книги из ГПНТБ / Зимин, В. С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента

в разогретом дне трубки так, чтобы места прокола совпали с от­ верстиями в оправке. Через проколотые отверстия в отверстия оправки плотно вставляют электроды и поочередно спаивают их выступающие концы со стеклом дна трубки на узком пламени горелки. На рис. 63, в показаны комбинированные электроды, со­ стоящие из небольших платиновых дисков (для увеличения по­ верхности электродов) с припаянными к ним проволоками из

платины.

Пропояв электроды, дно трубки разогревают на пламени и

выравнивают на графитовой плитке. Дутье проводят через труб­

ку вынимают. Дну трубки с впаянными электродами придают шли­ фовкой и полировкой ровную гладкую или вогнуто-сферическую поверхность. После полировки остатки трубки сошлифовывают и получают стеклянный диск с платиновыми электродами. Готовый

диск впаивают в трубки из аналогичного стекла методом впаива­ ния оптических стекол.

Иридий. Иридий — редкий металл, по свойствам похожий на

платину. Он обладает низким удельным электрическим сопро­ тивлением, тугоплавкостью (иридий более тугоплавок, чем пла­ тина), он не окисляется в воздушной среде. Однако иридий —

дорогостоящий металл, поэтому в спаях со стеклом его приме­ няют редко, а поведение спаев изучено еще плохо.

Были получены спаи иридиевого стержня диаметром 0,8 мм

со стеклом П-15 («пирекс); спай вакуумноплотный, цвет спая естественный. Стержень остекловывался приемом «обмотки» стек­

лом на пламени горелки в воздушной атмосфере. Иридий хорошо смачивается и кварцевыми стеклами; по-видимому, рантовые спаи иридия с ними должны быть вакуумноплотными.

Сплав платина — родий. При работе в режиме высокого вакуу­

ма часто необходимо знать точную температуру в какой-либо точке прибора (замкнутого объема). В этом случае в прибор вмонтируют платина — платинородиевую термопару. Сечение про­ волок составляет 0,1—0,2 мм. Такую термопару перед впаива­ нием остекловывают при помощи отрезков стеклянных трубок. Вакуумноплотный спай получается со стеклом № 23, ХУ-1, С49-2,

С87-1.

Ковар. Ковар — сплав, состоящий из 53% железа, 29% никеля и 18% кобальта. Он обладает высокой механической прочностью,

коррозионной стойкостью, хорошо сваривается с металлами, под­ дается обработке и т. д., а главное, он образует вакуммноплотные

согласованные спаи со стеклом. Окисная пленка ковара хорошо растворяется в стекле и образует прочный переходный слой от стекла к металлу. Стержни из ковара хорошо спаиваются со стеклами отечественного производства С49-2, С48-1, С47-1, а труб­

140

кое применение в промышленности. В настоящее время он стал одним из основных металлов, применяемых для спаивания со стеклом.

Чистота механической обработки коваровых деталей должна соответствовать 5—7 классу, это достигают шлифовкой или химическим травлением.

Мелкие детали травят в смеси 10%-ной соляной и 10%-ной

азотной кислот при температуре 70oC или в соляной кислоте кон­

и 40 мл 30%-ной перекиси водорода). Обработанную деталь про­ мывают водой и сушат. Крупные детали обрабатывают электро­ литическим путем: электролитом служит 5—10%-ный раствор сер­ ной кислоты, напряжение 10—12 В, плотность тока 1 А/см2.

Обезгаживание проводят в печах с защитной атмосфе­ рой (лучше в атмосфере влажного водорода) при температуре 900—HOO0C в течение 15—30 мин.

Обезжиривают коваровые детали в этиловом спирте или

ковар переокисляется) любым известным способом. Переокислен-

ный спай имеет черный цвет, его считают бракованным. Вакуум^- ноплотный спай ковара со стеклом (в холодном состоянии) имеет мышино-серый или стальной цвет.

Спаивание ковара с другими металлами. Коваро­ вые трубки применяют в основном в качестве перехода от стекла к различным металлам (сталь, медь и т. д.). Ковар со сталью паяют в печах с защитной атмосферой медным припоем, спай об­

ладает герметичностью, чистотой шва и т. д.

Иногда обезгаженные коваровые детали, спаянные медью со сталью в водородной печи, при спаивании со стеклом выделяют

большое количество газа, в результате чего в месте спая стекло— металл образуются пузыри. Предполагали, что это происходит из-за выделения сорбированного газа. Однако спаи стекла с кова­

ром, омедненным гальванически с последующим вжиганием мед­ ного покрытия в ковар в водородной печи (без пайки со сталью), оказались очень хорошими. Таким образом, удалось установить, что некоторые марки стали содержат газообразующие примеси, которые при пайке с коваром (в водороде) переходят на его по­

верхность. Поэтому стальные детали перед пайкой с коваром стали покрывать медью гальванически с последующим вжиганием

меди в сталь в водородных печах.

При пайке меди с коваром часто применяют припои на сереб­ ряной основе. Однако серебро проникает в кристаллическую ре­

141

подвергают гальваническому меднению с последующим вжиганием меди в ковар нагреванием в водородных печах.

Сплавы железо — никель — кобальт — хром с разным процент­

ным содержанием этих элементов применяют в основном в круп­ ном промышленном производстве электровакуумных приборов. В практике стеклодувных работ довольно редко приходится

встречаться с вводами из таких сплавов, так как их с успехом

можно заменить коваром. Спаивают такие сплавы с легкоплав­ кими стеклами С87-1, 23 и др. Спаи получаются вакуумноплот­ ные, в холодном состоянии они могут иметь цвет от металличе­ ского до серого и серо-зеленого.

Титан. Пленка окиси титана обладает хорошими адгезионными свойствами к стеклу, а прочность сцепления превосходит проч­ ность сцепления ковара со стеклом. Титановые стержни после обезгаживания в печи с защитной атмосферой или в пламени го­

релки (в течение 5 мин), шлифовки и обезжиривания поверхности в спирте прогревают в окислительной зоне пламени до образова­

ния на поверхности окисла желтого цвета, а затем остекловывают приемом «обмотки», нагревая в восстановительной зоне пламени горелки. Хорошо согласуются с титаном стекла № 23, ХУ-І. В эти сорта стекла можно впаивать и неширокие пластины из титана. Спай получается вакуумноплотным и в холодном состоянии имеет

темно-синеватый цвет.

Тантал. Тантал — редкий металл. Он тугоплавок (температура плавления 2850°С), легко окисляется в пламени горелки (окись тантала — порошок белого цвета). Спаи тантала со стеклом изу­ чены еще плохо. В настоящее время получают вакуумноплотный

спай тантала со стеклом П-15.

Предварительная обработка поверхности танталовых деталей та же, что и вольфрамовых: тренировка в вакууме, механическая обработка, обезжиривание. Танталовый стержень диаметром 1 мм остекловывают при помощи вакуума. Холодный спай тантала со стеклом имеет мышино-серый цвет. Необходимо помнить, что тантал, впаянный в стекло, чрезвычайно ломок.

§ 46. Несогласованные стержневые спаи (бусинковые)

Платинит. Платинит — сплав железа (58 вес. %) с никелем (42%), покрытый тонкой медной оболочкой. Этот сплав оказался

хорошим заменителем дорогостоящей платины в спаях со стек­

лом. Отсюда и произошло его название. В Германии платинит на­ зывают проводом Финка, в Англии — дюмет (dumet).

Вакуумноплотный спай платинит образует с свинцовыми и легкоплавкими сортами стекла типа № 23. Спай его со стеклом имеет красный цвет (закиси меди). Образование вакуумноплот­

ного спая объясняют способностью закиси меди хорошо смачи­ ваться стеклом и растворяться в нем, а также частичной дефор­

мацией медной оболочки при охлаждении стекла, спай получается

142

с преобладающими напряжениями сжатия. Для впаивания в

стекло применяют платинитовую проволоку или стержни диамет­ ром до 0,8 мм, более толстые стержни в стекло не впаиваются. Остекловывают платинитовые стержни с помощью отрезков стек­ лянной трубки после предварительного нанесения буры на по­ верхность проволоки. Делают это следующим образом. Платинит обезжиривают, протравливают и окисляют путем нагревания до

320—350 oC с последующим медленным охлаждением. Затем его

смачивают нагретым до 70oC 12%-ным водным раствором буры

(Na2B4O7) и для спекания слоя буры нагревают в муфельной печи до 700oC в течение 3—10 мин. В результате такой обработки

платинит покрывается слоем закиси меди (после нагревания) и стекловидным слоем сплавленной буры (после спекания буры). Этот слой предохраняет платинит от переокисления и обеспечи­ вает хорошее смачивание расплавленным стеклом.

Никель. Вакуумноплотный спай никелевого стержня (проволоки) со стеклом получить очень трудно, так как при сплавлении ме­ талла выделяется растворенный в нем газ, кроме того, не извест­

но стекло, согласующееся с никелем. Однако никелевые стержни часто применяют для монтажа приборов, если нет необходимости в вакуумноплотном спае, например при изготовлении стеклянных

электролизеров, в которых анодом и катодом служат никелевые стержни диаметром не более 1 мм.

Перед впаиванием никелевый стержень тщательно отжигают в пламени до 5 мин и остекловывают с помощью отрезка стеклян­ ной трубки, причем используют капиллярную толстостенную трубку с соотношением диаметров 1 : 15. Пропаивать в пламени следует как можно быстрее. Нередко многие стеклодувы, чтобы ускорить процесс спаивания, втягивают воздух из трубки в себя, как только размягчится стекло. При длительном спаивании из прогретого никеля выделяется большое количество газов, и спай из-за образования пузырей становится непригодным. После остек­ ловывания еще в горячем состоянии один конец остеклованного

асбеста.

Следует отметить, что несогласованные вакуумноплотные трубчатые и лезвенные спаи никеля с успехом применяют в элек­ тровакуумной промышленности. Цвет спаев варьируется от мо­ лочно-белого до зеленого. Впаивают никель в стекла типа № 23, а также в стекло П-15.

§ 47. Согласованные рантовые спаи

Рантовыми называют спаи стеклянных трубок со специально

подготовленными металлическими. Эта подготовка заключается в обработке кромки металлической трубки и остекловывании ее по юрцу до образования стеклянного ранта.

14?

Конструкции рантовых спаев представлены на рис. 64; самой распространенной является конструкция, показанная на рис. 64, ж. Для изготовления согласованных рантовых спаев чаще всего применяется ковар. Из отечественных стекол, согласующихся

е

л о

Рис. 64. Конструкции рантовых согласованных спаев (по Μ. Л. Любимову).

Кромку коваровой трубки получают точением или давлением на токарном станке. Наиболее подходящий угол заточки кромки колеблется от 5 до 10°. Края кромки (в торцовой части) должны

Стенки кромки по всей окружности трубки делают одинако­ выми по толщине. Толщина стенок в торцовой части определяется диаметром коваровой трубки, но не должна быть менее 0,1 мм

для согласующихся стекол и 0,04 мм для несогласующихся стекол типа «пирекс» (лезвенный несогласованный спай). В табл. 7 при­

144

ведены рекомендуемые размеры остеклованной части кромки, толщины стекла и металла для различных диаметров трубок из

ковара.

Кромку остекловывают в восстановительной зоне пламени. Есть два способа остекловывания: размягченной стеклянной па-

Рис. 65. Второй способ остеклования рантовых спаев.

лочкой и надеванием на кромку заранее приготовленной стеклян­ ной заготовки.

Первый способ. Подготовленную для спаивания в закреп­ ленную в насадке коваровую трубку вместе со стеклянной палоч­ кой вводят в восстановительную зону пламени и разогревают часть торца кромки до красного каления. При этом можно визу­ ально наблюдать, как образовавшиеся сначала окислы постепенно

исчезают с поверхности металла. Размягченную в пламени палоч­ ку накладывают на раскаленный торцовой край кромки, стараясь,

чтобы стекло захватывало и наружную, и внутреннюю часть кромки, образуя двойной рант. Стеклянную палочку следует

слегка прижимать к металлу; это увеличивает спаиваемую поверх­ ность. Далее, не вынимая кромку из восстановительной зоны пла­

мени, по мере размягчения стекла и разогрева металла коваровую трубку медленно вращают вокруг горизонтальной оси (от себя),

накладывая стекло палочки до полного остекловывания торца кромки. Если рант получился недостаточным по размерам, то его

увеличивают, вторично накладывая размягченное стекло палочки на наружную или внутреннюю часть металлической кромки с за­ хватом полученного ранта. Нагревание ведут в той же зоне пла­ мени.

Если остекловывать кромку коваровой трубки не по торцу, а

отдельно — сначала наружную часть, потом внутреннюю, то в мо­ мент остекловывания первой поверхность второй переокисляется. Стекло плохо смачивает переокисленный металл, и если удается остекловать переокисленную поверхность, то спай в этом месте

получается черного цвета — недоброкачественный.

Полученный рант пропаивают в любой зоне пламени и вырав­ нивают развертками, снимая лишнее стекло стеклянной палочкой. Затем к торцу ранта припаивают стеклянную трубку. Спай ранта C трубкой должен составлять одно целое, т. е. наружный диаметр

145

ранта должен быть равен наружному диаметру припаянной стек­ лянной трубки. Переход от металла к стеклу всегда следует делать плавным, без резких углов и хорошо проваривать.

Таблица 7. Рекомендуемые размеры рантовых согласованных спаев

Второй способ остекловывания заключается в надевании специальной стеклянной заготовки на подготовленную коваровую кромку (рис. 65) с последующим спаиванием в восстановитель­ ной зоне пламени горелки. Остальные операции те же, что и в первом способе. Узкие коваровые трубки диаметром менее 3 мм

спаивают со стеклом так же, как и коваровые стержни.

Трубки из платины, молибдена и других металлов также могут быть спаяны рантовыми спаями с соответствующими согласую­ щимися стеклами.

§ 48. Несогласованные рантовые спаи

При резком различии значений коэффициентов теплового рас­ ширения металла и стекла их спаивают так называемыми лезвен-

ными, или ножевидными спаями, которые являются разновид­ ностью рантовых спаев. Если при изготовлении согласованных

рантовых спаев толщина стенок кромки должна быть не менее

0,1 мм, то в несогласованных наименьшая толщина лезвия кромки должна лежать в пределах 0,04—0,06 мм, а угол заострения мо­ жет колебаться от 2 до 3,5°. Ширина кромки определяется диа­ метром трубок и обычно колеблется от 3 до 20 мм.

Сцепление между стеклом и металлом в лезвенных спаях обес­

печивается благодаря образованию прочного переходного слоя в ре­ зультате растворения в стекле окисной пленки металла, а также благодаря деформации тонкостенного лезвия, происходящей при остывании стекла.

Медь. Чаще всего лезвенным спаем спаивают со стеклом мед­ ные детали. В спаях медь — стекло окисным слоем является за­ кись меди (СигО). Образование окиси меди (CuO) нежелательно, так как она плохо смачивается стеклом. Узнать о ее образовании

можно по цвету окисной пленки, а следовательно, и спая — они черные. Доброкачественный спай медь — стекло имеет красный цвет или цвет натуральной меди. Такой спай вакуумноплотный.

Ug

В спаях со стеклом применяют бескислородную медь, т. е.

медь, не содержащую растворенных окислов меди. Одним из ви­ дов ее является медь, полученная плавкой в вакууме. Обычную медь стараются не использовать, так как при продолжительном нагревании в восстановительном пламени горелки или в восстано­ вительной атмосфере (водородной) в печи она склонна к так на­ зываемой «водородной болезни». После отжига в восстановитель­

ной среде такая медь становится очень хрупкой, а иногда и со­ всем непригодной для спаивания со стеклом.

Травление меди проводят в течение нескольких секунд в кон­ центрированной азотной кислоте с последующей быстрой промыв­ кой в воде и сушкой. Обезжиривают ее поверхность различными

растворителями.

Для обеспечения хорошего спая со стеклом кромку медной трубки предварительно покрывают тонким слоем стеклянной пасты, нанося ее кисточкой или опуская край трубки в пасту. Пасту готовят из стеклянной пудры, приготовленной из стекла, подлежащего спаиванию с медью, и связующей жидкости: мети­ лового спирта, ацетона, изоамилацетата (грушевой эссенции).

Обработанную деталь сушат на воздухе или в термостате. Прежде чем приступить к остекловыванию лезвия кромки, нагревают со­ седний с кромкой участок медной трубки в пламени до красного

каления, чтобы нанесенная на кромку паста сплавилась с метал­ лом. Остекловывают лезвие кромки в зоне полного сгорания пла­ мени. Все эти операции проводят так же, как при изготовлении со­ гласованных рантовых спаев (с помощью стеклянной палочки или специальной заготовки). Остекловывать нужно очень осторожно, чтобы не помять лезвие кромки. Ширина и толщина внутреннего стеклянного ранта спая всегда должны быть больше ширины на­ ружного ранта на 1—2 мм (рис. 66). Общую толщину ранта уста­ навливают в зависимости от диаметра медной трубки. Внутрен­ ний диаметр медной трубки (D), наружный диаметр стеклянной трубки (d) и толщина стенки стеклянной трубки (Z) связаны ме­ жду собой следующей зависимостью:

d = D + (0,6 ÷ 0,8) t

Зная две величины, всегда можно определить третью.

Ниже приведены некоторые данные для расчета рантовых не­

согласованных спаев медной трубки со стеклом:

Наиболее подходящим стеклом для спаивания с медью являет­ ся С49-2, но известны случаи спаивания со стеклами ХУ-І и № 23.

147

Медные проволока и стержни вакуумноплотно со стеклом не

спаиваются.

Серебро, палладий. Серебряные и палладиевые проволоки пока

не удавалось впаять в стекло вакуумноплотно. Но стаканчики,

полученные выдавливанием из фольги этих металлов (с толщи­

Рис. 66. Рантовый лезвенный спай:

ной стенок от 0,05 до 0,1 мм, диаметром 25—30 мм и высотой сте­ нок 4—5 мм), с успехом впаивают в стеклянные трубки на пла­ мени горелки.

Метод впаивания аналогичен впаиванию в стекло стаканчиков

из платины (см. § 45) и отличается от него последней операцией. Так как, нагревая в пламени, можно расплавить тонкую серебря­ ную или палладиевую фольгу, в конце спаивания трубку не вы­ дувают на пламени, а обрезают и шлифуют на планшайбе.

Перед впаиванием металл желательно обезгазить в печах с за­ щитной атмосферой при температуре 500—600 oC в течение 10— 15 мин и обезжирить. Серебряные стаканчики впаивают в трубки

148

из свинцового стекла в окислительной зоне пламени. При обогре­

вании в других зонах происходит восстановление свинца на по­ верхности, и стекло приобретает черньш цвет. Спай серебро — свин­ цовое стекло вакуумноплотный, цвет холодного спая золотистый.

Серебро при нагревании приобретает способность пропускать чистый кислород; впаянные в стекло серебряные стаканчики иногда используют в качестве кислородных очистителей.

Палладиевые стаканчики впаивают в легкоплавкие сорта сте­ кол типа № 23, ХУ-І. Спай — вакуумноплотный и имеет цвет пал­

ладия.

Палладий при нагревании пропускает водород, поэтому его применяют в качестве очистителя водорода.

§ 49. Дисковые спаи

Дисковым спаем называют соединение торца стеклянной

трубки с плоскостью металлического кольца или диска. Конструк­

ции дисковых спаев представлены на рис. 67. Для дисковых спаев применяют металлы, согласующиеся и не согласующиеся со стек­

лом. В первом случае толщина диска не имеет существенного зна­

чения; на практике обычно впаивают диски толщиной 3—4 мм (см.: Впаивание диска монокристалла кремния в стекло). Тол­ щина диска для изготовления несогласованных спаев, например медь — стекло, должна быть не более 0,25 мм.

При впаивании в стеклянные трубки диски не остекловывают,

а после получения необходимого окисного слоя покрывают края диска стеклянной пастой (см. § 48). Впаивают диски несколькими способами:

1)диск помещают внутрь стеклянной трубки и спаивают ребро диска со стенками трубки (для дисков толщиной 3—4 мм);

2)вставив диск в трубку, размягченную трубку сжимают в месте спая так, чтобы края диска оказались остеклованными с

обеих сторон сжатой трубкой; 3) диск помещают между торцами разрезанной трубки и,

сжимая обе трубки, спаивают их края в пламени горелки.

Дутье во всех перечисленных способах проводят с обеих сто­ рон трубки.

Впаивать диски нужно тщательно, стараясь не нарушить гео­ метрию стеклянной трубки. Наплывы, залипания, непровар стекла создают в месте спая добавочные напряжения, что неизбежно приводит к разрушению спая.

Нельзя припаивать стеклянную трубку только к одной стороне

диска, так как сторона диска, свободная от стекла, при охлажде­ нии начнет сжиматься, диск прогнется внутрь трубки и отделится (отлипнет) от стекла. Если требуется напаять металлический диск на торец стеклянной трубки, то сначала его впаивают в

трубку, а затем (после отжига) одну часть трубки отрезают

(вблизи диска) и сошлифовывают, обязательно оставляя высту­ пающий по окружности диска край стекла высотой 0,5—1 мм.

149