Файл: Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры.pdf

Mo ilopiictOM тело. И в случае Их видоизменении й пограничном слое плотность спая может нарушиться.

Следовательно, для получения надежного вакуумноплотного спая керамика должна иметь однородную плот­ ную структуру, как на поверхности, так н в глубине или же метод папки должен быть таким, -при котором припои проникает па некоторую глубину в толщу керамики, уплотняя ее. При этом припой не должен в дальнейшем претерпевать изменений, Делающих соединение газопро­ ницаемым.

8-2. ПОДГОТОВКА МЕТАЛЛА ДЛЯ ПАЙКИ СО СТЕКЛОМ

Для получения качественного спая металла со стеклом чрезвычайно важна правильная подготовка ме­ таллических деталей. При этом разные металлы требуют разной подготовки.

Коваровые детали .перед пайкой со стеклом отжига­ ются в осушенном водороде или в вакууме при темпера­ туре 1000—1 150°С с медленным нагревом, выдержкой при указанной температуре в течение 10—20 мин и по­ следующим медленным охлаждением примерно в тече­ ние 1 ч. Для отжига применяются водородные или ва­ куумные печи любой конструкции.

Водород для отжига ковара лучше всего пропускать через осушитель с алюмогелем или силикагелем.

Баллоны со сжатым водородом имеют обычно боль­ шое количество конденсата. Перед началом пуска газа в печь необходимо спустить из баллона конденсат, пере­ вернув баллон (вне здания) и дав конденсату стечь вниз в течение 10 мин, а затем осторожно приоткрыть ключом вентиль баллона. Количество конденсата иногда достигает 4 л. Давление водорода под колпаком печи регулируется по величине контрольного факела, как м для пайки в водороде.

Для качественного отжига необходимо, чтобы рабо­ чая камера печи была совершенно чистой. Особенно важно, чтобы под колпаком ни откуда не выделялась углекислота, так как ковар ее поглощает, а металлостекляиные спаи особенно чувствительные к ее присутствию

в металле.

Медные трубчатые детали 'могут быть спаяны со стек­ лом как в окисленном виде (до появления равномерного слоя красной закиси меди), так и остеклованные в пла-

2 0 2

мели горелки 'бурой. При окислении меди необходимо внимательно следить за тем, чтобы на ней не появилась черная окись меди. Она образуется при недостаточной температуре окисления (ниже 750°С). Красная пленка за юней меди образуется при быстром нагреве меди выше 750 °С на воздухе и при дальнейшем охлаждении ее без доступа воздуха или кислорода. Выгоднее всего опера­ цию окисления производить во время пайки как первый ее этап. Тогда охлаждение меди в месте спая будет про­ исходить уже под слоем стекла.

Для остекловаиия бурой медные детали смачиваются горячим (70°) водным раствором буры, который затем спекается в печи при 700°С за 5—10 мин. Медь предва­ рительно обезжиривается, травится и слегка окисляется

(при 350°С).

Молибден лучше спаивать со стеклом в очищенном виде после отжига в водороде при температуре 1 100°С. Образование необходимой для спаивания со стеклом тонкой окисной пленки коричневого цвета происходит в процессе папки.

Малоуглеродистая сталь в пламени горелки быстро покрывается рыхлыми окислами, непригодными для пай­ ки. Тонкая черная, плотно соединенная с металлом окисная пленка образуется только при умелом окислении в слабоокислительном пламени. Пайку с подготовленной таким образом сталью нужно вести в защитной, инерт­ ной газовой среде.

Часто прибегают к гальваническому покрытию стали тонким слоем серебра или меди, который затем сплав­ ляется с основным металлом в инертной среде, а во вре­ мя пайки окисляется и хорошо спаивается со стеклом. Другой метод заключается в предварительном термо­ диффузном хромировании стали с последующим окисле­ нием хрома во время пайки.

Хорошая спаиваемость окислов хрома со стеклом определяет широкое применение в этих спаях высокохро­ мистой стали (марки Х18ТФМ и др.). Окисление ее ре­ комендуется проводить в среде влажного водорода до появления пленки зеленого цвета, который должен со­ храняться и в готовом спае. Черная окисная пленка как и на меди, говорит о переокислении и служит признаком брака.

Титан подготавливается к пайке со стеклом нагревом на воздухе до температуры 1 100°С в течение не более

2 0 3

5 мин с последующей зачисткой наждачной шкуркой, промывкой в горячей воде и легким окислением в пла­ мени горелки. Образующаяся при этом наружная пленка особо активно сплавляется с легкоплавкими стеклами.

8-3. ОКОШЕННЫЕ СПАИ

Рассмотрим спаи нескольких наиболее широко применяемых в вакуумной аппаратуре видов. Для на­ блюдения за всевозможными операциями, производимы­ ми внутри вакуумных аппаратов, необходимы смотровые окна. В непрогреваемых аппаратах они делаются на ре­ зиновых уплотнениях. В прогреваемых системах их стек­ ла приходится впаивать в металлические оправы.

Подходящие для этой цели окошечные спаи показа­ ны на рис. 8-1 [Л. 37.] Спаи конструкции на рис. 8-1,а

ж)

Ри с. 8-1. К о н с тр у к ц и я о к о ш е ч и ы х спаеь.

е и з пригодны для более крупных окон. Спаи конструк­ ции на рис. 8-1,6, в, г и д рекомендуются для окон ма­ лого диаметра. Спаи конструкции на рис. 8-1 д/с предна­ значены для окон прямоугольного очертания. Такие спаи в основном должны быть согласованными, так как раз­ меры их довольно значительны и разница в температур­ ных коэффициентах линейного расширения здесь сказы­ вается особенно резко.

20 4

исходя из соотношения

d —£>+ (0,Ь-г- 0,8) i,

так как внутренний наплыв должен быть длиннее на 1—3 мм и массивнее наружного во 'избежание отлипа­ ния металла. Дело в том, что лезвеннымм спаями пользуются главным образом для пайки стекла с медыо, т. е. там, где тепловое расширение металла значительно больше, чем у стекла. Поэтому при остывании лезвия, изгибающегося вокруг края внутреннего на­ плыва, оно может от­ стать от внешнего, если

наплывы равны.

Спай конструкции на рис. 8-7,в осуществля­ ется с металлической трубкой, раскатанной, как показано на рис. 8-7Д На рис. 8-7,г по­ казана заготовка труб­

Рнс. 8-Л Лезвенные спаи. ки для прямого спая

(рис. 8-7,а).

Длина лезвия в зависимости от диаметра должна со­ ставлять:

а толщина кромки не более 0,2 мм (желательно дово­

заготовки. Однако последним методом можно пользовать­ ся лишь при наличии давильщика высокой квалифика­ ции, так как при неумелом давлении деталей столь ма-

2 0 8

Чистой стали до 1200°С) делается посадка стекла iui кромку металла или металлической детали в стекло в зависимости от их размеров и формы с легким нажи­ мом, обеспечивающим необходимое утапливание метал­ ла в стекло.

Для трубчатых спаев меди со стеклом двусторонним швом лучше сначала остекловать медный переходник по его конусу. Напрев пламенем произво­

--дится в более толстой части переход­

ника. Нагретый переходник сначала вставляют в стеклянную трубку на длину шва, затем отрезают конец труб­ ки так, чтобы свободного стекла за кромкой лезвия оставалось на 3—5 мм больше, чем надето на лезвие, а потом сильно размягченное свободное стекло (рис. 8-9) завертывается внутрь лез­ вия и оправками прижимается к ме­ таллу до надежного спаивания.

Нагрев в пламени горелки и спаи­ вание следует производить при непре­ рывном вращении деталей для до­

стижения равномерного прогрева. После посадки не­ обходимо выдерживать некоторое время детали не­ подвижно относительно друг друга с постепенным уменьшением нагрева до температуры отвердевания стекла.

Во время пайки от стеклодува требуется большая осторожность, так как нередко нагрев тонких кромок ме­ таллических деталей вследствие наличия посторонних включений или волосных трещин становится неравно­ мерным, появляются отдельные яркие перегретые точки, в которых может произойти выплавление или прогорание металла.

Все кромки металла, идущие в спай, не должны иметь острых углов, а должны обязательно скругляться и иметь плавные переходные линии. Далее лезвия, на­ сколько позволяет их малая толщина, должны скруг­ ляться.

Чистота обработки кромок металла под пайку долж­ на быть не хуже V 7. При этом необходимо избегать полировки с пастами или обработки наждачной шкур­ кой, заменяя ее при чистовой отделке стеклянной бума­ гой или стеклянным полотном.

210

После пайки производится медленное охлаждение спая в печи или в специальных приспособлениях.

Следует подчеркнуть, что путем правильного подбора скорости и порядка охлаждения металла и стекла, иног­ да умышленно неравномерного, можно получить спаи с весьма малыми температурными напряжениями, осо­ бенно в спаях ковара со стеклом. С другой стороны, при непродуманном режиме охлаждения можно получить сплошной брак даже в самых лучших конструкциях и при вполне подходящих материалах.

Дать определенные рецепты охлаждения в кратком наставлении нельзя из-за чрезвычайного разнообразия конструкций спаев, сортов стекла и металла и различия их тепловых свойств. Для достижения высоких качеств спая необходимо знать тепловые характеристики приме­ няемых материалов и в соответствии с ними подобрать и испытать режимы охлаждения спаев.

8-6. ПАЙКА КЕРАМИКИ С П О М О Щ ЬЮ УЛЬТРАЗВУКА

Если в пайке стекла речь идет только о непосред­ ственном соединении его с металлом, то пайка керамики

сметаллом осуществляется при помощи припоев и, как

ив пайке металлов, здесь существует и мягкая и твер­ дая пайка.

Мягкая пайка керамики появилась сравнительно не­ давно и осуществляется с помощью ультразвука. Собст­ венно ультразвуком производится лужение керамики,

делающее возможным дальнейшее соединение ее с кера­ микой или с металлом обычными приемами мягкой пай­ ки. Заметим здесь же, что совершенно теми же приемами с помощью ультразвука можно паять и алюминий мяг­ ким припоем.

Как известно, при воздействии ультразвука на металл через слой жидкости возникают весьма сложные явления кавитации, т. е. мгновенных микроразрывов массы жидкости с образованием множества мельчайших пузырьков ■и последующим их захлопыванием, причем на границе жидкости и твердого тела мгновенно возни­ кают микроскопические области сверхвысоких давлений. Помимо давления здесь, очевидно, возникают и электри­ ческие и химические явления и все это вместе оказывает сильнейшее воздействие на поверхность .металла или керамики, подвергающихся обработке -ультразвуком. На

алюминии ультразвук разрушает окисную пленку, ме­ шающую папке, а с поверхности керамики снимает тон­ чайший слой опудривагащих ее частиц и вскрывает все микропоры основного материала.

Действие кавитации на любые, даже самые твердые материалы настолько сильно, что там, где материал под­ вергается ей более или менее продолжительное время, происходит не только очистка поверхности, но и интен­ сивное разрушение основного материала. Поэтому про­ цесс облуживанпя нужно вести быстро и осторожно.

Керамику (алюминий, абразивы, ферриты) облуживают с помощью ультразвука припоем, состоящим из 80—90% олова и 10—20%' цинка с температурой плав­ ления 199—205°С. Ультразвук действует па материал через жидкость, следовательно, припои в момент облужнвання должен быть в жидкой фазе. Поэтому до нача­ ла облуживанпя очищенные, как обычно для пайки, де­ тали должны быть прогреты до 240—250°С, чтобы пруток припоя быстро и с достаточным перегревом плавнлся па детали. Нагрев деталей можно производить в муфельных печах пли на любом достаточно мощном электрическом нагревателе.

Самый процесс облуживанпя нагретых деталей лучше также производить на закрытой электрической плите, чтобы детали не могли преждевременно остыть.

Крупные детали во время облуживанпя можно подо­ гревать горелкой.

Облуживание производиться ультразвуковым паяль­ ником. В настоящее время промышленность выпускает несколько типов паяльников, например УП-21 (отечест­ венного производства), Milliard.

Схема ультразвукового паяльника показана на рис. 8-10. Рабочий наконечник 1 нагревается обмоткой 2. Ультразвуковые колебания, передающиеся наконечни­ ку, возбуждаются в магнитострикционном элементе 4 при помощи катушки 3, на которую подается от генера­ тора ток ультразвуковой частоты.

При облуживании наконечник включенного паяль­ ника погружают в слой жидкого припоя, покрывающего облужпваемый материал, и проводят им по поверхности материала, не останавливаясь на одном месте.

Очистка поверхности и разрушение окислов происхо­ дят под действием ультразвука очень быстро. Очищен­ ная поверхность надежно облуживается расплавлеи-

2 1 2

ным припоем, а остатки окислов и все частицы, мешаю­ щие папке, всплывают поверх припоя тонким слоем шлака, который удаляется с излишками припоя шпате­ лем или тампоном. Никакого флюса при этом применять не следует.

После облуживапня на детал'и можно нарастить:(при необходимости) любое количество мягкого припоя, или

Рис. 8-10. Схема устройства ультразвукового паяльника.

же их можно немедленно спаивать друг с другом путем легкого сжатия с небольшим дополнительным подогре­ вом, если они начали остывать.

При папке очень тонких алюминиевых детален быва­ ет достаточно тепла ультразвукового паяльника.

Вторым методом облуживапня служит погружение мелких детален в ультразвуковую ванночку с расплав­ ленным припоем. Действие такой ванны аналогично облуживанпю паяльником, но оно охватывает всю погру­ женную часть детали.

8-7. ПАЙКА ТВЕРДЫМИ ПРИПОЯМИ. МЕТОД МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Пайка керамики с металлами твердыми припоя­ ми, способными выдерживать в работе нагрев до 500— 800°С, производится в основном двумя методами: спред-

213

верительной металлизацией керамики и методом актив­ ного .припоя (в одну операцию). Наиболее надежные и температуростойкие соединения получаются по первому методу. Но надежность спая зависит также и от сорта керамики. Лучшие спаи можно получить между метал­ лом и высокоалюмооксидными сортами керамики (на­ пример, марки миналунд, 102, 22ХС).

Металлизация основана на явлении восстановления и вжигания металла на поверхности керамики из нане­ сенного на нее слоя металлических окислов при нагреве в восстановительной или защитной среде. Таких же результатов можно достигнуть применяя для вжигания очень тонкие порошки некоторых металлов. Исследова­ ния показали [Л. 12, 38—41], что частицы металла скреп­ ляются на поверхности керамики стекловидными состав­ ляющими, которые во чзремя вжигания образуют на по­ верхности керамики жидкую фазу, цементирующую ча­ стицы металла.

Наиболее широко в настоящее время применяется металлизация с использованием паст, содержащих смеси тонких порошков молибдена и марганца с добавлением стекла. Такова, например, паста № 5 (марка П-5), реко­ мендуется среди других в работе (Л. 12]. Она состоит из 75% Мо и 20% Мп с добавкой 5% стекла марки С-48-2. Эта паста универсальна, так как позволяет металлизиро­ вать как миналунд, таки керамику типа стоал и искусст­ венные сапфир и рубин.

Вжигание пасты П-5 производится при температуре 1280—1300°С во влажной [точка росы +18 -г + 26 °С] смеси азота с водородом. При этом паста П-5 допускает широкое изменение соотношения азота и водорода в ра­ бочей смеси от 3: 1 до 1:3. Может использоваться так­ же и диссоциированный аммиак [Л. 12].

Спаи металла с высокоалюмооксидной керамикой, - полученные на основе пасты П-5, способны выдержи­ вать термоудары от 800 до 20°С без потери вакуумной плотности. Их механическая прочность при статическом

мелко. Паста замешивается на биндере из нитроклетчат­ ки, растворенной в амилацетате ('2,6 г нитроклетчатки в 100 мл амилацетата).

214