36.1. Состав и основные свойства материалов

36.1.1. Стекло

Стекло — аморфный материал, получаемый путем сплавления стеклообразу­ющих оксидов типа SiCb, В2О3, Р2О5, AI2O3 В соответствии с этим разли­чают классы стекол — силикатные, боратные, германатные, фосфатные, алю — мииатные и др. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (табл 36.1)

По назначению стекла могут подразделяться иа большие группы Оптические стекла — это однородные прозрачные неокрашенные специ­ально стекла (табл. 36.2).

ТАБЛИЦА 36 і

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТИПОВЫХ СТЕКОЛ [4]

Химический состав в весовых частях

Тип стекла

Si02

N а20

СаО

MgO

AljOs

РЬО

к2о

ВдОд

Кварцевое

100

Известково-натр и евое

72

15

9

3

Свинцовое

68

10

1

15

6

Боро-силикатиое

80

4

2

14

Марка

стекла

Показатель

преломления

пр

Средняя

дисперсия

(Пр-Пс)-10“

Коэффициент расширения, град"1, средний от 293 до 393 К, -107

Плот­

ность,

г/см3

Модуль Юига Е, МПа

ЛК4

1,4903

753

51

2,33

64 900

К5

1,5110

795

74

2,47

78 900

К8

1,5163

806

76

2,52

82 300

ТАБЛИЦА 36.3

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ МОЛИБДЕНОВОЙ ГРУППЫ [6]

Марка

стекла

а 107 при 293—573 К

Модуль

Юига,

МПа

Временное сопротивле­ние растя­жению, МПа

Временное сопротивле­ние сжатию, МПа

Темпера­тура раз­мягчения,

К

С48-1

48,0

64 500

77,0

1 080

828

С49-2

49,0

66 700

30—50

850

858

С50-1

50,0

893

Электротехнические стекла находят применение главным образом в элек­тровакуумной промышленности Ряд электротехнических стекол были спе­циально разработаны для получения надежных соединений с металлами. Ко­эффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки с отдель­ными металлами и сплавами (табл. 36.3).

Определяющим свойством стекла является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Вязкость стекла в точке трансформации равна 1012’3 Па-с. До температуры трансформации стекло находится в хрупком состоянии, а выше этой точки оно обратимо переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при ме­ханических ударах, ни при внезапном резком увеличении температуры.

36.1.2. Ситаллы

Ситаллы—это искусственные материалы, полученные путем кристаллизации стекол определенного состава Для получения ситаллов необходимо выбрать соответствующий состав стекла, ввести в этот состав катализатор кристал­лизации и сварить стекло, а затем провести специальную термическую об­работку.

Назначение термической обработки состоит в том, чтобы обеспечить, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; во — вторых, необходимую степень закристаллизованности; в-третьих, заданный фазовый состав ситалла.

В зависимости от химической природы ситаллы классифицируются сле­дующим образом: ситаллы сподуменового состава (СО—115М) ситаллы кордиеритового состава и свинецсодержащего состава.

36.1.3. Керамика

К традиционной керамике относят изделия из глины и кремнезема, которые являются основными компонентами керамики, фаянса, фарфора, эмалей и других материалов

В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной керамикой широко используют в промышленности несколько групп новых материалов:

1. Керамика чистых оксидов иа основе Ab03 (корунды), SiCb, 2тОг, ТЬОг, BeO, MgO, а также шпинель (MgAb04) и форстерит Mg2Si04 (табл. 36 4).

2. Бескислородная керамика на основе нитридных и карбидных соедине­ний (Si3N4, SiC, TiC и др), а также комбинированная керамика на основе оксикарбидов и оксинитридов (миалоны и др.).

3. Магнитная керамика, основа которой — оксиды Fe203, MnO, NiO (ферриты).

4 Пьезокерамика иа основе титаиата, цирконата свинца (ЦТС-19).

Кроме того, промышленность постоянно разрабатывает новые виды ке­рамических материалов. Наиболее распространенной керамикой являются разные марки керамики иа базе оксида алюминия, так называемые высоко­глиноземистые керамики. Так, на основе оксида алюминия разработана боль­шая группа керамических материалов (табл. 36.4).

Керамика относится к хрупким материалам, поэтому ее реальная проч­ность примерно на три порядка меньше теоретической Прочность керами­ческих материалов определяется их составом и микроструктурой (табл. 36.5).

ТАБЛИЦА 36.4

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОРУНДОВЫХ МАТЕРИАЛОВ [2], %

Марка

Al. O,

Si02

FeA

CaO

MgO

BaO

Na20

KaO

Cr203

MnO

BA

ВК94-1

95,14

2,50

0,03

0,20

0,48

1,96

М7 мииалунд

93,96

3,94

0,03

2,07

0,04

Сапфирит

98.0

0,5

1,5

ВК ЮО-2

99,8

0,2

Поликор

99,7

0,3

ТАБЛИЦА 36.5

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ [2]

Материал

Температура

размягчения

стеклофазы,

К

Прочность на растяжение, МПа, 293 К

Прочность на сжатие. МПа, 293 К

Температурный коэффициент линейного расширения •10“7, 293—1073 К

BK94-1

1123—1173

130,0

1100,0

62—78

M7

1373—1473

85,0

61—78

Сапфирит

62—85

BK94-1

100,0

980,0

62—78

Поликор

69—83

36.1.4. Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой

При правильном конструировании сварного узла температурные коэффици­енты линейного расширения (ТКЛР) стекла, керамики и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, возника­ющие при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко для соединения со стеклом и керамикой ис­пользуют железоникблевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь, а из чистых металлов Си, Ni, Ті, Al, Мо, Wi н некоторые другие. Основные свойства металлов, которые могут быть использованы при разработке металлокерами­ческих и металлостекляиных узлов, приведены в табл. 36.6.

36.2. Свариваемость материалов

Способы сварки плавлением, как правило, непригодны для соединения металлов с керамическими и стеклообразными мате­риалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. Наибольшую перспективу создания неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка (ДС).

На свариваемость стекла, ситаллов и керамики с металлами существенное влияние оказывает их химический состав, струк-

ТАБЛИЦА 36.6

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СВАРКИ СО СТЕКЛОМ И КЕРАМИКОЙ [б]

Металл или сплав

Темпера­тура плав­ления, К

Средний ТКЛР в интервале 293—473 К а-107, град-1

Модуль упругости £•10-3, МПа

Временное сопро­тивление растя­жению, МПа

Вольфрам

3683

44,4

365—400

1800—4150

Молибден

2933

55

280—330

700—1000

Тантал

3269

65

186—190

1400—1800

Цирконий

2225

60

90—100

250—1200

200—1000

Титан

1943

82

98—117

450—1020

Платина

2044

90,7

100—175

140—370

Палладий

1825

119

112—130

140—540

Железо

1804

125

207—217

180—620

Никель

1725

133

180—227

320—1000

Медь

1356

165

117—130

160—500

Алюминий

933

238

66—73

80—110

Платинит

60—65

280—380

Нержавеющая

80—100

сталь

0Х18Н10Т

1698

173

190—200

560—630

Ковар 29НК

1723

50

540

тура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравно­весных дефектов, а также ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов. Так, на свариваемость кера­мики с металлами влияет ее микроструктура, т. е. увеличение размеров зерен керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению протяженности границ и, следовательно, участ­ков наиболее активного взаимодействия.

Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки, соединение получается более прочным. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, например ВК100-2, с металлами, тре­буются большие энергозатраты, чем для керамики с наличием стеклофазы (ВК94-1).

36.2.1. Природа и механизм образования соединения

Необходимым условием образования сварного соединения ме­таллов со стеклом и керамикой является химическое взаимодей­ствие [1], механизм которого зависит от свойств элементов. В ус­ловиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):

(1)

(2)

Ме«°т + Ме/<°£ Ме*Меу°г —

аМе’ + Me” От-> Ме^Оу — f — 6Ме.

По механизму реакции (1) взаимодействуют d-элементы пе­риодической системы Менделеева, практически все переходные металлы и сплавы на их основе (Fe, Ni, Со, W, Мо, Мп и т. д.), а по схеме реакции замещения (2) взаимодействуют s — и р — элементы — непереходные металлы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому разработка технологии ДС стекла и керамики с металлами должна производиться как с учетом физико-хими­ческих свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохи — мических процессов, происходящих в зоне контакта.

36.2.2. Причины образования дефектов

Наиболее распространенным дефектом металлостеклянных и металлокерамических узлов является образование трещин из-за высокого уровня остаточных напряжений, вызванных боль­шим различием коэффициентов термического расширения соеди­няемых материалов. Согласование теплового расширения соеди­няемых материалов устраняет опасность возникновения терми­ческих напряжений. Соединять материалы с несогласованными ТКЛР также возможно, но толщины металлической детали при этом сильно ограничены [1, 2, 3].

36.3. Технология сварки

36.3.1. Подготовка стекла, ситалла и керамики

Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным спосо­бом получения качественной поверхности под сварку. Термичес­кое обезжиривание обычно применяется в сочетании с химичес­кой очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в каче­стве рабочих жидкостей применяются различные химические ве­щества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой в сущности сводится к трем основным процессам: обез­жириванию, удалению механических загрязнений и травлению

ТАБЛИЦА 36 7

РЕЖИМЫ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ СТЕКОЛ И КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛАМИ [8]

Режим сварки

Необ­

Соединяемая пара

Промежу­

точная

прокладка

темпе­рату­ра, К

дав

леиие,

МПа

время,

мин

вакуум,

Па

ходи­

мость

окис­

ления

метал­

ла

Кварц кварц

А7

893

12,0

40

0,0133

Нет

Кварц + кварц

Ml

1223

10,0

30

0,133

Да

Кварц + кварц

HI

1423

12,0

40

0,133

>’

Кварц — j — кварц

АМц

873

8,0

30

0,0133

Нет

Кварц 4" кварц

Без

1423

8,0

30

0,0133

»

С49-2 + 29НК

прокладки То же

863

5,0

20

0,133

Да

ЛК-4 + Мо

А7

803

10,0

40

0,0133

Нет

ЛК-4 + ЛК-4

А7

773

12,0

40

0,0133

»

К-8 + К-8

А7

853

5,0

30

0,0133

‘)

К-8 + К-8

ВТ 1-0

953

4,0

20

0,0133

»

К-8 + К.-8

38ЮНДК

873

6,0

20

0,133

Да

ВК94-1 4- ВК94-1

АМгб

863

10,0

20

0,0133

Нет

ВК94-1 + ВК94-1

АД1

893

10,0

30

0,0133

»

ВК94-1 + ВК94-1

М-1

1223

10,0

40

0,133

Да

ВК94-1 + ВК94-1

29НК

1323

10,0

20

0,133

»

Сапфир 4~ сапфир

•АМгб

863

8,0

30

0,0133

Нет

Сапфир 4- ВТ-1-0

АМгб

863

10,0

15

0,0133

»

Феррит (5000МТ) + феррит

АД1

873

10,0

30

0,0133

»

(5000 МТ)

Феррит (5000МТ) 4- феррит

АМгб

863

10,0

20

0,0133

Нет

(5000 МТ)

СО-115М + СО-115М

АД1

893

8,0

40

0,0133

»

Пол и кор -+- пол и кор

АМгб

863

10,0

30

0,0133

»

Поликор — j — ВТ-1-0

АМгб

863

12,0

10

0,0133

»

* А7 Ml, Hi — марки Al, Си, Ni

поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа об­работки, а к травлению прибегают только в случае необходимо­сти изменения структуры поверхностного слоя.

36.3.2. Подготовка металлов к сварке

Химические активные металлы (s — и р-элемеиты) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керами­кой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные ме­таллы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную об­работку, связанную с созданием иа их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности [1, 3, 6].

36.3.3. Режимы сварки

При разработке технологии ДС стекла и керамики с метал­лами широко используют промежуточные прокладки. Назначе­ние прокладок главным образом сводится к снижению энерге­тических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.

36.3.4. Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов

Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или ке­рамику, при этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем

неметалла. Такие соединения называют охватывающими (рис.

36.1, а—в).

2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или сое­динениями (рис. 36.1, г).

3. Соединения, когда металлическая деталь сочленяется с не­металлической по плоскости торца; поэтому они и называются плоскими или торцовыми соединениями (рис. 36.1, д — ж). Возникновение больших и опасных напряжений в таких сое­динениях компенсируют следующими способами: использова­нием металлов небольших толщин и возможно меньшего диа­метра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослаблять напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с че­редованием промежуточных отжигов.