Сварка керамики с металлами

Обновлено: 03.05.2024

Цель: Изучить особенности механизма образования соединений керамики, стёкол и композитов на различных основах.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Студенты в конспектах представляют основное содержание практической работы в сжатом состоянии (конспектируют), представляющее собой основные теоретические положения по насущному вопросу с целью использовании их в качестве материала для подготовки к экзамену, зачёту и т.д.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет о работе должен иметь титульный лист и содержание, общий вид которого представлен в конце методического пособия.

Теоретическая часть

К неорганическим полимерным материалам относятся: минеральное стекло, ситаллы, керамика и другие. Этим материалам присущи не горючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность к старению, большая твёрдость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам.

Однако они хрупкие, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим нагрузкам, имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония и другие, обладающими более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

Под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Это определение исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко и их рассматривают как разновидность керамики.

СТЕКЛО

Понятие и свойства неорганического стекла

Важнейшие специфические свойства стёкол - их оптические свойства: прозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное стекло пропускает до 90%, отражает ~ 8% и поглощает ~ 1% видимого и частично инфрасвета; ультрафиолет поглощает почти полностью. Кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолета. Стекло с PbO поглощает рентгеновское излучение.

Силикатные триплексы – два листа закалённого стекла (δ=2…3мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной плёнкой. При его разрушении образовываются неострые осколки, которые удерживаются на полимерной плёнке.

Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами.

При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400°С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Производство стекла

Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал – стекло.

Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок – это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла– бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600 0С) в течение продолжительного времени – от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

Типы стекол

Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000 0 С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на 9000С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.

Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие– щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии– двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Стекла с высоким содержанием SiO2, низким – щелочного металла и значительным– оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма "Корнинг гласс уоркс" начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием "пирекс". В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2–5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта "пирекс".

Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них– алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.

КЕРАМИКА

Свойства керамики

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, например температура плавления карбида гафния (3930 0 С) на 2500 выше, чем у вольфрама. У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон на порядок выше, чем у металлов.

В семействе керамик легко можно найти материалы как с большими, так и малыми (даже отрицательными) значениями коэффициента термического расширения. Также широк спектр материалов, среди которых есть и диэлектрики, и полупроводники, и проводники (сравнимые по проводимости с металлами), и сверхпроводники. Важнейшими компонентами современной конструкционной керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные композиты.

Перспективность керамики обусловлена многими факторами, среди которых наиболее важны следующие:

1. Керамика отличается исключительным многообразием свойств (многофункциональностью) по сравнению с другими типами материалов (металлами и полимерами). Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры.

2. Важным достоинством керамики является высокая доступность сырья, в том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

3. Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов. Например, затраты энергии на производство технической бескислородной керамики типа нитрида кремния значительно ниже, чем в производстве важнейших металлических конструкционных материалов.

4. Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а сами керамические материалы позволяют принимать экологически оправданные технологические и технические решения. Примером может служить получение водорода высокотемпературным электролизом воды в электролизерах с керамическими электродами и электролитами.

5. Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материалов (благодаря отсутствию процессов электролиза, пирометаллургии, воздействия агрессивных сред), а керамика со специальными электрическими свойствами позволяет создать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупреждения взрывов (электрохимические детекторы, или сенсоры).

6. Керамические материалы по сравнению с металлами обладают более высокими коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах. В этой связи следует упомянуть, что попытка замены магнитной керамики в качестве элементов памяти ЭВМ на полупроводниковые интегральные элементы не удалась в космических аппаратах, так как оказалось, что полупроводниковые элементы под действием радиации перестают нормально функционировать.

7. Керамические материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.

8. Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции. Любое, даже самое малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов (рис. 2), размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства. Отсюда возникает перспектива дальнейшей микроминиатюризации приборов с использованием керамических элементов.

Применение керамики

Керамика сравнительно редко используется как проводниковый материал, хотя известны разновидности керамики, которые по уровню электронной проводимости приближаются к типичным металлам. Большое распространение получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, деформироваться под действием внешнего электрического поля. Гидроакустические применения пьезокерамики в последнее время удалось существенно расширить, перейдя от монолитной керамики к композитам, в которых пьезокерамика служит наполнителем полимерной матрицы. Такой переход позволил повысить чувствительность в десятки раз и создать эффективные системы слежения за движущимися в воде объектами (например, косяками рыб).

Наиболее перспективной разновидностью керамики с диэлектрическими свойствами являются керамические электролиты, то есть керамические материалы с высокой ионной подвижностью и соответственно ионной проводимостью. В отличие от классических жидких электролитов проводимость многих керамических электролитов униполярна и обусловлена чаще всего разупорядочением одной из подрешеток кристаллов.

Керамика широко используется в качестве полупроводниковых материалов, например, терморезисторы и варисторы, изменяющие электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Основная область применения терморезисторов - термочувствительные датчики, способные изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении температуры на 100 0 С. Терморезисторы находят широкое применение в электронных приборах, системах противопожарного оповещения, дистанционного измерения и регулирования температуры. Варисторы используют как элементы устройств для защиты систем переменного тока от импульсных перенапряжений, в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Основная область применения алюмоксидной керамики - подложки интегральных схем. Они представляют собой тонкие пластины, на которых собираются микросхемы. Другая важная область применения алюмоксидной керамики - изготовление подложек для корпусов чипов (больших интегральных схем).

Множество материалов с оптическими функциями включает оптически прозрачную керамику, керамику с люминесцентными и электрохромными свойствами, а также светочувствительные керамические материалы. В настоящее время известно несколько десятков, если не сотен видов прозрачных керамик, создаваемых на основе индивидуальных оксидов, их соединений друг с другом, а также бескислородных соединений.

Для применения в различных областях техники перспективной оказалась керамика на основе оксида иттрия, высокопрозрачная в видимой и инфракрасной областях спектра. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Керамика для лазера выгодно отличается от монокристаллов простотой технологии ее получения, а от лазерного стекла значительно более высокими теплопроводностью, термостойкостью и твердостью. Большие надежды связывают с использованием светочувствительной керамики для создания различных типов преобразователей солнечной энергии.

Учитывая, что в виде плотной, пористой или порошкообразной керамики могут быть приготовлены практически любые неорганические вещества, естественно ожидать большого многообразия их химических свойств и обусловленных этим химических функций. Вместе с тем химическая специфика керамики нередко проявляется в изменении физических свойств. На этом принципе основано действие большого числа созданных в последнее время газовых детекторов.

Другая область применения керамики, основанная на ее химической специфике, связана с развитием мембранной технологии. Мембраны позволяют избирательно выделять и концентрировать разнообразные вещества. Переход к керамическим мембранам, которого следует ожидать в недалеком будущем, позволит значительно расширить области их применения с одновременным снижением энергозатрат.

Развитие атомной энергетики привлекло первостепенное внимание к материалам, обеспечивающим нормальное функционирование и защиту ядерных реакторов различного типа, начиная от традиционных, работающих на медленных нейтронах, и кончая термоядерными. Среди этих материалов видное место занимает специальная керамика. В ядерных энергетических установках керамика используется в качестве теплоизоляции, ядерного топлива, материалов регулирующих узлов, замедляющих и отражающих материалов, материалов нейтронной защиты, электроизоляции в активной зоне, оболочек тепловыделяющих элементов и т.д.

В термоядерной энергетике керамика широко используется для тепловой и электрической изоляции первой стенки плазменной камеры, ограничения плазмы, для нейтронной защиты, в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы и т.д.

Пайка металла с керамикой

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Для получения соединений керамики с металлом применяют несколько способов пайки: пайку металлизированной керамики, активную пайку, пайку стеклоприпоем и пайку неметаллизированной керамики под давлением.

Пайка металлизированной керамики — это многоступенчатый способ получения соединений. Вначале на керамическую деталь наносят и закрепляют тонкий слой порошкового материала (75—95 % Мо и активные добавки Mn, Si, Ti, Fe, ферросилиция, стекла и др.). Затем гальваническим или химическим методом наносят второй слой металла (Ni или Fe) осуществляют пайку высокотемпературными припоями в интервале температур 780—1100 °С. Время выдержки после расплавления припоя составляет 30—60 с.

Сущность активной пайки заключается в использований титана и циркония в качестве активных составляющих металлического припоя. Процесс пайки протекает в вакууме (1,3 x 10 -3 Па) или в среде инертного газа, не содержащего кислород и пары воды.

Получение металлокерамических соединений стеклоприпоем основывается на хорошей адгезии керамики и стеклоприпоя, а также на том, что процесс пайки протекает в условиях, когда на металле появляется тонкая пленка окисла, улучшающая адгезионное сцепление стеклоприпоя с металлом. Для пайки в окислительной фазе применяют стеклоприпои системы SiO₂ — ZnO—В₂О₃ — РbО и V₂O₅—В₂O₃ — ZnO. В случае восстановительной среды используют стеклоприпои на основе окислов SiO₂, Аl₂O₃, CaO, MnO, MgO и ВаО.

Пайка неметаллизированной керамики с металлами под давлением напоминает диффузионную сварку. Процесс получения соединений сводится к сборке деталей, расплавлению припоя и выдержке. 3—5 мин без давления, а затем под давлением в течение 8—10 мин. Далее температура снижается и узел охлаждается под давлением 4—5 МПа до комнатной температуры.

Известны и нашли широкое применение в производстве следующие виды пайки:

пайка металла с металлизированной керамикой (аналогично пайке металлов);
активная пайка с использованием титана и циркония в качестве компонентов припоя;
пайка стеклоприпоем (глазурью);
пайка по металлизированному слою;
пайка неметаллизированной керамики под давлением.

Рис. 7. Элементарные формы соединений керамики с металлами:
а - торцовое компенсированное; б - торцовое некомпенсированное; в - лезвийное; г - конусное; д - охватывающее; е - охватывающее с бандажом; ж - цилиндрическое внутреннее и наружное (охватывающее); з - внутреннее

Пайка металлизированной керамики. В состав металлизационного покрытия, наносимого на керамику, входят: порошок молибдена или вольфрама в количестве 75 . 95 % (по массе) и активные добавки марганца, кремния титана (гидрида титана), железа, борида молибдена, ферросилиция, стекла и др. Выбор добавок определяется химсоставом керамического материала и температурой спекания покрытия. в процессе которого происходит закрепление слоя металлизации на поверхности керамической детали. Составы применяемых для металлизации керамики паст приведены в табл. 14.

14. Состав паст для металлизации керамики

Компоненты паст перед приготовлением паст тщательно измельчают в ацетоне или этиловом спирте. Для приготовления металлизационных паст используют раствор коллоксилина в изоамил-ацетате. Рецептура металлизационных паст из расчета на 300 г порошка приведена в табл. 15.

15. Рецептура металлизационных паст

После нанесения паст детали поступают на вжигание. Температура вжигания для керамических материалов, содержащих стекло (6 . 20 %), 1250 . 1450 °С. С уменьшением содержания стекла температура вжигания может достигать 1500 . 1650 °С.

После закрепления первого слоя порошковым или гальваническим методом наносится второй слой (никеля, железа, меди). Состав и режим работы ванны для химического никелирования приведены ниже.

Никель хлористый, г/л 40 . 50
Аммоний хлористый, г/л 40 . 50
Натрий лим. кисл., г/л 40 . 50
Натрий гипофосфат, г/л 10 . 20
рН 8,0 . 8,5
Температура, °С 80 . 85
Время, мин 15 . 20

Перед никелированием детали травят в смеси соляной и азотной кислот в течение 4 . 8 с и промывают в проточной воде.

Сборка металлокерамических узлов осуществляется при плотной посадке манжет на цилиндрические керамические детали с применением рычажных или винтовых процессов. При этом натяг манжеты на керамику не должен превышать 0,1 . 0,15 мм во избежание скола керамики и металлизационного слоя.

При сборке под пайку существенное значение имеет размещение припоя (рис. 8 и рис. 9). Режимы пайки металлокерамических узлов приведены на рис. 10. Пайку осуществляют в печах с защитной атмосферой. Рекомендуемое время выдержки и температура пайки металлизированной керамики с металлом приведены в табл. 16.

Для металлокерамических узлов (МКУ), изготовленных с применением пайки, особое значение имеет сохранение вакуумной плотности в условиях эксплуатации и хранения. Вакуумную плотность изделий контролируют методом испытания на термостойкость, по величине которой оценивают технологическую и эксплуатационную надежность конструкций.

Рис. 8. Расположение припоя

Рис. 9. Потолочное (верхнее) закрепление припоя в телескопических соединениях керамики с металлами:
1 - керамика; 2 - фольга припоя; 3 - манжета; 4 - припой

Рис. 10. Режимы пайки металлокерамических узлов медью и медно-серебряной эвтектикой:
1-3 - изделия простой формы размером до 100 мм, манжеты медные (1) и коваровые (2, 3); 4,5 - изделия сложной формы или размером до 250 мм

Материал манжет - ковар 29НК, керамика ВК94-1, металлизированная молибдено-марганцевым покрытием с гидридом титана (Mo-Mn-Ti Н₂). В качестве второго слоя покрытия - никель гальванический 6 . 9 мкм. Пайка МКУ осуществлялась на установке ЛM 4890. Термостойкость исследовалась путем нагрева и охлаждения в среде азота по режиму 50 - 600 - 50 °С. После каждого цикла нагрева-охлаждения производилась проверка узлов на вакуумную плотность гелиевым течеискателем ПТН-10. Из исследованных трех типов конструкций паяного соединения наибольшей термостойкостью обладают МКУ с Т-образной конструкцией спая (рис. 11, в), наименьшей - с телескопической (рис. 11,6).

Рис. 11. Конструкции спаев металлокерамических узлов: а - торцовый некомпенсированный; б - телескопический; в - Т-образный

Как следует из проведенных исследований, термостойкость паяных соединений керамики ВК94-1 с коваром 29НК, выполненных медью для диаметров до 25 мм, существенно зависит как от конструкции паяного соединения, так и от геометрии спаев.

Источник публикации:
autowelding.ru - Справочник по пайке. Под ред. И.Е. Петрунина.
Волченко В.Н. "Сварка и свариваемые материалы" том 2, Москва, 1996

Сварка металлов с керамическими и стеклообразными материалами

Состав и основные свойства материалов

Стекло

Стекло — аморфный материал, получаемый путем сплавления стеклообразующих оксидов типа SiO₂, В₂О₃, Р₂О₅, Al₂O₃. В соответствии с этим различают классы стекол — силикатные, боратные, германатные, фосфатные, алюминатные и др. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (табл 36.1)

По назначению стекла могут подразделяться на большие группы:

Оптические стекла — это однородные прозрачные неокрашенные специально стекла (табл. 36.2).

Электротехнические стекла находят применение главным образом в электровакуумной промышленности. Ряд электротехнических стекол были специально разработаны для получения надежных соединений с металлами. Коэффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки с отдельными металлами и сплавами (табл. 36.3).

Определяющим свойством стекла является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Вязкость стекла в точке трансформации равна 10 12.3 Па*с. До температуры трансформации стекло находится в хрупком состоянии, а выше этой точки оно обратимо переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при механических ударах, ни при внезапном резком увеличении температуры.

Ситаллы

Ситаллы — это искусственные материалы, полученные путем кристаллизации стекол определенного состава. Для получения ситаллов необходимо выбрать соответствующий состав стекла, ввести в этот состав катализатор кристаллизации и сварить стекло, а затем провести специальную термическую обработку.

Назначение термической обработки состоит в том, чтобы обеспечить, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; во-вторых, необходимую степень закристаллизованности; в-третьих, заданный фазовый состав ситалла.

В зависимости от химической природы ситаллы классифицируются следующим образом: ситаллы сподуменового состава (СО—115М) ситаллы кордиеритового состава и свинецсодержащего состава.

Керамика

К традиционной керамике относят изделия из глины и кремнезема, которые являются основными компонентами керамики, фаянса, фарфора, эмалей и других материалов.

В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной керамикой широко используют в промышленности несколько групп новых материалов:

1. Керамика чистых оксидов на основе Al₂O₃ (корунды), SiO₂, ZrО₂, ТhО₂, BeO, MgO, а также шпинель (MgAl₂O₄) и форстерит Mg₂SiO₄ (табл. 36 4).

2. Бескислородная керамика на основе нитридных и карбидных соединений (Si₃N₄, SiC, TiC и др), а также комбинированная керамика на основе оксикарбидов и оксинитридов (миалоны и др.).

3. Магнитная керамика, основа которой — оксиды Fe₂O₃, MnO, NiO (ферриты).

4. Пьезокерамика на основе титаната, цирконата свинца (ЦТС-19).

Кроме того, промышленность постоянно разрабатывает новые виды керамических материалов. Наиболее распространенной керамикой являются разные марки керамики на базе оксида алюминия, так называемые высокоглиноземистые керамики. Так, на основе оксида алюминия разработана большая группа керамических материалов (табл. 36.4).

Керамика относится к хрупким материалам, поэтому ее реальная прочность примерно на три порядка меньше теоретической. Прочность керамических материалов определяется их составом и микроструктурой (табл. 36.5).

Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой

При правильном конструировании сварного узла температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) стекла, керамики и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, возникающие при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко для соединения со стеклом и керамикой используют железоникблевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь, а из чистых металлов Сu, Ni, Ti, Al, Mo, Wi и некоторые другие. Основные свойства металлов, которые могут быть использованы при разработке металлокерамических и металлостеклянных узлов, приведены в табл. 36.6.

Свариваемость материалов

Способы сварки плавлением, как правило, непригодны для соединения металлов с керамическими и стеклообразными материалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. Наибольшую перспективу создания неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка (ДС).

На свариваемость стекла, ситаллов и керамики с металлами существенное влияние оказывает их химический состав, структура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравновесных дефектов, а также ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов. Так, на свариваемость керамики с металлами влияет ее микроструктура, т. е. увеличение размеров зерен керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению протяженности границ и, следовательно, участков наиболее активного взаимодействия.

Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки, соединение получается более прочным. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, например ВК100-2, с металлами, требуются большие энергозатраты, чем для керамики с наличием стеклофазы (ВК94-1).

Природа и механизм образования соединения

Необходимым условием образования сварного соединения металлов со стеклом и керамикой является химическое взаимодействие, механизм которого зависит от свойств элементов. В условиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):

По механизму реакции (1) взаимодействуют d-элементы периодической системы Менделеева, практически все переходные металлы и сплавы на их основе (Fe, Ni, Со, W, Mo, Мn и т. д.), а по схеме реакции замещения (2) взаимодействуют s- и р-элементы — непереходные металлы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому разработка технологии ДС стекла и керамики с металлами должна производиться как с учетом физико-химических свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.

Причины образования дефектов

Наиболее распространенным дефектом металлостеклянных и металлокерамических узлов является образование трещин из-за высокого уровня остаточных напряжений, вызванных большим различием коэффициентов термического расширения соединяемых материалов. Согласование теплового расширения соединяемых материалов устраняет опасность возникновения термических напряжений. Соединять материалы с несогласованными ТКЛР также возможно, но толщины металлической детали при этом сильно ограничены.

Технология сварки

Подготовка стекла, ситалла и керамики

Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным способом получения качественной поверхности под сварку. Термическое обезжиривание обычно применяется в сочетании с химической очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в качестве рабочих жидкостей применяются различные химические вещества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой в сущности сводится к трем основным процессам: обезжириванию, удалению механических загрязнений и травлению поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа обработки, а к травлению прибегают только в случае необходимости изменения структуры поверхностного слоя.

Подготовка металлов к сварке

Химические активные металлы (s- и р-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керамикой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные металлы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную обработку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности.

Режимы сварки

При разработке технологии ДС стекла и керамики с металлами широко используют промежуточные прокладки. Назначение прокладок главным образом сводится к снижению энергетических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.

Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов

Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или керамику, при этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем неметалла. Такие соединения называют охватывающими (рис. 36.1, а—в).

2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или соединениями (рис. 36.1, г).

3. Соединения, когда металлическая деталь сочленяется с неметаллической по плоскости торца; поэтому они и называются плоскими или торцовыми соединениями (рис. 36.1, д—ж).

Возникновение больших и опасных напряжений в таких соединениях компенсируют следующими способами: использованием металлов небольших толщин и возможно меньшего диаметра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослаблять напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с чередованием промежуточных отжигов.

Сварка керамики с металлами

Стоимость подписки в 2 раза ниже!. Звоните нам. Возможны скидки.

Наши консультации

Как сваривают стекло, ситаллы и керамику с металлами

По механизму (1) взаимодействуют d-элементы (Fe, Co, W, Mo, Mn и т. д.), а по механизму (2) — s- и p-элементы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому технология ДС стекла и керамики с металлами должна разрабатываться как с учетом физико- химических свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.

Таблица. Режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами

Соединяемые материалы	Промежуточная прокладка	Температура, К	Давление, МПа	Время, мин	Вакуум, Па	Необходимость окисления металла
Кварц+кварц	А7*	893	12,0	40	0,0133	–
Кварц+кварц	М1*	1223	10,0	30	0,133	+
Кварц+кварц	Н1*	1423	12,0	40	0,133	+
Кварц+кварц	АМц	873	8,0	30	0,0133	–
Кварц+кварц	–	1423	8,0	30	0,0133	–
С49-2+29НК	–	863	5,0	20	0,133	+
ЛК-4+Мо	А7	803	10,0	40	0,0133	–
ЛК-4+ЛК-4	А7	773	12,0	40	0,0133	–
К-8+К-8	А7	853	5,0	30	0,0133	–
К-8+К-8	ВТ 1-0	953	4,0	20	0,0133	–
К-8+К-8	38ЮНДК	873	6,0	20	0,0133	+
ВК94-1-+ВК94-1	AMr6	863	10,0	20	0,0133	–
ВК94-1-+ВК94-1	АД1	893	10,0	30	0,0133	–
ВК94-1-+ВК94-1	М-1	1223	10,0	40	0,133	+
ВК94-1-+ВК94-1	29НК	1323	10,0	20	0,133	+
Сапфир+сапфир	AMr6	863	8,0	30	0,0133	–
СапфиВЕ-1-0	AMr6	863	10,0	15	0,0133	–
Феррит (5000МТ) +феррит (5000МТ)	АД1	873	10,0	30	0,0133	–
Феррит (5000МТ) +феррит (5000МТ)	AMr6	863	10,0	20	0,0133	–
СО-115М+СО-115М	АД1	893	8,0	40	0,0133	–
Поликор+поликор	AMr6	863	10,0	30	0,0133	–
Поликор+ВТ-1-0	AMr6	863	12,0	10	0,0133	–

_{* А7, М1, Н1 — марки AL, Cu, Ni.}

Технология диффузионной сварки. Подготовка стекла, керамики и ситалла. Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным способом получения качественной поверхности под сварку. Термическое обезжиривание обычно применяют в сочетании с химической очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в качестве рабочих жидкостей используют различные химические вещества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой сводится к трем основным процессам: обезжириванию, удалению механических загрязнений и травлению поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа обработки, а к травлению прибегают только в случае необходимости изменения структуры поверхностного слоя.
Подготовка металлов к сварке. Химически активные металлы (s- и p-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, керамикой и ситаллом тщательно очищают от загрязнений, а также от оксидов. Переходные металлы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную обработку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности.
Режимы сварки. При ДС стекла и керамики с металлами широко используют промежуточные прокладки. Назначение прокладок, главным образом, сводится к снижению энергетических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в таблице.
--> -->

Рисунок. Основные типы металлостеклянных и металлокерамических соединений

--> Закрыть/Close

Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой

Свариваемость материалов

Природа и механизм образования соединения

Причины образования дефектов

Технология сварки

Подготовка стекла, ситалла и керамики.Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным способом получения качественной поверхности под сварку. Термическое обезжиривание обычно применяется в сочетании с химической очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в качестве рабочих жидкостей применяются различные химические вещества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой в сущности сводится к трем основным процессам: обезжириванию, удалению механических загрязнений и травлению поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа обработки, а к травлению прибегают только в случае необходимости изменения структуры поверхностного слоя.

Подготовка металлов к сварке.Химические активные металлы (s- и р-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керамикой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные металлы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную обработку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности.

Режимы сварки.При разработке технологии ДС стекла и керамики с металлами широко используют промежуточные прокладки. Назначение прокладок главным образом сводится к снижению энергетических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.

Читайте также: