铝陶瓷在弱还原性气氛保护下烧结，氢气露点在20±10℃范围内，烧结温度1370～1460℃，烧结保温时间30～60min；  烧结好的产品经镀镍并镍化后即为本发明的95％氧化铝陶瓷表面金属化产品。
实施例如下：
本发明的工艺流程如下：各粉料按配比混合球磨→加粘结剂搅拌→丝网印刷在95％氧化铝陶瓷表面上→在气氛保护下中温金属化烧结→镀镍并镍化→金属化产品性能测试。
各选用的粉料分别按下表比例称量，置于刚玉瓷球磨罐中，用无水乙醇或丙酮等有机溶剂作介质，用玛瑙球或95％氧化铝瓷球作磨球，球磨48小时以上，取出后置于搪瓷盘中烘干，过325目筛。
所述的金属化配方(重量百分比)如下表：
   编号\组成     Mo     MnO2     SiO2     CaO   95％瓷粉
    A     40     23.5     20     1.5     15
    B     45     25     17     0.6     12.4
    C     50     20     13.7     1.3     15
    D     55     30     7     0.2     7.8
    E     60     15     18.5     1.5     5
称取200g上述制备好的各粉料，置于搅拌器中，再加入25ml有机粘结剂，有机粘结剂为3wt％的乙基纤维素松油醇溶液，搅拌6小时以上备用。
用丝网印刷方法把上述制备好的浆料印刷在清洁好的不同工艺方法生产的95％氧气铝陶瓷表面上，用x表示冷等静压工艺生产的陶瓷，用y表示热压铸工艺生产的陶瓷，用z表示粉浆浇铸工艺生产的陶瓷，即得各实施样如Ax、Ay、Az、Bx、By等等。
各实施样如Ax、Ay、Az、Bx、By等等放入金属化炉中烧结，烧结工艺参数如下表所示：
    时间\温度     1370℃     1390     1410     1440     1460
    30分钟     √     √     √
    45     √     √     √     √     √
    60     √     √     √     √
注：打“√”的为实际实施的工艺参数，保护气氛(H2)的露点为20±10℃。
1.烧结后的样品经镀镍并于900℃镍化30分钟。
2.对各样品进行性能测试，结果描述如下表3：
本发明经性能测试的结果如下表所示：
测试项目 测试结果(范围) 方法说明
金相组织 组织均匀、致密、无气孔 用金相显微镜观察
金属化层厚度 15～40um 金相显微镜测量
镍层厚度 4～9um 金相显微镜测量
抗拉强度 ≥150MPa Φ3可伐合金棒与实施样用AgCu28焊料在真空炉中焊接，焊接样在万能拉力机上做拉断试验，取三点的平均抗拉强度值
气密性 ≤1×10-11Pa.m3/s 封管后用氦气测量

Claims (4)

1.一种氧化铝陶瓷表面金属复合层，其特征在于它由如下中温金属化配方构成：以重量百分比计有40-60％的Mo粉，15-30％的MnO2粉，7-20％的SiO2粉，0.2～1.5％的CaO，5-15％的95％氧化铝瓷粉。
2.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷表面金属复合层，其特征在于所述的中温金属化配方是：50％的Mo粉，20％的MnO2粉，13.7％的SiO2粉，1.3％的CaO，15％的95％氧化铝瓷粉。
3.根据权利要求1或2所述的氧化铝陶瓷表面金属复合层，其特征在于所述的Mo粉粒度≤2.0um，且粒径为0.3～1.5um的颗粒占Mo粉总重量的80～85％；所述的MnO2粉纯度≥99.9％；SiO2粉除AI2O3和Fe2O3外的杂质含量≤0.1wt％；所述的95％氧化铝瓷粉由94～95％AI2O3，3.2～3.7％SIO2，1.0～1.4％BaO，0.5～0.9％CaO，0.5～0.9％MgO构成。
4.一种如权利要求1或2或3所述氧化铝陶瓷表面金属复合层的复合工艺，其特征是：将上述原料按金属化配方的比例称重、混合，置于高能球磨机中，在有机介质下高能球磨48小时以上，然后烘干、过筛备用；将制备好的金属化粉，加入适量的有机粘结剂，经过充分搅拌，用丝网印刷方法覆盖在清洁好的95％氧化铝陶瓷表面上；将覆盖有金属化粉的95％氧化铝陶瓷在弱还原性气氛保护下烧结，氢气露点在20±10℃范围内，烧结温度1370～1460℃，烧结保温时间30～60min；烧结好的产品经镀镍并镍化后即为本发明的95％氧化铝陶瓷表面金属化复合层。
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