книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

в требуемых пределах коэффициент термического расширения це­ мента, повышает влагостойкость цемента, является плавнем, т. е. веществом, снижающим температуру размягчения и растекания це­ мента в процессе формования шва.

В зависимости от материала склеиваемых деталей применяются свинцово-боратные стекла различного состава, в которые для при­ дания требуемых свойств вводят различные окислы.

Окись бария повышает текучесть (снижает вязкость) в процессе растекания цемента, улучшает сцепление со склеиваемыми деталя­ ми и повышает прочность соединительного шва.

Окиси цинка, алюминия (и частично бария) повышают химиче­ скую стойкость и уменьшают вероятность выщелачивания свинцовоборатных стекол.

Окись цинка вызывает также образование кристаллов и входит в состав кристаллической фазы.

Окись никеля служит для улучшения сцепления цемента с по­ верхностью склеиваемых деталей (для этой же цели применяют окислы кобальта и марганца).

Двуокись титана увеличивает кристаллизационную способность стеклоцементов — является катализатором процесса кристаллиза­ ции (катализаторами процесса кристаллизации могут служить так­

близок к КТР стекол платинитовой группы. Например, степень рас­ согласованности стекла С88-1 и цемента СЦ90-1 не превышает 100 нм/см. Температура растекания —380° С. Для кристаллизации цемента СЦ90-1 необходим подъем температуры до 440±10°С с вы­ держкой при этой температуре в течение 60—90 мин. Температура деформации закристаллизованного цемента СЦ90-1 порядка 490—500° С. Электрическая прочность не ниже 10 кв/мм. Удельное электрическое сопротивление при температуре 100°С составляет

10й ом-см.

Стеклоцемент приготовляют в виде пасты, которая содержит следующие компоненты:

мелко раздробленное гранулированное стекло с низкой темпера­ турой размягчения (см. § 49); размол обычно производится в шаро­ вой мельнице;

раствор нитроцеллюлозы в амилацетате: нитроцеллюлоза яв­ ляется связующим веществом (биндером), улучшающим сцепление частиц цемента между собой и со склеиваемыми деталями; в каче­ стве биндера применяют также глицерин;

* Например, для склейки баллонов цветных ЭЛТ.

•220

окись хрома для повышения термостойкости цемента (вместо окиси хрома можно применять также окись алюминия и двуокись циркония).

Цементную пасту наносят на предварительно очищенные и от­ шлифованные торцовые поверхности склеиваемых деталей слоем толщиной порядка 0,1—0,4 мм*.

После приведения в контакт склеиваемых поверхностей произво­

стеклоцементом склеиваемых стекол.

Затем с той же скоростью температура поднимается до темпе­ ратуры кристаллизации стеклоцемента 420—440° С и выдерживает­ ся в течение 1 ч.

Место склейки охлаждают медленно со скоростью 3—Бград/мин. После остывания образуется вакуумно-плотный, термически и хими­ чески прочный шов.

При склейке стеклянными цементами, как и при обычных спосо­ бах заварки, внутрь оболочки может подаваться инертный газ (на­ пример, азот) для предохранения деталей от окисления при сушке стеклоцемента.

Для спекания стеклоцементов можно использовать также прин­ цип электродутовой сварки стеклянных заготовок.

Иногда вместо стеклоцементов применяют стеклоприпои. При нагреве стеклоприпоеь до температуры размягчения (которая го­ раздо ниже температуры деформации соединяемых деталей) они хорошо растекаются и смачивают поверхности деталей. В отличие от стеклоцементов для стеклянных припоев переход в кристалличе­ ское состояние нежелателен и приводит к снижению механической прочности соединения (ввиду возможности неуправляемой поверх­ ностной кристаллизации стеклянного шва). В дальнейшем при охлаждении расплав припоя затвердевает и образует стеклообраз­ ную прослойку между склеиваемыми деталями. Ввиду отсутствия кристаллической фазы соединительный шов из стеклоприпоя имеет меньшую прочность и термостойкость, чем шов из стеклоцемента. При повторном нагреве шов из стеклоприпоя размягчается и дефор­ мируется при той же сравнительно низкой температуре, что и при первом нагреве. В то же время шов из стеклоцемента при повтор­ ном нагреве (т. е. после кристаллизации цемента, происшедшей при первом нагреве) может размягчаться и деформироваться только при температурах, гораздо более высоких, чем при первом размягчении до кристаллизации цемента.

■ На практике, например, применяют эмаль следующего состава:

РЬО —75,5%; В20 з —16%; ZnO —8%; Іл20 —0,5%. Эта эмаль имеет

* В последнее время для склейки деталей рекомендуется применять прессо­ ванные кольца из стеклокристаллического цемента.

221

СМЕТАЛЛОМ

§62. КОНСТРУКЦИИ СПАЕВ СТЕКЛА С МЕТАЛЛОМ

Вконструктивном отношении спаи стекла с металлом можно

используются для герметизации и закрепления в стекле вводов тока (электродов). Применение плющении способствует закрытию внут­

со стеклом, например с торцом стеклянной трубки.

Вполых (рантовых) спаях стекло соединяет металлические узлы

вмеханическом отношении и изолирует их друг от друга в электри­ ческом отношении.

§63. СОГЛАСОВАННЫЕ

ИНЕСОГЛАСОВАННЫЕ СПАИ

Практическое применение находят две разновидности спаев стекла с металлом: согласованные и несогласованные *.

* Находят применение также спаи, полученные с помощью припоев и стеклоцементов.

223

В согласованных спаях коэффициенты теплового расширения (КТР) металла и стекла имеют приблизительно одинаковую величи­ ну при любой температуре, до которой может нагреваться или охлаждаться спай в процессе изготовления или эксплуатации при­ бора. При этом чем больше соответствие между величинами КТР металла и стекла, тем меньшие коэффициентные напряжения возни­ кают в спае в процессе его нагрева и охлаждения. К согласованным относятся, например, следующие спаи:

сплавов типа Н47ХР, Н47Д5, Н47ХЗ (а=»90-10~7 ]/град) со стек­ лами платинитовой группы (С93-1, C88-1, С89-6 и т. д., имеющими а ^ 9 0 - 10~7 1/град) ;

молибдена (а«55-10~7 1 [град), ковара [а= (46-f-52) • ІО- 7 1/град]

со стеклами молибденовой группы (например, С52-1, имеющим а«=52- ІО-7 1/град).

Согласованные спаи с кварцевым стеклом достигаются путем применения переходных стекол с постепенно изменяющимся значе­ нием КТР.

В несогласованных спаях КТР металла и стекла имеют различ­ ную величину. В процессе изменения температуры расширение или сжатие стекла и металла в несогласованном спае происходит на разную величину. Это приводит к возникновению в спае опасных коэффициентных напряжений, способных разрушить стекло или ото­ рвать его от металла..

Внесогласованных спаях металл должен быть тонким и мягким

идолжен деформироваться при напряжениях, меньших предела прочности стекла. Деформация металла в спае компенсирует нали­ чие напряжений в стекле и предотвращает его разрушение. К не­

Край металла обычно утоньшается в виде ножевого лезвия. По­ этому такая конструкция спая часто называется лезвенным спаем. Применение меди для изготовления несогласованных спаев обуслов­ лено ее высокой пластичностью, гибкостью и хорошим растеканием стекла по пленке закиси меди.

Недостатками лезвенного спая являются: малая механическая прочность и низкая термостойкость (особенно при длительных цик­ лических нагрузках) тонкостенного лезвия, а также возможность межкристаллитной коррозии, приводящей к потере герметичности спая. Для предотвращения межкристаллической коррозии лезвенный спай рекомендуется получать в вакууме.

На практике часто применяют несогласованные спаи кварцевого стекла с вольфрамом, молибденом и танталом. По конструкции спаи кварцевого стекла подразделяются на лезвенные (ленточные), бусинковые и окошечные.

В несогласованном стержневом спае более целесообразно, что­ бы КТР стекла был больше КТР металла. Это объясняется тем, что при охлаждении спая, в котором КТР стекла меньше КТР метал­ ла, в стекле возникают радиальные растягивающие усилия, кото­

224

рые легко могут оторвать слой стекла от металла и послужить при­ чиной образования каналов и воздушных прослоек в спае (т. е. на­ рушить его герметичность). При охлаждении спая, в котором КТР стекла больше, чем КТР металла, в стекле создаются сжимающие радиальные и растягивающие осевые и тангенциональные напря­ жения. Как известно, стекло имеет более высокую механическую прочность на сжатие, чем на разрыв, и поэтому сжимающие ра­ диальные напряжения менее опасны (однако под действием осевых растягивающих напряжений все равно может произойти растрески­ вание стекла).

В несогласованных гильзовых спаях (когда металл окружает стекло) более целесообразно, чтобы КТР стекла был меньше КТР металла, так как тогда в стекле возникают сжимающие усилия, что обусловливает большую жесткость и большую прочность, чем при растяжении. Если в этих спаях КТР стекла больше КТР металла, то в стекле возникают растягивающие напряжения, отрывающие стекло от металла.

Особое место занимают спаи платинита со стеклом. КТР плати­ нита в радиальном направлении (а = 90-10-7 l/град) хорошо согла­ суется с КТР стекол платинитовой группы, а КТР платинита в осе­ вом (продольном), направлении значительно меньше (сс = 70-10~7 \/град). Поэтому участок спая стекла с платинитом не следует от­ жигать до полного исчезновения напряжений. В неполностью отож­ женном спае стекло остается в состоянии сжатия в осевом (про­ дольном) направлении — впоследствии это сможет компенсировать растягивающие усилия, возникающие в спае при работе прибора. Несогласованность КТР платинита и стекол в осевом направлении практически не позволяет применять для спаев платинитовую про­ волоку с диаметром более 0,8 мм. При диаметре платинитовой про­ волоки более 0,5 мм необходимо предварительно остекловывать ее размягченным стеклом.

Следует учитывать, что в бусинковом спае платинита осевые на­ пряжения будут тем меньше, чем больше отношение диаметра стек­ лянной бусы к диаметру платинитовой проволоки.

§ 64. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К МЕТАЛЛАМ, ПРИМЕНЯЕМЫМ ДЛЯ СПАЕВ

Температура плавления металла должна быть выше температу­ ры обработки (размягчения) стекла.

Металл спая должен иметь хорошую теплопроводность и элек­ тропроводность — это способствует снижению температуры спая в процессе изготовления и работы прибора и позволяет пропускать через спаи большие токи.

Структура металла должна обеспечивать требуемую прочность, пластичность, отсутствие натекания по границам зерен и хорошее сцепление металла со стеклом. Внутри металла не должно быть трещин, капилляров и других дефектов, ухудшающих его герметич­

ность. В процессе механической и термической обработки металла не должны ухудшаться его физико-химические характеристики, влияющие на качество спая. Например, ковар (сплав 29НК) * и другие железо-никелевые кобальтовые сплавы при пластической деформации во время механической обработки (вытяжка, прокатка и т. д.) приобретают структуру, имеющую большой коэффициент теплового расширения, — это может привести к - растрескиванию спая. Поэтому перед впаиванием в стекло необходим отжиг коваровых деталей (при t не менее 900° С) для получения требуемой структуры, удаления местных напряжений в металле (наклепа, на­ гартовки) II придания металлу одинаковых механических свойств по всей структуре металла.

Наилучшую герметичность обеспечивает мелкокристаллическая структура металла.

При недостаточном отжиге сплавы Н47ХР, Н47Д5, Н47ХЗ имеют волокнистую структуру, что приводит к растрескиванию стекла. При сильном перегреве металла в процессе отжига или изготовле­ ния спая образуется крупнокристаллическая структура, причем по граням между отдельными крупными зернами воздух может про­ никать в прибор. Наиболее сильный рост зерен наблюдается па сгибах вывода, т. е. там,, где произошла наибольшая деформация материала. Окислы никеля, образующиеся при спаивании, химиче­ ски неустойчивы и имеют рыхлую структуру; поэтому для повыше­ ния прочности сцепления со стеклом на поверхность никеля галь­ ваническим методом наносят тонкий слой меди **.

Сплав типа фуродит имеет недостаточную химическую стойкость (особенно после перегрева) и подвергается коррозии под действием влаги и плавиковой кислоты при изготовлении прибора. Межкри­ сталлитная коррозия приводит к образованию сквозных границ между зернами фуродита и к постепенному медленному натеканию.

Трудность механической обработки вольфрама и молибдена (ввиду повышенной твердости) обусловливает наличие в структуре этих металлов продольных трещин и каналов, по которым воздух может медленно проникать в прибор. Для удаления поверхностных трещин производят полировку этих металлов.

Особые требования предъявляются к платинитовой проволоке. Платинитовая проволока состоит из железо-никелевого сердечника (сталь Н42), покрытого слоем меди, на поверхности которого нахо­ дится тонкая красная пленка закиси меди. Поверх закиси меди наносится слой буры. Медь придает проволоке хорошую электро­ проводность и защищает сердечник от окисления. Закись меди хо­ рошо растворяется в меди и хорошо смачивается стеклом, что дает возможность получить надежный спай с постепенным переходом от

* Для уменьшения разброса КТР и снижения газосодержаипя применяют ко­ вар, плавленый в вакууме в индукционных печах. Такой ковар маркируется

29НКВИ.

**В результате такой дополнительной обработки железо-никелевые сплавы

(например, сплав 52Н) нашли широкое применение в качестве конструктивного материала металлостеклянных оболочек приборов.

226

меди к стеклу. Тонкий стекловидный слой буры (борнокислой соли калия или натрия) предохраняет пленку закиси меди от переокисления и превращения в окись меди и улучшает спаивание металла со стеклом. Сталь Н42 имеет а = 65-10~7 1/град, а медь — а=165- ІО-7 ]/град. Соотношение диаметров железо-никелевого сер­ дечника и меди подбирают таким образом, чтобы результирующий поперечный КТР был около 90-ІО-7 l/град. При содержании в пла­ тините 42% никеля для получения требуемого КТР платинита со­ держание меди должно быть в пределах 21—30%. При более высо­ ком содержании меди в спае наблюдается отлипание стекла от ме­ талла, приводящее к нарушению герметичности. Если меди содер­ жится в спае меньше нормы, то это приводит к растрескиванию стекла в спае и натеканию по трещинам. Практика показывает, что (даже при средиевесовом содержании меди по периметру платинитовой проволоки в пределах нормы) на отдельных участках по пе­ риметру проволоки могут встречаться утолщения и утонения мед­ ной оболочки в результате ее неконцентричности или неравномерно­ сти. При этом на соответствующих участках спая будут наблю­ даться местные отлипания стекла, проявляющиеся в виде полос, пя­ тен и характерных узких каналов.

• Качество платинита ухудшается с увеличением диаметра про­ волоки, так как из-за разных КТР стали Н42 и меди на границе сердечник — оболочка возникают сильные напряжения, которые мо­ гут нарушить их сцепление и сделать платинит негерметичным.

Основными дефектами платинитовой проволоки являются также следующие:

внутренние каналы и трещины медной оболочки, что ухудшает герметичность спая;

темные или черные пятна, свидетельствующие об отсутствии меди на отдельных участках керна или об образовании окиси меди вместо закиси — это приводит к появлению пузырей и капилляров в спае. Эти дефекты получаются в результате отклонения от опти­ мальных условий процессов волочения, очистки от смазки и борирования;

осыпание буры из-за большой толщины слоя закиси меди на платините;

треск и шелушение борнозакисного слоя, наблюдаемое при низ­ кой температуре раствора для борирования; это связано с тем, что при попадании горячей окисленной платинитовой проволоки в хо­ лодный раствор буры в закисном слое меди возникают термиче­ ские напряжения;

разрушение пленки боратов’ (буры) при долгом хранении пла­ тинита во влажной атмосфере — при этом на поверхности платини­ та появляются белесоватые пятна, а в спае образуются пузыри и отлипание. Поэтому платинит необходимо хранить в упаковке, за­ щищающей его от действия влаги (пергамент, фольга, герметичные коробки). Для обезвоживания пленки боратов и сплавления их в стекловидный слой желательно перед впаиванием прогреть плати­ нит в печи при /1=800—1000° С.

На практике применяют несколько способов защиты металлов от переокисления в процессе образования спаев при высокой темпе­ ратуре:

1)предварительное покрытие поверхности металлической дета­ ли в зоне спаивания стеклянной пастой или эмалью;

2)создание пленки борированной закиси меди на поверхности меди или медненых деталей;

3)электролитическое осаждение на поверхности детали пленок других металлов: хрома, меди, серебра, золота;

4)изготовление спая в среде защитного газа: азота, аргона, водорода, формнр-газа.

§63. НАЗНАЧЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ОКИСНОИ ПЛЕНКИ НА МЕТАЛЛАХ

Качество спая резко улучшается при наличии на поверхности металла тонкой плотной окисной пленки. Окисная пленка выпол­ няет следующие функции:

улучшает смачивание металла стеклом, т. е. облегчает расте­ кание стекла по металлу;

растворяется в металле и в стекле и образует промежуточный слой (связку) между стеклом и металлом, улучшающий герметич­ ность и механическую прочность спая;

повышает химическую устойчивость металла, не пропускает кислорода и других агрессивных газов в толщу металла и предо­ храняет ее от коррозии, поэтому эта пленка называется пассиви­ рующей;

препятствует образованию газовых пузырьков на границе меж­ ду металлом и стеклом, наличие которых в спае снижает его гер­ метичность и механическую прочность.

Окисная пленка улучшает качество спая, если она хорошо диф­ фундирует и быстро растворяется в стекле и металле:

имеет прочное сцепление с металлом; является тонкой плотной сплошной;

имеет КТР, мало отличающийся от КТР металла.

Такая пленка в виде окислов Cr20 3, W 03 и других образуется на коваре, сплавах Н47ХР, Н47Д5, Н47ХЗ, вольфраме. Поэтому спла­ вы и металлы перед спаиванием со стеклом подвергают предвари­ тельному окислению. Для этого металлы отжигают в среде влажно­ го водорода. Пары воды, содержащиеся во влажном водороде, при высокой температуре отжига диссоциируют и образуется кислород, который и вызывает окисление металла. Наличие восстановительной водородной среды предотвращает утолщение окисной пленки ввиду того, что одновременно с окислением протекает процесс восстанов­ ления окисла.

228

Отжиг в среде влажного водорода также способствует удалению с поверхности металла углеродистых загрязнений (например, ма­ сел, жиров, следов графита)

С + 02 ^ co2t

Наличие иа металле углеродистых загрязнений приводит к по­ явлению цепочки пузырей, пустот в спае (за счет сгорания углерода и выделения газообразных продуктов непосредственно при спаива­ нии стекла с металлом) и к повышению хрупкости металла.

На некоторых металлах и сплавах (например, молибдене, же­ лезе) при окислении образуется толстая рыхлая пористая окисная пленка. Эта пленка не предохраняет металл от коррозии, отслаи­ вается от поверхности металла и ухудшает качество спая. Кроме

ден необходимо защищать от окисления одним из следующих спо­ собов:

нагреванием спая в восстановительной области пламени го­ релки;

спаиванием стекла с молибденом в защитной восстановительной среде сухого водорода;

применением для нагрева токов высокой частоты вместо газово­ го пламени.

На некоторых металлах, например меди, в зависимости от усло­ вии окисления может образоваться тонкая плотная пленка закиси меди красного цвета (улучшающая качество спая) или толстая рыхлая пористая пленка окиси меди черного цвета (ухудшающая качество спая). Для предотвращения чрезмерного окисления меди рекомендуется наносить стекло на медь в восстановительной части пламени. Аналогичное явление имеет место на платините.

О качестве впая металла в стекло можно судить по цвету спая. Хорошо выполненный впай платинита имеет светлый кирпично­ красный цвет, молибдена — коричневый, вольфрама — золотисто­ оранжевый, ковара — от светло-серого до темно-серого, меди (или медненого ферро-никеля) — от светло-желтого до красного.

§ 68. ТЕХНОЛОГИЯ СПАИВАНИЯ СТЕКЛА С МЕТАЛЛОМ

Для спаивания металлов со стеклами платинитовой группы обычно применяют газовоздушное пламя.

Для спаивания металлов со стеклами молибденовой и вольфра­ мовой групп газовоздушное пламя служит только для предвари­ тельного подогрева места спая. Сама операция спаивания происхо­

2 2 9