金属粉末金属化层常见的缺陷

    陶瓷表面的金属化过程工序较多，工艺也较为复杂，影响金属化层质量的因素也是多方面的。为了能获得优质金属化层，就必须了解金属化层常出现的缺陷特征、形成缺陷的基本原因，然后才能有针对性地提出解决的工艺措施。

    1.金属化层裂纹

    陶瓷表面金属化层常常在涂敷后，干燥过程中出现裂纹。其裂纹特征是呈龟形裂纹。形成这种裂纹的主要原因是由于涂粉末膏时，粉末中的黏结剂太多，涂敷层的厚薄不均匀，这样就必然造成在干燥过程中黏结剂分解、挥发和收缩大小不均而造成裂纹。

    生产实践表明，解决措施有三：一是加入适量的黏结剂，不可过多，而且还要研磨、搅拌使之均匀；二是涂敷时薄厚要均匀；三是烧结加热要缓慢。

    2.金属化层起泡

    金属化涂层在涂敷之后，起泡也是常出现的缺陷。当金属化层起泡后，造成凸起，表面不平滑，严重影响下一步镀Ni的进行。这种起泡的原因很可能是陶瓷本身表面上有杂质，在金属化烧结过程中参与氧化反应而起泡；另一原因是金属化涂层中有化学反应即起泡。前者可能是陶瓷内部质量和表面研磨质量问题；后者则是金属化粉末本身质量不纯或是配方中其他成分不准面造成的。在调整粉末配方时，先要考虑到不宜过多地加入Mn。因为Mn含量过多，可促使陶瓷表面与金属化层之间反应，由此会引起起泡的缺陷。

    3.金属化层掉粉

    金属化层是经过高温烧结而形成的。本应是致密、平滑均匀、与陶瓷结合很牢并具有金属性质的涂层。但事实上都不是那么理想，往往在烧结之后金属化层出现掉粉现象，这是金属化层的主要缺陷之一。在烧结之后，用陶瓷片刮擦时，掉粉和金属化层部分脱落，严重时整个金属化层从陶瓷表面脱落。出现这种缺陷的原因很多，但主要原因是金属化烧结温度低，气氛的氧化性小，金属化粉末涂层配方比例有误，或材料性能和成分有变化等。

    4.金属化层表面氧化

    生产实践表明，处在高温的金属化层与空气接触即被氧化。其氧化层多呈棕红色或蓝紫色，多是在冷却过程中被最终氧化的。在加热升温过程中也可能氧化，但在高温保温时间内能够被还原。所以，如何在冷却过程中避免氧化是关键。应指出，一般情况下，金属化层的结构件刚刚出炉时不被氧化，但要放置别处，不加保护，一段时间后仍被氧化。金属化层被氧化之后，严重地影响下一步工序的实施。

    避免氧化的办法，首先是降低出炉时的温度，同时要用干H2. 其次是将刚出炉的有金属化层的结构件立即浸入酒精中，可避免表面产生氧化。再有，也可以将已被氧化了的金属化层构件在干H2中加热至1100~1200℃，使其还原。但这种办法是第二次高温处理，会影响原来的金属化层的质量，尽量少用。

    5.金属化层起皮

    所谓金属化层起皮，是指金属化涂层在加热过程中产生严重的收缩变形，使得金属化层局部鼓起脱离陶瓷表面，甚至大部分金属化层脱落。这种缺陷严重地影响金属化层质量。产生这种缺陷的根本原因是涂层中的黏结剂太多，涂敷层太厚，而且涂敷不均匀，调剂时太黏，对陶瓷表面润湿性太差等。另外也可能是烧结时加热升温速度太快而引起的。

    6.陶瓷花斑和发灰

    在金属化烧结后，除金属化层之外的表面出现了起泡的缺陷。出现这种缺陷的主要原因是陶瓷本身的烧成温度太低，反应后的玻璃相不均匀和反应不够完全，都会在金属化加热后产生起泡，这是所选用的陶瓷件质量问题。

    陶瓷金属化加热之后，陶瓷表面产生花斑缺陷。这种花斑可能呈黄色或灰色。此缺陷的出现也会影响陶瓷结构件的使用性能。形成这种缺陷的原因，目前还找不到更为确切的说法，从工艺上看，金属化烧结时，炉内的湿度过大，或用干H2气氛加热的时间太长，都容易出现表面花斑。同时指出，产生表面花斑除与外界环境有关外，还与陶瓷种类成分、各结晶相的形成晶核过程有关(如钙长石、尖晶石等)。同时也与玻璃相中能显示颜色离子所处的周围环境有关。如钛离子Ti2+在干H2中就呈灰色，这是Ti4+在还原条件下变化成Ti2+的结果。Fe离子与Ti是一样的，也是以多种离子状态出现。所以，陶瓷中的Ti和Fe离子，在陶瓷金属化烧结过程中会显示不同的颜色。

    在陶瓷金属化烧结后，陶瓷表面呈现出具有条纹状的灰色时，这可能是由金属化烧结时炉内尚存在挥发物所引起的。例如炉管中存在挥发物、炉内Mo丝挥发污染、金属化层Mo的挥发均有影响。

    7.金属化烧结过程中陶瓷变形和炸裂

    在陶瓷表面金属化烧结中，陶瓷件较薄或薄厚不均而且局部薄厚变化较大，组装时放置不平，烧结温度过高，保温时间过长等均容易产生变形。当结构件产生变形，影响与其他结构使用时，即可作为废品处理。如果能单独使用，不受局部变形影响，尚可使用，但不能作为商品。

    在陶瓷表面金属化烧结过程中出现陶瓷构件炸裂的缺陷虽然不算多，但这种缺陷是极其严重的，一旦出即报废，是不准许的缺陷。如果选件不当，烧结工艺规范控制不严，将会出现陶瓷炸裂。经验指出，出现这种缺陷多是因为所选陶瓷质量低劣，结构体型较大，特别是薄厚不均。构件复杂和异型结构件最易出现开裂现象。此外，陶瓷件导热性较差，受热不均，温差较大，势必造成较大的内应力，促使陶瓷炸裂。再就是加热温升速度和冷却速度较快，也会使陶瓷件开裂。

    为了防止这种炸裂缺陷出现，首先是选择优质陶瓷件，合理设计结构形状，减少应力集中，厚薄尽量要均匀。在工艺上要减少加热和冷却速度，调整好金属化时的气氛。装配时根据结构的形状与复杂程度，适当夹紧和安放，均可达到防止变形和炸裂的目的。

    8.渗透开裂

    在陶瓷与Kovar合金钎焊并采用Ag-Cu钎料或Cu钎料时，经过钎焊加热过程冷却之后，在Kovar合金钎缝附近将会出现铜合金的渗透开裂现象。由于这种缺陷既影响接头性能，又降低结构的气密性，严重时会明显漏气。在更多的情况下是一种贯穿性的开裂，但也有时只有在显微镜观察下才能发现沿Kovar合金晶粒边界渗透,但不一定漏气。

    陶瓷与Kovar(Fe-Co-Ni合金)钎焊过程导致钎缝近缝区产生渗透裂纹的原因比较复杂。但其原因与钎料种类成分和Kovar合金成分、组织结构、晶粒大小，以及钎焊规范等有关。首先Kovar合金是单相奥氏体组织，而且在钎焊高温作用下还有晶粒长大倾向。其次就是含有Cu、Sn的钎料(如Ag-Cu-Sn、Ag-Cu等)在钎焊过程中熔化后是共晶液态，熔点较低，流动性较高，对Kovar合金浸润和扩散，而且首先是沿晶粒边界渗透，形成了“液态金属脆性”，在应力作用下，这些液相合金便沿晶界纵深渗展并充满晶界，由于这时的应力(拉应力)作用，形成了具有贯穿性的裂纹。经分析表明，这种液体中的主要成分是Cu和Sn而Ag则很少，所以认为Cu、Sn是渗透裂纹的主要成分，同时还认为Cu最为敏感。尤其是Kovar合金为单相大颗粒晶体，给扩大渗透创造了有利条件。

    进一步分析指出，这种沿晶界渗透的裂纹，会使晶界的表面能明显降低，同时充满晶界裂纹的尖端壁面产生一种附加的压力，而促使液态金属沿晶界加速纵横扩展，从其钎缝迅速地扩展到近区。实践指出，如果陶瓷与Kovar合金钎焊结构，在Kovar合金中出现了这种渗透裂纹，不仅使陶瓷与Kovar合金连接接头失去致密性，而且也降低了接头强度。

    为了防止这种渗透裂纹缺陷,应采取以下几方面的工艺措施:

    ①应尽量选用渗透裂纹倾向小或不产生渗透裂纹的钎料,最好是不含Cu的钎料,如纯Ag、Au-Ni、Ag-Cu-Pd等渗透倾向小的钎料。

    ②在钎焊之前先在Kovar合金表面镀上一层Ni，再钎焊时可不出现渗透裂纹。因为Ni与Cu是无限互相固溶的元素，能互相溶解和扩散，可以防止沿晶界的渗透。

    ③在钎焊工艺上，首先合理地控制工艺规范，如钎焊温度不能太高，保温时间不能过长，应在完成钎焊的条件下尽量缩短保温时间和降低钎焊温度。这种措施还可以防止Kovar合金晶粒长大，对减少渗透裂纹倾向是有利的。

(慧朴科技，huiputech)