ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сварка стекла с металлами из "Диффузионная сварка материалов " Общие сведения. Соединения металла со стеклом, полученные диффузионной сваркой, отличаются высокой прочностью, термостойкостью и прецизионностью. Диффузионная сварка осуществляется при микропластических деформациях за счет мягкой промежуточной прослойки либо одной из соединяемых деталей (стеклянной или металлической), при этом форма соединяемых элементов изменяется незначительно. [c.218] Образование надежной связи между стеклом и металлом возможно благодаря взаимодействию между низшими окислами металлов и окисной системой стекла. Поэтому разработка технологии диффузионного соединения стекла с металлом, как правило, сводится к созданию на металлической поверхности специального окисного слоя и выбору режимов взаимодействия этого окисла со стеклом, приводящих к образованию неразъемных соединений. Окись кремния ЗЮа является основным компонентом большинства стекол. Поэтому стекла на основе окиси кремния называют силикатными. Для придания стеклу определенных свойств в него добавляют другие окислы, которые называют плавнями или модификаторами. В зависимости от выбора этих дополнительных компонентов стекла можно разделить на ряд групп с характерными свойствами (табл. 3). [c.218] Кварцевые изделия допускают длительную эксплуатацию при 1273—1373 К. Выше 1473 К кварцевое стекло кристаллизуется, превращаясь в а-кристобалит. [c.219] Оптические стекла — это однородные прозрачные неокрашенные специально стекла. Каждому стеклу установленного химического состава с соответствующими оптическими свойствами присвоена марка, состоящая из условного обозначения типа и порядкового номера стекла данного типа, например К-8 (крон-8). [c.219] Стекла электровакуумной промышленности. В электровакуумной промышленности находит применение большое количество различных марок стекол, имеющих определенное назначение. Некоторые стекла были специально разработаны для получения надежных соединений с металлами. Коэффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки с отдельными металлами и сплавами. Наиболее распространенные марки стекол и их некоторые физические свойства приведены в табл. 5, 6. [c.219] НОСТЬ как самого стекла, так и соединения, выполненного по этой поверхности. Для повышения качества соединения указанный слои следует удалять. С этой целью применяют следующий раствор (мае. ч) 4 плавиковой кислоты (концентрированной), 60 воды НгО, 33 азотной кислоты HNO3 (концентрированной), 2 поверхностно-активного вещества ОП-7. Раствором пользуются при 293 К. Соотношение кислот можно варьировать. При увеличении процента плавиковой кислоты вероятность растравливания стекла увеличивается. После обработки раствором стекло следует тщательно промыть в проточной воде. [c.220] В случае, если не допускается растравливание поверхности стекла, следует применять следующий способ очистки кипятить в 5% -ном растворе 30% Н2О2 (перекиси водорода), добавить NH4OH, довести pH раствора до 11,0 тщательно промыть в проточной, а затем в дистиллированной воде сушить рекомендуется в чистой атмосфере. Раствор перекиси водорода, муравьиной кислоты и воды может применяться без опасности вытравливания стекла. [c.220] Наилучшне результаты обеспечивает первый способ очистки, так как он за счет стравливания приповерхностных слоев удаляет микротрещины с поверхности стекла, тем самым повышает его прочность. Однако необходимо помнить, что обработка поверхностей оптических деталей не допускается, так как ухудшает прозрачность полированных поверхностей стекла. [c.220] Металлы и сплавы, применяемые для соединения со стеклом. При правильном конструировании соединения температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) стекла и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, которые возникают при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко в отечественной промышленности для соединения со стеклом используют железоникелевые сплавы, ковар, коррозионно-стойкую сталь, а из чистых металлов — медь, никель, титан, алюминий, молибден, вольфрам и др. Физические свойства металлов и сплавов, применяемых для сварки со стеклом, приведены в табл. 7. [c.220] Для СНЯТИЯ В сплавах напряжений, вызванных предварительной механической обработкой, следует провести отжиг в вакууме, поскольку сплавы склонны к меж-кристаллитной коррозии. Отжиг крупногабаритных и металлоемких деталей производить при 1323—1373 К в течение 10 мин. Отжиг мелкогабаритных и тонкостенных деталей производить при 1223 К в течение 10 мин. Окисную пленку на железоникелевых сплавах можно получать при их охлаждении после проведенного вакуумного отжига и напуска воздуха в камеру. Окисный слой, образующийся на поверхности сплавов, состоит из смеси окислов никеля, хрома, железа. Правильно окисленная поверхность имеет зеленый цвет, переокисленная — темно-бурый или даже черный. [c.221] Обработка ковара перед диффузионной сваркой обезжирить в четыреххлористом углероде или другом органическом растворителе на 1—3 мин погрузить в концентрированную соляную кислоту, нагретую до 333—353 К промыть в щелочном растворе, затем в холодной проточной, а потом в дистиллированной воде обезводить спиртом или метанолом и просушить в термошкафу. Обработку деталей следует производить непосредственно перед сваркой и не прикасаться к ним голыми руками. Перед диффузионной сваркой металлические детали из ковара подвергают окислению для повышения механической прочности соединения и вакуумной плотности. Для лучшей адгезии окислов следует избегать избыточной полировки поверхности под сварку. Поверхность деталей должна иметь серый (мышиный) цвет при полном отсутствии металлического блеска. После выполнения сварки цвет соединения бывает от светло-серого до коричневато-серого. Это зависит от сорта стекла и толщины окисла. Появление металлического блеска указывает на неудовлетворительное окисление, а чрезмерное потемнение — на избыточное окисление металлической поверхности. [c.221] Технология диффузионной сварки стеклометаллических соединений. При разработке технологии диффузионной сварки конкретных материалов оптимальные параметры режима определяются опытным путем. Типичная кривая изменения вязкости стекол при нагревании показана на рис. 1, где заштрихованная область определяет температуру диффузионной сварки. При разработке технологии диффузионной сварки на примере стекла ЛК-4 было экспериментально установлено, что при температуре 823 К стекло начинает деформироваться под действием сжимающих напряжений, превышающих 5 МПа, в то время как при более низкой температуре, равной 773 К, критическое напряжение сжатия возрастает до 14,5 МПа. Для стекла марки К-8 область на зла деформации стекла под нагрузкой смещена в сторону более высоких температур и находится между 853 и 893 К. Поэтохму для определения температуры сварки конкретного стекла со стеклом или металлом необходимо знать температуру начала пластической деформации под действием сжимающей нагрузки. При этом удельная сжимающая нагрузка должна обеспечивать протекание необходимой микропластической деформации в зоне соединения, по крайней мере достаточной для образования полного контакта соединяемых поверхностей. Практика подтверждает, что при правильно выбранной температуре сварки величина сжимающей нагрузки составляет 2— 8 МПа, тогда при изотермической выдержке 20—40 мин происходит достаточная микропластическая дефор.мация соединяемых поверхностей для обеспечения контакта по всей соединяемой поверхности. [c.222] Для получения надежных соединений стекла со стеклом или металлом очень часто используют промежуточные прокладки из металлов, которые выполняют различные функции активаторов свариваемых поверхностей (за счет более высоких пластических характеристик прокладок, чем у основного материала) компенсаторов напряжений, возникающих при создании соединений из материалов с различными ТКЛР ускорителей процесса массообмена или химических активаторов буферных слоев, предотвращающих образование нежелательных фаз. [c.222] Наиболее распространенными промежуточными материалами для соединения стекол являются алюминий, медь, ковар, ниобий, титан. Промежуточные прокладки применяют в виде фольги толщиной, как правило, не более 0,2 мм. При увеличении толщины прокладки металл выступает в роли самостоятельного конструкционного материала. Так, например, для ДСВ кварца, чтобы свести к минимуму влияние остаточных напряжений на прочностные характеристики, применяют промежуточные прокладки толщиной не выше 0,05 мм. Необходимость применения вакуума диктуется, как правило, материалом прокладки или промежуточных слоев, применяемых при создании соединения. Следует помнить, что механизм взаимодействия при ДСВ металлов отличается от ДСВ стекла с металлом, когда соединение осуществляется через систему переходных окисных слоев, поэтому глубокий вакуум может изменить стехиометрию первоначальных окислов, выращенных на металле. Так, при сварке кварца через закись меди при глубине вакуума, превышающего 0,0133 Па, наблюдается энергичная диссоциация промежуточного слоя, что ослабляет сварное соединение. Сварное соединение на воздухе не образуется из-за окисления закиси до окиси. Поэтому оптимальный вакуум для данного случая 1,33—0,133 Па. Несоответствие ТКЛР металлов прокладки и стекла приводит к появлению при остывании в сварном соединении остаточных напряжений, которые могут разрушить соединение, если их значение превышает допустимое. Наиболее опасными являются растягивающие напряжения, так как стекло выдерживает большие нагрузки на сжатие. Уровень остаточных напряжений, возникающих в соединении, зависит от толщины привариваемого металла, релаксационной способности соединяемых материалов, а также от скорости охлаждения. [c.223] Режимы ДСВ некоторых марок стекла приведены в табл. 8. [c.223] При конструировании сварных соединений стекла с металлом, как правило, применяют три типа соединений (рис. 2). [c.223] Торцовое соединение (рис. 2, а) — когда детали контактируют по плоскости. Наибольшую работоспособность показывают соединения, когда металлическая деталь 1 окружена стеклянной деталью 2 с одной стороны и компенсационным кольцом 3 — с другой. Такое соединение называется компенсированным. ТКЛР металлической детали должен быть одинаковым со стеклом, такое соединение называется согласованным. Если же между металлом и стеклом есть существенная разница по ТКЛР, то такое соединение называется несогласованным. При правильном конструировании лучше всего использовать по возможности металлические детали с более тонким сечением. Чем тоньше металл, тем меньше величина напряжений, воздействующих на металл и стекло. [c.223] Оконное соединение (рис. 2, в) имеет иногда элементы и торцового и охватывающего соединения. В тех случаях, когда стекло 2 нужно соединить с массивной металлической деталью У, фланцы следует выполнять с элементами сильфонов или мембран, которые гасят напряжения, возникающие при изменениях температуры. [c.224] Оснастка для выполнения сварки должна обеспечивать точность сборки, устранять возможность перекосов, осуществлять равномерную передачу давления на соединяемые поверхности, защищать стеклянные детали от возможных термоударов при нагревании и охлаждении, быть инертной по отношению к стеклу и соединяемому металлу. Указанным требованиям наиболее полно отвечает графит. Для оснастки используют мелкопористые графиты марки МПГ. После механической обработки детали приспособления из графита следует тщательно промыть в ультразвуковой ванне, просушить в термошкафу, а затем отжечь в вакууме при 1373 К в течение 30 мин. Только после этих операций можно пользоваться графитовой оснасткой. [c.224] Вернуться к основной статье