Вакуумная металлургия

Понижение пористости влечет за собой уменьшение «анизотропности» об­ работанного материала, что иллюстрируется данными табл. 3.

Таблица 3

Отношение свойств, полученных при продольной обработке, к свойствам, полученным при поперечной обработке сплава циркалой-2

Плавка циркония осуществляется в вакууме вследствие того, что цирконий активно взаимодействует с кислородом, азотом и водородом, которые в той или иной форме влияют на его механические или кор­ розионные свойства.

Цирконий растворяет кислород до 30—50% (атомн.) с образованием твердого раствора [5—7]. При нагреве в атмосфере кислорода при темпера­ турах ниже 800° на поверхности циркония образуется окисная пленка. Скорость окисления, очевидно, зависит от состояния поверхности. Если поверхность шлифованная, скорость окисления подчиняется закону кубической параболы ; при химически полированной поверхности она подчиняется закону квадратичной параболы. При нагреве циркония ниже 800° растворяется лишь небольшое количество кислорода. Наиболее подробно этот вопрос освещен в работе [8].

При температуре 20° (комнатная температура) кислород обладает упрочняющим свойством, но по мере нагрева выше 300° эффект упро­

данных табл. 4. Первичная обработка слитков, выплавленных в дуго­

Форшер [17] детально изучил влияние различных содержаний водорода на предел прочности при растяжении циркония при различных темпера­ турах и скоростях деформации. Он установил, что при концентрации до 0,005% водорода последний оказывает значительное влияние на ков­ кость циркония особенно при пониженных температурах. Закаленные об­ разцы, содержащие водород в твердом растворе, хорошо куются при тем­ пературе 196°, имеют относительное сужение поперечного сечения 70%. При этой же температуре отпущенные образцы имеют в два раза худшую ковкость; с повышением температуры различие в пластичности закален­ ных и отпущенных образцов постепенно исчезает; высокой пластично­ стью обладают закаленные образцы при высоких скоростях деформации. Образцы циркония, разорванные при комнатной температуре, имеют губчатую поверхность разрыва. При металлографическом изучении разор­ ванных образцов обнаруживается значительная пористость вблизи поверхности разрыва. Эта пористость, очевидно, является следствием осажденця гидридов и трехосной деформации. Деформация, вызывающая пористость, связана.с наличием водорода. При медленном охлаждении или при старении выделение гидридов всегда обусловливает появление пористости при разрушении образцов. Но если в предварительно зака­ ленных образцах, водород присутствует в твердом растворе то даже при температуре испытания 196° получается плотная поверхность разрыва. Величина пористости, вызванная деформацией, пропорциональна содер­ жанию водорода при его концентрациях до 0,003%. Деформация не вызы­ вает пористости, если она происходит при температурах, когда водород переходит в твердый раствор, например при 260° и 0,0025% Н2. Особенно способствует появлению пористости трехосная деформация, которая возникает при ударе под выпиленной канавкой или в области шейки при разрыве.

Интересным фактом является перемещение атомов водорода в цирко­ нии и его сплавах под влиянием термического градиента ; это явление называется термодиффузией.

Согласно работе [19], водород имеет тенденцию накапливаться в более холодных участках металла на охлаждаемых поверхностях. Напри­ мер, уран, заключенный в циркониевую оболочку и охлаждаемый проточ­ ной водой, будет представлять указанные выше условия работы в ядерном реакторе. Еще не ясно, какое влияние оказывает перераспределение водорода при термическом градиенте на механические свойства циркония при его работе в реакторе. Этот вопрос в настоящее время изучается в ряде лабораторий.

Как было показано раньше, при нагреве в вакууме циркониевая губка очищается от газов; при переплаве ее в вакуумной дуговой печи про­ исходит дальнейшее рафинирование металла. Хотя примеси кислорода и азота не могут быть удалены в процессе вакуумной обработки, при отжиге в вакууме металл предохраняется от излишнего поглощения азота и кисло­

рода. Водород также удаляется из цир­

ведутся дальнейшие исследования в этом направлении. Металлургам необходимо стремиться получить уран для ядерных реакторов с мини­ мальным содержанием кислорода, азота и водорода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выше было показано, каким образом примеси в материалах для реак­ торов, например в уране и цирконии, влияют на их свойства, а также, насколько использование вакуумной металлургии (вакуумной дистилля­ ции, плавки, термообработки) способствует получению требуемой проч­ ности, пластичности и коррозионной стойкости этих материалов.

Такие металлы, как бериллий [30], торий [1], ванадий [1], здесь не обсуждались, но известно, что и их получение и обработка также связаны с вакуумной техникой. Для более подробного изучения этого вопроса отсылаем читателя к соответствующей литературе (см. список литературы).

ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

К. X о р с т ин г

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы показать применение вакуумных металлургических процессов в производстве и обработке материалов для электроники и классифицировать материалы, исполь­ зуемые в этой отрасли промышленности,, в частности в конструкциях электронных, приборов и электронных ламп.

ПРИМЕНЕНИЕ

В свете этих замечаний использование вакуума можно разделить на несколько категорий.

1. Дегазация металлов при высоких температурах в вакууме для удаления адсорбированных или растворенных газов и получения таким образом металлов, применяемых в устройствах с глубоким вакуумом.

2.Отжиг в вакууме для снятия напряжений после механической обработки без окисления поверхности или взаимодействия отжигаемого металла с газом.

3.Пайка металла с металлом или металла с керамикой в вакууме.

4.Испарение металла в вакууме и осаждение его на обрабатываемые поверхности.

5.Производство сплавов при помощи плавки в вакууме.

Высокотемпературная обработка в вакууме

Внутренние детали электронных ламп в основном состоят из ме­ таллов. Содержание газа в этих металлах изменяется от 100 (например, промышленный никель для электродов) до 1000 л-мк/г для некоторых типов карбонизированных пластин.

Миниатюрная приемная лампа типа 6CG7 имеет объем 12 см3, содер­ жит 2,5 г карбонизированных пластинчатых деталей и около 1 г чистого металла, используемого для катодов, вводов сетки и геттера. При выделе­ нии газа из этих деталей в закрытом объеме 12 см3 может возникнут!, давление порядка 200 мм рт. ст. Это давление примерно на 7 порядков превышает допустимый предел для работы электронных ламп.

Так как почти все электронные лампы состоят в основном из т а к о г о же количества металлических деталей, как и в рассмотренном п р и м е р е , то их необходимо дегазировать прежде, чем они станут п р и г о д н ы м и

температуры скорость выделения газа во время цикла дегазации п р о х о д и т через максимум. С понижением температуры эта скорость значительно падает. При использовании химического «насоса», называемого г е т т е р о м ,

можно получить вакуум до 10_б мм рт. ст. без ущерба для срока службы лампы. Данный метод дегацазии деталей и узлов принят лишь для не­ больших ламп и для умеренных темпов их производства. Однако процесс имеет тенденцию к распространению по следующим соображениям: вопервых, постоянное увеличение скорости производства, обусловли­ вающее сокращение времени на дегазацию, и, во-вторых, непрерывно воз­ растающие требования к улучшению качества ламп и увеличению срока их службы. Оба этих фактора требуют проведения более тщательной дега­ зации ламп. Поэтому было проведено большое число исследований, свя­ занных с предварительной дегазацией деталей ламп перед их монтажем. Для выполнения этих операций сконструированы разнообразные типы вакуумных печей.

Некоторые из этих печей являются камерными. Они имеют контей­ неры для перемещения деталей из горячей зоны печи в холодную без нарушения вакуума. В этих печах в течение одной операции можно обработать большое количество деталей. Имеются также печи гори­ зонтального полунепрерывного типа, в которых по обеим сторонам устроены вакуумные шлюзы, позволяющие производить последовательное перемещение через горячую и холодную зоны печи поддонов с деталями, не открывая печи. Работа этих печей аналогична действию непрерывных печей для водородного отжига. Откачные системы обычно оборудованы механическими и бустерными диффузионными насосами, допускающими снижение давления в печи до 1000 мк рт. ст. Такое насосное оборудо­ вание имеет Еажнсе значение в связи с первоначальным бурным выде­ лением газа при помещении дегазируемых деталей в печь. По оконча­ нии дегазации насосы могут довести давление до 0,5—0,01 мк рт. ст. Температура в центре печи достигает 1000°.

Следует заметить, что ожидаемое в будущем широкое распространение предварительной дегазации уже используется теперь в производстве некоторых типов электронных ламп (мощные лампы и магнетроны), содер­ жащих значительные массы твердого металла. Для многих типов этих ламп детали перед сборкой подвергаются вакуумному отжигу. Практи­ чески эта технология уже разработана для керамических и металли­ ческих ламп. Согласно данным работы [2], все детали перед монтажом дегазируются при 1200°. Медные детали ламп с бегущей волной, например, подвергаются отжигу в течение 0,5—1,5 часа при 700°, танталовые — при 1800°. Сочетание предварительной дегазации с механизацией и авто­ матизацией сборки приемных ламп дает в конечном счете полное удовлет­ ворение перечисленных выше требований.

Вакуумный отжиг

Вакуумный отжиг необходим для снятия напряжений, возникающих в ходе механической обработки, и для предотвращения загрязнения металла газами. В отдельных случаях требуется избежать окисления некоторых элементов или поверхностного обезуглероживания в связи с взаимодействием металла с защитной атмосферой. Хотя в настоящее время нет данных о том, насколько широко практически используется эта технология, однако она уже успешно применяется для периодического отжига в момент протяжки цельнотянутых никелевых трубок, исполь­ зуемых для катодных гильз. Подобная технология особенно необходима при обработке катодных материалов, поскольку они склонны к поглоще­ нию различных веществ и к загрязнению.

Необходимо осторожно подходить к вопросу о чистоте материала, подвергаемого вакуумному отжигу. Например, если подвергнуть вакуум­

ному отжигу материалы, имеющие на поверхности углеродсодержащие вещества (например, оставшаяся смазка при протяжке), то они могут диффундировать в металл и загрязнить его, в то время как при отжиге в слегка окислительной атмосфере эти вещества легко удаляются.

Вакуумная пайка

Вакуумную пайку металла с металлом или металла с керамикой не применяют в обычных приемных радиолампах, но используют при произ­ водстве других ламп, упомянутых в связи с осуществлением предвари­ тельной дегазации. Хотя все еще большое количество мощных ламп паяют в защитных атмосферах и затем откачивают, наблюдается все же тенденция к распространению вакуумной пайки. В современном про­ изводстве ламп с металлическими и керамическими деталями циклы откачки и пайки совмещены в две последовательные стадии в одном и том же процессе. По ходу процесса металлические и керамические детали монти­ руются вместе с припоем и помещаются в вакуумную печь. Поскольку лампа не запаяна, то вакуумной обработке подвергаются как наружные, так и внутренние части. Постепенно повышают температуру, и после некоторой обработки катода припой плавится и уплотняет колбу лампы. Длитель­ ность процесса не более 10 мин. Если лампы небольшие по размерам, можно паять и откачивать одновременно по нескольку штук. Природа припоя для пайки металла с керамикой, например меднотитанового эвтек­ тического сплава, требует создания высокого вакуума для получения воспроизводимых результатов. Так как компоненты припоя обладают высо­ ким сродством к кислороду, они взаимодействуют с окислами керамики, смачивают ее и реагируют с поверхностным слоем. Если же в атмосфере при­ сутствует значительное количество газообразного кислорода, он будет реаги­ ровать с припоем в первую очередь и мешать проведению хорошей пайки. Для таких процессов требуется разрежение порядка 10-5 мм рт. ст.

Вакуумное испарение

Вакуумное испарение имеет широкое применение в электронике. Вопервых, оно применяется для алитирования фосфорных экранов теле­ визионных трубок, проводимого с целью повышения контрастности изобра­ жения. Для создания такого покрытия вольфрамовая нить накала с при­ крепленными к ней кусочками алюминия помещается в горловину теле­ визионной трубки, которая затем откачивается до давления 10-Б мм рт. ст. Пропусканием тока вольфрамовая нить накаляется до 1400°. Алю­ миний испаряется и осаждается на экран слоем толщиной в 1000 А. Этот процесс полностью автоматизирован, за исключением операции введения нити в трубку. Вторым примером использования вакуумного испарения в электронных лампах является осаждение металлического бария при <помощи разбрызгивания «геттера». Осадок бария на стеклянной колбе трубки заметен в виде металлического зеркала. Благодаря своей большой способности поглощать атмосферные газы барий служит в качестве хими­ ческого насоса для удаления газа, который может остаться в трубке после ее откачки или выделиться в процессе работы из внутренних деталей. Испарение бария осуществляют в последний период откачки путем на­ грева током высокой частоты металлического хомутика, содержащего капсюль с чистым барием или с высокобариевой лигатурой. Температура кипения бария около 850°, время испарения — 1 сек.

Третий пример применения вакуумного испарения — это металлиза­ ция бумаги для конденсаторов. Непрерывный поток металлического