Наши консультации

Как сваривают стекло, ситаллы и керамику с металлами

Стекло — аморфный материал, получаемый путем сплавления стеклообразующих оксидов типа SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, Al₂O₃. Различают следующие классы стекол: силикатные, боратные, германатные, фосфатные, алюминатные и др. Наибольшее распространение получили силикатные. Стекла подразделяют по назначению:

• оптические — это однородные прозрачные специально неокрашенные стекла (марки ЛК4, К5, К8);
• электротехнические — находят применение главным образом в электровакуумной промышленности (марки С48-1, С49-2, С50-1). Ряд этих стекол разработаны специально для получения надежных соединений с металлами. Коэффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки к коэффициентам отдельных металлов и сплавов.

 
Определяющим свойством стекла является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Вязкость стекла в точке трансформации равна 10^12,3 Па· с. До температуры транформации стекло находится в хрупком состоянии. Выше этой точки оно обратимо переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при механическом ударе, ни при резком увеличении температуры.
Ситаллы — это искусственные материалы, полученные путем кристаллизации стекла определенного состава: сподуменового (СО-115М), кордиератного и свинцовосодержащего. Для их получения выбирают соответствующий состав стекла, вводят катализатор кристаллизации и варят стекло, а затем проводят специальную термическую обработку, чтобы обеспечить образование максимального числа центров кристаллизации, необходимую степень закристаллизованности и заданный состав ситалла.
Керамика традиционно включает изделия из глины и кремнезема. В промышленности широко используют такие ее виды:

• керамика чистых оксидов на основе Al₂O₃ (корунды), SiO₂, ZrO₂, ThO₂, BeO, MgO, а также шпинель MgAl₂O₄ и форстерит Mg₂SiO₄;
• бескислородная керамика на основе нитридных и карбонитридных соединений (Si3N4, SiC, TiC и др.), а также комбинированная керамика на основе оксикарбидов и оксинитридов;
• магнитная керамика, основа которой оксиды Fe₂O₃, MnO, NiO (ферриты);
• пьезокерамика на основе титаната, цирконата свинца (ЦТС-19).

 
Наиболее распространена керамика на основе оксида алюминия, так называемая высокоглиноземная керамика (ВК 94-1, М7 миналунд, сапфирит, ВК 100-2, поликор). Температура размягчения стеклофазы, например, для ВК 94-1 составляет 1123–1173 К.
Для соединения со стеклом и керамикой используют железоникелевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь. Из чистых металлов — медь, никель, титан, алюминий, молибден, вольфрам и др.
Свариваемость материалов. Способы сварки плавлением для сварки неметаллических материалов и металла, как правило, непригодны. Наибольшую перспективу в создании неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка (ДС). На свариваемость существенное влияние оказывает химический состав, структура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравновесных дефектов и ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов.
Природа и механизм образования соединения. Необходимым условием получения сварного соединения металлов со стеклом и керамикой является химическое взаимодействие, механизм которого зависит от свойств элементов. В условиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):

Me′_nO_m + Me′_kO_l → Me′_xMe′_yO_z (1)
Me′ + Me′_nO_m → Me′_xO_y + bMe′ (2).

По механизму (1) взаимодействуют d-элементы (Fe, Co, W, Mo, Mn и т. д.), а по механизму (2) — s- и p-элементы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому технология ДС стекла и керамики с металлами должна разрабатываться как с учетом физико- химических свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.

Таблица. Режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами

Соединяемые материалы	Промежуточная прокладка	Температура, К	Давление, МПа	Время, мин	Вакуум, Па	Необходимость окисления металла
Кварц+кварц	А7*	893	12,0	40	0,0133	–
Кварц+кварц	М1*	1223	10,0	30	0,133	+
Кварц+кварц	Н1*	1423	12,0	40	0,133	+
Кварц+кварц	АМц	873	8,0	30	0,0133	–
Кварц+кварц	–	1423	8,0	30	0,0133	–
С49-2+29НК	–	863	5,0	20	0,133	+
ЛК-4+Мо	А7	803	10,0	40	0,0133	–
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	0,0133	+
ВК94-1-+ВК94-1	AMr6	863	10,0	20	0,0133	–
ВК94-1-+ВК94-1	АД1	893	10,0	30	0,0133	–
ВК94-1-+ВК94-1	М-1	1223	10,0	40	0,133	+
ВК94-1-+ВК94-1	29НК	1323	10,0	20	0,133	+
Сапфир+сапфир	AMr6	863	8,0	30	0,0133	–
СапфиВЕ-1-0	AMr6	863	10,0	15	0,0133	–
Феррит (5000МТ) +феррит (5000МТ)	АД1	873	10,0	30	0,0133	–
Феррит (5000МТ) +феррит (5000МТ)	AMr6	863	10,0	20	0,0133	–
СО-115М+СО-115М	АД1	893	8,0	40	0,0133	–
Поликор+поликор	AMr6	863	10,0	30	0,0133	–
Поликор+ВТ-1-0	AMr6	863	12,0	10	0,0133	–

  _{* А7, М1, Н1 — марки AL, Cu, Ni.}

Технология диффузионной сварки. Подготовка стекла, керамики и ситалла. Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным способом получения качественной поверхности под сварку. Термическое обезжиривание обычно применяют в сочетании с химической очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в качестве рабочих жидкостей используют различные химические вещества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой сводится к трем основным процессам: обезжириванию, удалению механических загрязнений и травлению поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа обработки, а к травлению прибегают только в случае необходимости изменения структуры поверхностного слоя.
Подготовка металлов к сварке. Химически активные металлы (s- и p-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, керамикой и ситаллом тщательно очищают от загрязнений, а также от оксидов. Переходные металлы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную обработку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности.
Режимы сварки. При 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 таблице.
Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов. Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рисунок).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или керамику, при этом температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) металла имеет большее значение, чем ТКЛР неметалла. Такие соединения называют охватывающими (на рисунке а–в).
2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или соединениями (на рисунке г).
3. Соединения, в которых металлическая деталь сочленяется с неметаллической по плоскости торца, называют плоскими или торцовыми соединениями (на рисунке д–ж).

Возникновение больших и опасных напряжений в таких соединениях компенсируют следующими способами: использованием металлов небольшой толщины и возможно меньшего диаметра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослабить напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с чередованием промежуточных отжигов.
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 толщина металлической детали при этом сильно ограничена.