Caracterización de la unión vidrio-metal en la tecnología Glass to Metal Seal y el estudio de nuevos materiales y procesos de fabricación

Abstract

This doctoral thesis has been carried out at the company VAC-TRON S.A., together with the Department of Materials Science and Engineering of Universitat Politècnica de Catalunya, in the Besós (EEBE) and Vilanova i la Geltrú (EPSEVG) campus, with the support of the Industrial Doctorate Plan of the Secretariat for Universities and Research of the Department of Business and Knowledge of the Generalitat de Catalunya. The scientific and technological interest that justifies this research line answers the concern to know, characterize and improve the products manufactured by glass to metal seal, achieving a knowledge scientifically based that allows optimizing the current way of working in the company. The technology of glass-metal sealing consists of the manufacture of hermetic components, composed of a metal base, a glass preform and metal pins, which are joined by heating the glass to practically a melting state, allowing it to join to metal parts. The bond generated must be hermetic and must guarantee the electrical resistivity of the glass. Glass is the most important part of the three latter components, being responsible to generate a hermetic seal. Its main properties have been analyzed, such as: characteristic temperatures, chemical composition, particle size and microstructure. The results obtained allowed to differentiate the two most commonly used glasses, borosilicate and sodalime, relating the difference in compositions with the sealing temperature of each glass, as well as the increase in this temperature as the heating rate increases. Once the properties of the analyzed glasses are known, the glass-metal seal has been studied according to the design of the piece and the materials used. Then the hermeticity and electrical resistance of the samples were verified and their behavior as a function of temperature and external mechanical stress were studied. The temperature cycles showed that there is no significant change in the properties of sodalime glasses, while in borosilicate glasses decreased their hermeticity after temperature cycle, when the metal body had lower thickness. On the other hand, pressure tests have shown that the height of the glass was important, breaking at the bending limit of the glass. In addition, it has been found that the critical seal is the one formed with the base. As well, thesmaller the glass diameter, the more pressure the piece resists. These results were used to perform a series of numerical simulations to obtain the rupture pressures. Some results were coincident with the simulation but others no. Once the factors that influence the piece performance were known, new metallic materials for the bases have been studied, such as aluminum or titanium, which allow the company to enter new markets. With these new materials, it was necessary to determine the sealing curve and find the right glass to achieve the required tightness and electrical resistance. Solutions were found for both metals, although with certain limitations. In the case of titanium, the required electrical resistance was not attained by the glass, while in the aluminum case, the temperature cycles requirements were not achieved Finally, the evaluation of other alternative manufacturing methods for the metal bases was carried out. Metallic samples obtained by powder metallurgy and through the MIM and MEAM processes were studied. Because the samples manufactured by powder metallurgy and MIM were commercial ones, in which it was not possible to modify their manufacturing conditions, the results have been unfavorable, while with the samples manufactured by additive metal extrusion (MEAM), a proper seal was achieved.

Esta tesis doctoral se ha llevado a cabo en la empresa VAC-TRON S.A. juntamente con el departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universitat Politècnica de Catalunya en su sede del campus del Besós (EEBE) y Vilanova i la Geltrú (EPSEVG), con el soporte del Plan de Doctorados Industriales de la Secretaría de Universidades e Investigación del Departamento de Empresa y del Conocimiento de la Generalitat de Catalunya. La tecnología del sellado vidrio-metal consiste en la fabricación de componentes herméticos, compuestos por una base metálica, una preforma de vidrio y unos pasadores metálicos, que se unen mediante el calentamiento del vidrio hasta prácticamente un estado de fusión, permitiendo que éste se una al metal. La unión generada debe ser hermética y debe garantizar la resistividad eléctrica del vidrio. El interés científico y tecnológico que justifica esta línea de investigación responde a la inquietud de conocer, caracterizar y mejorar los productos obtenidos mediante el sellado vidrio-metal, obteniendo una base de conocimientos científicos que permita optimizar la manera actual de trabajar en la empresa. De los tres componentes, el vidrio es el más importante, siendo el responsable de generar la unión hermética. Se han analizado propiedades como: temperaturas características, composición química, tamaño de partícula y microestructura. Los resultados obtenidos han permitido diferenciar los dos vidrios más utilizados, borosilicato y sodalime, relacionando la composición con la temperatura de sellado de cada vidrio, así como el aumento de esta temperatura al aumentar la velocidad de calentamiento. Conocidas las propiedades de los vidrios analizados, se ha estudiado la unión vidrio-metal según el diseño de la pieza y de los materiales utilizados. Comprobadas la hermeticidad y resistencia eléctrica de las muestras, se ha estudiado su comportamiento a cambios de temperatura y esfuerzos mecánicos. Los ciclos de temperatura determinaron que en los vidrios sodalime no se produce un cambio significativo de sus propiedades, mientras que los vidrios de borosilicato presentan una disminución de la hermeticidad después del ciclo de temperatura cuando la base metálica presenta un menor espesor. Por otro lado, los ensayos de presión han mostrado que la altura de vidrio es importante. Además, se ha comprobado que la unión crítica es la formada con la base, y qué cuanto menor sea el diámetro de vidrio, mayor presión resiste. Estos resultados se utilizaron para realizar una serie de simulaciones y obtener las presiones de rotura, aunque con ciertas diferencias con los resultados experimentales. Conocidos los factores que influyen en la pieza final, se han estudiado nuevos materiales metálicos para las bases, como el aluminio o el titanio, que permita a la empresa introducirse en nuevos mercados. Con estos nuevos materiales, ha sido necesario determinar la curva de sellado y encontrar el vidrio adecuado para conseguir la hermeticidad y la resistencia eléctrica requeridas. Se han encontrado soluciones para ambos metales, aunque con ciertas limitaciones. En el caso del titanio, el vidrio no presenta la resistencia eléctrica requerida, mientras que el vidrio sellado con aluminio no resiste los ciclos de temperatura requeridos por la normativa. Por último, se ha llevado a cabo la evaluación de otros métodos para la fabricación de las bases metálicas que puedan ser alternativos al mecanizado convencional, sobre todo para series pequeñas, disminuyendo el coste y tiempo de fabricación. Se han estudiado muestras metálicas obtenidas por pulvimetalurgia y mediante los procesos MIM y MEAM. Debido a que las muestras obtenidas por pulvimetalurgia y MIM eran muestras comerciales, en las que no era posible modificar sus condiciones de fabricación, los resultados han sido desfavorables, mientras que con las muestras obtenidas mediante fabricación aditiva por extrusión de metal