книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

сокотемпературном спекании тугоплавких порёШКёй й ЙДО’йёйЗйруЮЩЙЯ ДббЙёЬй М Ш ёрхнбШ кё(ШйЧёбКЙ* Дё+ДЛёй. В рёЗуЛЬ'Шё П р Ш Ш Ж ËftiX ttpüUëdcdë Образуется прочно ёоединенный с керамикой металлизациойный слой, который

ЙёбёсйёЧйваёт АосЛедующую НДЙку кёрДМики с мётДЛлбм.

Ввенвве процессов, протекающих при металлизации керамики,- лежит хими­ ческое взаимодействйе компонентов пае+'ы с окислами керамйки с образованием flpoMëëtyft^ëëfë перёходного слбё, Йотсфое АрбйсЯёДЙ^ в воёстДЙоёй4ёЛЬЙёЙ ат­ мосфере е достаточно высоким содержанием паров воды, окисляющих некоторые йз ЙёМйёёёйтёё Мё^аДлизационных паст. При металлизации вксокоглиноземистой йерамийй мбДЙбденО-марганцевой пастой прёМёжу+ЬЧйый сДой между ними об- {Шуё^Сй ^ДёДуЮЩЙМ образом: часть марганца окисляется до окиси по реакции

Mfi 4 Н^О =+■МйО 4 Н2. Окисленный Марганец при темперДтурД* ëkfiië 1ÜUÜ °С Éëfÿiiàëï Й р'ёДКШШ С КёрДМШШЙ С йбразовДййёЙ ДЛЮмомарганцеДой шпинели АШз-Мйи. АЛЮМсЫарганцевая ШЙЙнеЛЬ спёсобстйуёт эакрёплснию металлизацйонного,йбйрЫтйЙ. С ростом температуры этот процесс ускоряется, но уже при ШО-МЗЭЙ6 С ЙДЧййается обратный проЦеСС, СёЙЗДНЙЫЙ б рДЗЛОЖёНЙёМ ДЛЮШМарганЦёЙой ШЙЙйеДи и выпадением крисЧёЛЛёй ЙЬруйДЙ. Кроме ёбрёэёййнйя йЛюМоМДрАДййёёёй Шпинели, возможно взаимодействие MnO с Si02 с образованием р'одёнйта M fi0-Si02 й с ёЙЙСЛДМИ ЩёЛёчноземельных металлов е образованием ФвёрДкй pâëïëdpëB É системах МйО — СаО и МпО — MgO.

Прочная связь керамики с металлизДЦЙёнНШ сЛёёМ также 06pâ§yëf6fl при миграции етеклофазы керамики в металАизационный слой; йри этом стеклофаза йрочно сцепляется с кристаллической фДзой керамики (а = А120 3) и с металлом (молибденом^ После нанесения металлиДационйёРё ёлоя и KëëtpoAfl efd eBëflëfe йанобится слой металла, обеспечивающий защиту металлийационного слоя от взаимодействия его с жидким металлом и улучшающий растекание припоя. Ё ка­ честве слоя ы ёп м » йёйёсятёя никеЛв и железо,- в также нинель-рениевые еплйвь! гальваническим или химическим способами.- При пайке керамики золотыми и ее- р'ебряными припоями йрименяют нйкелевые сЛои толщийой 3—5 мкм. После на­ несения покрытия детДли ШЗТёАьнё йромыйают й Йрбточной воде, а затем в дистйЛЛЙрбёДШЙ йбДё d йрЙМШёйЙел* уЛЬтрДДёука1

Сборка под паГжу ёхватывДющи* спаев— несложная операция, оДнако важным является обеспечение, минимальнык Зазоров. Й Йёкётёрых случаях диаметры металлических деталей на 0,02—0,04 мм меньше диаметра керамических деталей; сборку таких деталей производят с использованием пресса.

При ёборкё й АДЙкё узлов с плоскими или торцовыми АовёрхнестЯмй трёбуШтея Центрирующие оправки и придавливающие грузы. Припбй при паййё ОкваТЫВЗЮщих спаев изготовляю^ в виде кольца из проволоки; длй НДйкй ТёрДёЙЫЯ АбЙёрхностёЙ прймейяют прийои в виде плоских колей или дисков т'ёлЩййёй Ô,6ê—6,1 мм. Припой негШЛьзуют й отожженнок состояний. В качеётве припоёй прймёйяют еплавк ЙД dCHÔëë серебра, золота и кеди, позволяющие производить пайку металЛокерДмйчёёййк узлов в интервале 685—1083° С. Болёе тУгёплавййё йрйпбй из­ готовляют йэ медшИжкелевых и хромонииелевых сйлавов, обеспечивающих ieMnepBfypy ЙДЙки в интервале ll00—1453° С.

Пайну МётДллокерДМйЧёскйД узлов пройзвоДят в ёбДброДйых koPfëftkêpax или кёЛНаковь!* печах е цримейёййем сухого водорода, содержание паров воды В котором должно сос^ёёЛстёЬ'ЙДтЬ точке рбсы — 20° С. Примесей кислорода Должно бытк не болеё 0,01—0,02% по объему.

При пайке узлов Диаметром до 25 мм времЯ нагрева и охлаждения 25—30 мин, узлов диаметром 25—35 мм — время 45—50 мин, узлов Диаметром более 35 мм — время 90— 100 мин. Время выдержки при пайке от 20 с до 1,5—2 мин.

В&игаййё мётаЛЛйЧёёкйх ЙОкрШИй (йётДАЛИЗацйй) — ёлсййЙДЯ тёэШёЛёгЙческая операция. Для получения качественного ёЬеДЙЙёнйй Мё+ДЛЛНЧеёЙёГё йё-

Нэдеодррто детзлЛР^рямичеркой конструкции зээисит от прочности кера­

мики, прочности сцепления металлизационного слоя с керамикой, прочности сц$п.-

лэвия мэтяллияэдйрнцдга слоя и припоя, ате%№ адгезии припоя к металлической детали. Эти операции делают пайку па миогретупенчатрй тех'иолотии влажным

процессом, общая продолжительность которого измеряется часами.

Пай*» с помощью активных металлов, Пайкапо активной технологии упро­

щает получение паяного соединения керамики о металлом. Поскольку в данном случае отсутствует операция вжигания покрытия И металлизации, этот процесс

относится к одноступенчатой технологииПайка по активной технологии основана на том, что при высокой температуре такие активные металлы, как титан и цирко­

ний, образуют с припоями расплавы высокой реакционной способности — актив­ ные сплавы, которые растекаются по керамике и металлу, взаимодействуют с ними, обеспечивая получение прончото ерзя.

Пайку металлокерамическик узлов по этой технологии можно выполнять различными способами: непосредственно с металлическими деталями из титана;

припоями, содержантами титан; с помощью гидридов титана и циркония и т- д.

Сущность ЭТИК способен СОСТОИТ В ТОМ, что ПРИ вакууме 1*10 * М¥ рт. СТ- И повы­

шенных температурах активные металлы (титан, цирконий) образуют С ПриПРЯМЦ

расплавы высокой реакционной способности, которые взаимодействуютокислами, составляющими керамику, обеспенивэя полунеиие пронного спаи, При взаимодей­ ствии активны* металлов (или сплавов) с окислами керамики последние частично восстанаилинаются с образованием в пограничной зоне сложны* растворов виедг

рении и замещения, Так, при взаимодействии AI»Q» с титаном окись алюминии

частично восстанавливается (при 950’ С) и отдает кристаллической решетке ти­

тана кислород с образованием твердого раствора внедрения. Алюминий, освобо­ дившийся при восстановлении А120», также растворяется в титане, но с образо­ ванием твердого раствора замещения. При взаимодействии SiOa с титаном обраг зуется твердый раствор кислорода в титане и возникают интерметаллинеекие соедц, нения титана е кремнием, Эти пронесен являются определяющими в образовании прочного, соединения при лайке металлокерамическик изделий по ективпой тех­ нологии, Припой облегчает перенос активного металла к керамике и заполняет зазоры между керамикой и металлом,

Для пайки тптаиа с алюмооксидним» керамиками в качествеприпоя исподы вуютеплвиП £р,78, серебро, медь, и никель, а также медно-титановые и иикельтнтаиоиые сплавы, Пайка с помощью гидрида титана происходит по следующей технологииПасту из порошка гидрида титанананосят ни керамикуПослеTOFP как паста подеркиет, керамииескую деталь собирают с металлической- В место спая помещаютприпой. Лайка происходит в вакууме I »19 *мм рт. ст.При нагреве до 460—бш £ гидриды титииа разлагиютси, титаи образует с жидким припоем актиииый сплав, который и обеепсниэзет получениевикуумно.-плогного спая по

рапсе приведенному механизму, Пайку керамики е деталями из титана необходимо выполнять с использованием керамических материалов, согласованныхпр К Л Р с титаном- При несоблюдении этого условии в воне спея появляются трещины.

Для получении высококачественного соединения необходимо возможно более

плотное прилегание титановой детали к керамике и минимальное иолинертво прн,- пря. Пайку теки* соединений осуществляют в пенах при вакууме 1- Ю'* ммрт, ст. или вереде аргонеНагрев производитеоскоростью 16—Q20Ç/MHH. Температура пайки превышает температуру плавления припоя на со—40° С, Охлаждение пделе пайки проискодит со скоростью Ш° С/мин.

Методы лайки керамики с металлами находят применение в различных огрде.-

лвх промышленности, особенно в массовом пронаводетва металлокераминескик узлов влектронных и ионных приборов, Однвио технология пвйки епач керамики

с метвлламн обладают некоторыми недостатками.

1. Сложность технологического промесра ПВЙКН, НТО СВВВВНО С необходимостью проведения подготовительны* операций, предшествующих пайке (металлизация, вжиганне покрытия и ряд других), ft прриевее подготовки поверхности керамики род райку производят промежуточные контрольные операции: контролируют

толщину металлизационного покрытия и прочность его сцепления с кера­ микой.

2.В ряде случаев паяные соединения не обеспечивают необходимые изоля­ ционные свойства, так как в процессе пайки на поверхность керамики осаждаются пары припоя.

3.Паяные металлокерамические узлы не могут работать в условиях высоких температур (1200° С и выше); предельная рабочая температура паяных соединений не превышает, как правило, 800° С.

4.Применение при получении паяных металлокерамических узлов промежу­ точных металлов (металлизационных покрытий, припоев, технологических про­ кладок и т. п.) снижает их работоспособность в некоторых агрессивных средах.

Это связано с тем, что промежуточный и основной металлы обладают разными электрохимическими потенциалами. Поэтому при работе паяных соединений в ряде агрессивных сред создаются условия для возникновения процессов электро­ химической коррозии, которая с течением времени приводит к нарушению их гер­ метичности. Многие недостатки, свойственные паяным металлокерамическим узлам можно устранить, используя для соединения керамики и металла метод диффузионной сварки.

Диффузионная сварка керамических материалов с металлами. При пайке металлокерамических узлов с использованием припоев образуется жидкая фаза.. При сварке под давлением прочная связь керамики с металлами возникает в ре­ зультате взаимодействия металла и керамики, находящихся в твердом состоянии. Механизм процесса и оборудование для диффузионной сварки подробно рассмот­ рены в томе 1 справочника.

Диффузионную сварку керамики с металлом применяют в основном для тор­ цовых спаев. Процесс диффузионной сварки керамики с металлами осуществляется следующим образом. Свариваемые детали в местах сварки подвергают механиче­ ской обработке. Металлическую деталь обрабатывают с получением параметра шероховатости Ra —■1,6 мкм. После этого детали отжигают для снятия напря­ жений и дегазации (Nb, Ti, Та отжигают в вакууме Ы О -4 мм рт. ст.; Си, ковар Н29К18, фени Н42 — в сухом водороде). Для очистки поверхности металлоке­ рамические детали подвергают травлению, а во время сборки обезжиривают ацетоном или спиртом. Поверхности керамических деталей в местах сварки обя­ зательно шлифуют. После подготовки свариваемых поверхностей собранные ме­ таллокерамические узлы помещают в рабочую камеру, где их нагревают до 750— 1300ü С. По достижении заданной температуры свариваемый металлокерамиче­ ский узел подвергают сжатию так, чтобы удельная нагрузка была 0,5 — 2 кгс/мм2. Время выдержки под нагрузкой в зависимости от соединяемых материалов изме­ няется в пределах 2—60 мин, после чего температура снижается, и при 200—250° С нагрузка снимается. Параметрами (табл. 10), определяющими процесс сварки, является температура нагрева изделий, удельная нагрузка, время сварки и среда, в которой производят сварку (вакуум, водород, формиргаз).

На качество соединения влияет состав атмосферы, в которой производят сварку. Большинство высокоглиноземистых керамик образуют с медью в водо­ роде и формиргазе вакуумно-плотные соединения; в вакууме таких соединений получить не удается. Хорошие результаты при диффузионной сварке наблюдаются при соединении керамики с пластичными металлами (медью, никелем и др.). По­ лучены также соединения с титаном, ниобием, коваром, сталью 12Х18Н10Т, нихромом и др. При сварке с тугоплавкими металлами вакуумно-плотные соеди­ нения получить не удалось, поэтому сварку их производят через прокладки из меди, никеля или титана или по предварительно металлизированной поверхности. Метод диффузионной сварки применяют в основном для торцовых соединений; к штырьковым конструкциям он неприменим. Эют недостаток ограничивает при­ менение диффузионной сварки ряда узлов.

Соединения керамики с металлом, выполненные методом диффузионной сварки, обладают некоторыми преимуществами по сравнению с соединениями, выполнен­ ными пайкой*, повышается рабочая температура металлокерамических узлов;

соединения способны выдерживать многократные нагревы в вакууме без потери вакуумной плотности и способны выдерживать более 15 термоударов в цикле 20—600 — 20° С без потери вакуумной плотности; прочность соединений примерно в 1,5 раза выше прочности паяных соединений; узлы обладают более высокими изоляционными свойствами.

10. Режимы диффузионной сварки керамики с металлами

Электронно-лучевая сварка керамики с металлами. Используя установки для электронно-лучевой сварки, можно производить сварку керамики с металлами, получая при этом вакуумно-плотные соединения (табл. 11). Сварные соединения

11.Режимы электронно-лучевой сварки керамики со сталью 12Х18Н10Т

со сталью 12Х18Н10Т

керамики на основе окиси алюминия могут быть получены расплавлением пре­ имущественно металлической части узла или керамики. Первый способ образо­ вания сварного соединения используют, если температура плавления металла ниже температур плавления керамики. Второй способ используют, когда темпе­ ратура плавления керамики ниже температуры плавления металла, т. е. при сварке керамики с тугоплавкими металлами (ниобием, молибденом, вольфрамом). При электронно-лучевой сварке нет необходимости в предварительном шлифова­ нии и металлизации, отсутствуют промежуточные прокладки, дорогостоящие серебряные припои и др.

Перед сваркой металлокерамические узлы нагревают до 900—1400° С со ско­ ростью 30—50° С/мин. После сварки скорость охлаждения 10—50э С/мин. Изде­ лия нагревают в нагревателе, имеющем молибденовую спираль, вмонтированную

в к е р т и т м ю авиет ку.- к е р а т т к в п оболочке рвет т ече внутри мётелличё- с * и * зкрйиов! впеерёТиИ о натрёветш тполъзуют ллп и а в л т т и и ее протесом сверки: пот аит и а г р е е т л я иротколит е м р м л ё и и ш токам, ш а р м иы ил№

d = 10 мм производят по следующему циклу: в течение 30 мин (рис. 4) изделие нагревают до 1200° С со CKopfétëtMW 40° С/МИИ. При 1900° О САёМувТ ШАёрШкё

в течение неекеямшх минут для вмравнивйння теявературы. Выбор T ëM U ëpetypü

Рис.- б. Схеме Злентровне-лучеввй

йагрева прй ЭЛС керамики с металлами обусловлен необходимостью обеёпейеййя йрохожденйя эЛёктрййеского тока Йерез керамическую деталь й увелиЙЙЙЙЙ М ёс- тйчн6£?и керамики. Прй I20OP С доётигйёДся Достаточная проводимость и плаетичйость керамики. ПосЛе сварки пройсходит контролируемое Охлаждение со скоро­ стью 15—20° С/мин. Скорость охлаждения регулируется до 500° С. После 500° С при свободном охлаждении нагревателя скорость охлаждения в среднем 15° С/мин;

liptt этом № > б *о № м м ъ ё Kdpp&maptmnè е п и р ш ь М Ш Ш :

Элеитр/оййо-лучевой сваркой могут быть mtiMkeiiu вш ш ш т п ё м&уиШ3

нйя металла ё кераМийОй, кая это WÉëëâtict tin ptië. В; Н ё б .

Сварные соединения, выполненные электронно-лучевой сваркой, обладают высокими механическими свойствами — они ва&ууМйо’-ЙЛОТЙь* й До’ШТбШ* TêfptoOстойки; Термостойкость еварШх С'б'еДйнений разЛй^йых йерамйк с кЪррбЗМшйостОйКОй сталью й йейОГОрШй ШЪёлМШ приведена в табл. 12. Штырьковое соеди­

2200—1700 К высока (рис. 7). Однако охлаждение с такими скоростями в этом интервале температур не представляет опасности, так как стеклофаза керамики при этой температуре находится в пластичном состоянии. При 1600—1700 К стеклофаза твердеет, и поэтому скорость охлаждения необходимо контролировать, с тем чтобы напряжения, возникшие в керамике, не привели к образованию тре­ щин. Скорость охлаждения керамики должна быть около 50° С/мин. Некоторое увеличение скорости охлаждения при температуре ниже 1000 К не влияет на свой­ ства и прочность сварного соединения:

Температура подогрева 1800—1850 К. Режим сварки трубок из керамики ЦМ 322 диаметром 18 мм с толщиной стенки 5 мм следующий: ил = 18 кВ; / л = 30 мА; vCB = 15 м/ч. На получение высококачественных соединений влияет скорость охлаждения деталей после сварки. При больших скоростях сварки (40—50° С/мин)

Прочность сварных соединений при испытании на растяжение 85—90% прочности основного материала. Сварные соединения, полученные электронным лучом, являются герметичными. Результаты их испытания на термостойкость при нагреве до 1100 К и охлаждении с различными скоростями на воздухе до 300 К представлены на рис. 8. При охлаждении сварного соединения со скоростями 50 К/мин и менее такие соединения вполне работоспособны. Особенностью элек­ тронно-лучевой сварки керамики является возможность соединения керамики различных марок.

ПАЙКА И СВАРКА ГРАФИТА

Пайка графита. Графит обладает рядом свойств, позволяющих применять его ответственных конструкциях (табл. 13). Обладая наиболее высокой темпера­ турой плавления, графит легок, относительно прочен, имеет достаточно высокую теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения, благодаря чему он весьма стоек против теплового удара и удобен для создания конструкций, требующих сохранения формы и хороших механических свойств при высоких

//

71 у --

L=d —

УвХЛ» К/пин

Рис. 8. Влияние скорости охлаждения на термостойкость сварных соединений керамики

Рис. 9. Изменение прочности графита в зависимости от температуры

температурах. Особенно ценное свойство графита как материала, работающего при высоких температурах, — увеличение его прочности и электропроводности с повышением температуры (рис. 9). Прочность графита при 2500—2700° Ç почти в 2 раза выше, чем при 20° С. В этом интервале температур прочность графита больше, чем'Прочность наиболее тугоплавкого металла — вольфрама. Область применения графитовых материалов достаточно широка; это детали и узлы энерго­ машиностроения, авиационной, химической промышленности и т. д.

13. Сравнительные свойства графита и вольфрама

Изделия из угольных и графитовых материалов выполняют преимущественно прессованием в формы с последующим обжигом и термической обработкой. Однако этот способ, пригодный для изготовления сравнительно малогабаритных деталей простой конфигурации, не годится для создания ответственных конструкций сложной конфигурации и больших размеров. Один из основных недостатков, препятствующих широкому применению графитовых деталей, заключается в том, что считали невозможным создать соединение из графита с получением в месте соединения материала, не отличающегося по свойствам от свойств графита. Соединения графитовых деталей пытаются получить с помощью методов панки и сварки с применением промежуточного карбидообразующего металла. Такие

ЛЯютея следующие требования: хорошая СМапиваеМОСТЬ графита, ЖИДкОТекуяееТй; Обеспечение ВЫСОКОЙ прочности, достаточной НЛасТйЧИОС'тН СОеДййеНЙЯ Й Др.* g патентах приводится большое КОЛИЧесТйО раЗЛЙЧНЫХ ttp tltiW ë ДЛЯ Паййй ГрНфНТН;

екогорые ris них приведены в taбл. 14.-

Прй Лайве графита с ГрафйтОМ иеОбХОДйМО СОблЮДЯТЬ ТрСбОйаПйя,- ПреДВЯВ-

ляемые к сборке под пайку и к процессу пайки: 1) соблюдение МЙЙЙМНЛЬЙЫХ ЗЗТбров между деталями? 2) предварительная д е г а за ш графитовых деталей? Э1обес­ печение защиты места пайки флагам#, инертными газамй иЛй вакуумом;4j Ис­ пользование orttriManw^ofe» количества прийой; Методы найкй припоями йе'поль--

поверхности карбидообрааующие металлы (металлизацией, настами, прокладкой фольги и т. П:) ПоДВергаюгг нагреВу различными ейОС'Оба'Мй (зЛекТрОкОНТИкТНЫМИ, Индукционными, в иечах сопротивления и др.).

провесе чпайки рекомендуется производить в два этапа.- на первом этапе детали riafpenaicrr до температуры, превышакяДей температуру плавлеййя припоя на 30—50° Gудля тогоу чтсбы металл расплавился и проПйТал соединяемые ГрЯфйтовЫе поверхности. После этого температуру повь^шайо до температуры полной карбйдйзаций металла.- для титанового припоя температура нагрева для первого этапа составляет Ю50° G и для второго 22003G. Соединение при этом способе пайки образуется за счет проникновения в графит и Последующей кристаллизации жидкого расплава эвтектического состава типа МеО—G. Прочность соединения Яавиеит от глубины проникновения расплавленной нвтектики. сварные соединенна обладают удовлетворительной прочностью, если эвтектический раснлав проникает на глубину не менее 2 мм.

Сварка графита,- Дуговая сварка. Создание монолитных соединений затруд­

няется тВМу что при аТМоефврном давлении нельзя получиТИ гр’афйт В ЖИДКОМ состояния,- тан как при температурах значительно более низких,- чем температура

точки плавлений, наблюдается интенсивная сублимация ГрафЙта. Плавление гряфиТа может происходить лишь при давлениях выше 100 к-ГС/См* й температуре, превышающей 4000 К (рис. 10). Следовательно, сваривать графит С графитом,- с применением обычных способов создания неразумного соединения Путем рас­ плавления, Последующего охлаждения и кристаллйэацйй графйТЯ в СВарйОМ соеди­ нении необходимо в герметичных камерах высокого давления (190—200 кгс/см*),-

что усложняет сварку,- ограничивает размеры детали И затрудняет ЭйСПЛуЯТаЦию установки.-

при классической схеме плавлеййя соединяемых деталей сварка происходит в камере с инертной атмосферой при давлении 160—185 кге/см*. Между график вьтм стержнем и блоком графита возбуждают дугу, которая НЛаВЙТ графЯ1Т. ПОСЛё охлаждения и кристаллизации расплава образуется сварное соединение. Работы, проведенные в ИЭС иМ. Е. О. Патоиа, показали, что прочность графитового