Design, brazing and characterization of metal- ceramics joints

• Autorzy: Janczak-Rusch J.

Warianty tytułu

PL

Projektownie, lutowanie oraz charakterystyka złącz metal-ceramika

• Konferencja: Advanced Materials and Technologies, AMT 2007 : XVIII Physical Metallurgy and Materials Science Conference (XVIII; 18-21.06.2007; Warszawa-Jachranka, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Vacuum brazing is a reliable and cost-effective process for production of metal-ceramics joints. The main problem encountered in brazing metal to ceramics is to achieve optimal wetting of the ceramic substrate by the molten filler metal. Even if a strong metallurgical bond is achieved, residual stresses induced during processing can become intolerable and lead to the joint failure. A short overview on design and processing of metal-ceramic joints produced in the vacuum brazing process will be given. Different solutions applied to enhance wetting ability (active brazing, ceramic pre-metallisation) and residual stress relaxation (application of interlayers, use of composite brazing fillers) in steel/Si3N4 joints are discussed and compared. The role of numerical modeling in the design of the braze zone is highlighted.

PL

Lutowanie próżniowe jest procesem pozwalającym na wytworzenie niezawodnych złącz metal-ceramika przy niskich kosztach operacji. Podstawowym problemem przy lutowaniu metali z ceramiką jest słaba zwilżalność ceramiki przez większość ciekłych metali lutowniczych. Nawet gdy uda się pokonać problem zwilżalności i wytworzyć dobrej jakości połączenie metalurgiczne, złącze może ulec zniszczeniu przy niewielkim obciążeniu na skutek wysokich naprężeń resztkowych. Publikacja ma na celu przegląd sposobów projektowania oraz kroków procesowych w produkcji wysokiej wytrzymałości złącz metal-ceramika metodą lutowania próżniowego. Przedstawione zostaną różne rozwiązania zastosowane w celu poprawy własności zwilżających (lutowanie aktywne, metalizacja ceramiki) i zwiększenia zdolności do relaksacji resztkowych naprężeń złącz stal/ Si3N4.

Słowa kluczowe

PL

lutowanie próżniowe; złącza metal-ceramika; zwilżalność; projektowanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 3-4
• Strony: 547--551
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Janczak-Rusch J.

• Empa Dubendorf, Switzerland

Bibliografia

• [1] Akselsen O. M., (1992) J. Mater. Sci. 27, 1989.
• [2] Hammond P., David S. A. and Santella M. L., Weld. Res. Suppl (October 1988) 227-232.
• [3] Hsueh C. H., J. Am. Ceram. Soc., 74 (7) (1991) 1646-1649.
• [4] Nemoto Y., Ueda K., Satou M., Hasegawa A., Abe K., Journal of Nuclear Materials, 258-263(1998)1517-1522.
• [5] Schwartz MM., Ceramic joining. Mat. Park: ASM Intern.(2003).
• [6] You, J.H. and G. Breitbach, Fusion Engineering and Design, 38(1998)307-317.
• [7] Lee S.-B., Kim J.- H., J. Mat. Proc.Techn. 67(1997)167-172.
• [8] Park J.-W., Mendez P.F., Eagar T. W., Acta Mat. 50(2002)883-899.
• [9] Zhu, M., Chung, D.D.L., J. Mat. Science 32(1997), 5321-5333.
• [10] Klose H., Beitrag zur Berechnung, Herstellung und Charakterisierung von verstärkten Aktivloten, PhD Thesis TU Chemnitz 1999.
• [11] V. Bissig, J. Janczak-Rusch, M. Galli, Selection and Design of Brazing Fillers for Metal-Ceramic Joints, Materials Science Forum, 539-543(2007)4008-4012.
• [12] G. Blugan, J. Kübler, V. Bissig, J. Janczak-Rusch, Brazing of silicon nitride ceramic composite to steel using SiC-particle-reinforced active brazing alloy, Ceramics International, in press.
• [13] J. Janczak-Rusch, Brazing and characterisation of advanced ceramic joints, Ceramic Eng. and Science, 26(2005)391-398.
• [14] G. Blugan, M. Hadad, J. Janczak-Rusch, J. Kübler, T. Graule, Microstructure, Mechanical Properties and Fractography of Commercial Silicon Nitride-Titanium Nitride Composites for Wear Applications, J. Am. Ceram. Society, 88(2005) 926-935.
• [15] M. Galli, J. Botsis, J. Janczak-Rusch, On the relief of the residual stresses in ceramic-metal joints by a layered braze structure, Adv. Eng. Materials, 8[3] (2006) 197-201.
• [16] V. Bissig, J. Janczak-Rusch, M.Galli, Comparison of three different active filler metals used for brazing ceramic-to-ceramic and ceramic-to-metal, Adv. Eng. Materials, 8[3] (2006) 191-196.
• [17] G. Blugan, J. Janczak-Rusch, J. Kübler, Properties and fractography of Si3N4/TiN ceramic joined to steel with active single-layer and double-layer braze filler alloys, Acta Materialia, 52 (2004) 4579-4588.
• [18] M.Galli, J.Botsis, J.Janczak-Rusch, Experimental Assesment and Modeling of the Mechanical Behavior of Particle Reinforced Active Braze Filler Metals, Proc. of 6th European Solid Mechanics Conference, Budapest, Hungary, September, 2006.
• [19] H.R. Elsener, J. Janczak-Rusch, V. Bissig, U.E. Klotz, B. Zigerlig, Partikelverstärkte Aktivlote: Grundlagen, in „Verbundwerkstoffe“, Hrsg. Degischer, 2003, pp. 738-743.
• [20] J. Janczak-Rusch, B. Zigerlig, U. Klotz, et.al., Joining of Si3N4/TiN Ceramics with Steel Components Using Particle Reinforced Active Brazing Alloys, Proc. of 6th Int. Conf. On Joining Ceramics, Glass and Metal, Munich, 2002, pp.41-48.
• [21] Hsueh C. H. and Evans A. G., J. Am. Soc., 68(5)(1985) 241-248.
• [22] Iancu O. T., Munz D., Eigenmann B., Scholtes B. and Macherauch E., J. Am. Ceram. Soc., 73 (1990) 1144-1149.
• [23] Charreyon P. O., Bylina N. J. and Hannoosh J. G., in Fracture Mechanics of Ceramics, Plenum, New York, 8(1986) 225-238.
• [24] Charreyon P. O., Patten D. O. and Miller B. J., Ceram. Eng. Sci. Proc., 10 (1989) 1801-1824.
• [25] Masanori K., Sato M., Ihara I. and Saito A., in C. S. Barret et al. (eds.), Advances in X-ray Analysis, 33(1990)353-362.
• [26] Williamson R. L., Rabin B. H. and Drake J. T., J. Appl. Phys., 74(1993)1310-1320.
• [27] Yu H.-Y., Sanday S. C. and Rath B. B., (1993) J. Am. Ceram. Soc., 76 1661-1664.
• [28] Wang X.-L., Hubbard C. R., Spooner S., David S. A., Rabin B. H., Williamson R. L., Materials Sci.and Eng.A211(1996)45-53.
• [29] Cao H. C., Thouless M. D. and Evans A. G., (1988) Acta Metall., 36(8)2037-2046.
• [30] Lee, S.-B. and J.-K. Kim, Int. J. Fatigue, 19(1)(1997)85-91.
• [31] Kim J. H., Lee S. B., Th. and Applied Fracture Mechanics 30(1998)27-38.
• [32] Evans AG, Ruhle M, Turwitt M. J. de Physique C4 (1980).
• [33] Mackerle J., Finite Elements in Analysis and Design, 37(2001) 253-262.
• [34] Mackerle, J., Modelling and Simulation, Mat.Sci.Eng., 10(2002) 637.
• [35] Zhang, J. X., Chandel, R. S, Chen, Y. Z. & Seow, H. P., Journal of Materials Processing Technology 122, (2002) 220-225.
• [36] Wielage B. and Ashoff D. Technische Keramik, (1990) 3.9.2.1.
• [37] DVS, Merkblatt DVS 3102, Herstellen von Keramik-Keramikund Keramik-Metall-Verbindungen durch Aktivlöten.
• [38] Lee S.-B., Kobayashi H., Huh J.-W., 1995, Int. J. Fatigue 17(1995)427-435.