НТК «ИЭС им. Е.О. Патона»

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 1012,3 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′nOm + Me′kOl → Me′xMe′yOz (1)
Me′ + Me′nOm → Me′xOy + 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.