Металлокерамический узел (его варианты)

 

1. Металлокерамический узел. содержащий керамический изолято р, металлическую манжету и ввод, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения механической прочности и термической надежности металлокерамического соединения, металлическая манжета вьШолнена в виде двух полуманжет, имеющих форму коаксйально расположенных цилиндров, соединенных между собой с одной стороны, причем свободные концы внутренних цилиндров, которые выступают за торцы внешних цилиндров, спаяны с внутренне й поверхностью :керамического изолятора, а торцы . н;аружных цилиндров прижаты К торцовым поверхностям керамическогс изолятора .. DOX ) :д :л

69) (Н) СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК уц)) С 04 В 37/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H ABTOPCHOMV СВИДЕ П=ЛЬСТВУ (21) 3365683/29-33 .(22) 11.12 ° .81 (46) 30..07.83. Вюл. )) 28 (72.) В;К. Ерошев и В.Д. Павлова (.53) 666 ..798 (08 8. 8) (56) 1. Рубашев М.A. и др. Термостойкие диэлектрики и их спаи с ме .таллом -в новой технике. М., Атом издат, 1980, с. 180, рис. 10.1 .8 2

2. Справочник по .пайке. Под ред. С.н. Лоцманова, H.Е. Петрунина, В..П. Фройова, М., "Йашиностроение", 1975, с. 315, рис. 29 с .. (54) метАллОкеРАмическии узел

;(ЕГО ВЛИЯНтЫ}.(57) 1. Иеталлокерамическнй узел, содержащий керамический изолятор, металлическую манжету и ввод, о тл и ч а ю шийся тем, что, с

-целью повышения механической прочности и термической надежности металлокерамического соединения, металлическая манжета выполнена в виде двух полуманжет, имеющих форму коаксиально расположенных цилиндров, соединенных между собой с одной стороны, причем свободные концы внутренних -цилиндров, которые выступают за торцы внешних цилиндров, спаяны с внутренней поверхностью керамического изолятора, а торцы ,наружных цилиндров прижаты к торцовым поверхностям керамического изо- Д лятора.

1031955

Кроме того, термические и механи4

Изобретение относится.к технике соединений, разнородных материалов, ческие характеристики внутренних в частности к соединениям керамики соединений невысокие вследствие с металлом,: и может найти применение использования в соединении материав .электронной, радиоэлектронной 5 лов, несогласующихся по термическому коэффициенту. линейного расширения, в результате после пайки во внутреннем соединении возникают опасные и приборостроительной промышленности.

Известны внутреннйе соединения . керамики с:металлом,-в.которых манжета в виде стержня или тонкостендля металлокерамического соединения ной трубки спаяна с внутренней цо- ..1О растягивающие усилия, снижающие его верхностью керамики:$1). - термические и механические характе-

Однако соединения со стержнем : ристики. йспользованы.только для малогаба- .: . Целй изобретения - повышение Меритных спаев диаметром не.более 2 мм. ханической прочности и термической

При дальнейшем увеличении диаметра . 5 надежности металлокерамического в соединении.с керамикой применяют: : соединения.:: тонкостенные трубки..Прочность ме- :. Поставленная цель достигается таллокерамических узлов с такими тем,что в металлокерамическом узле, со:. соединениями невысокая,: определяет- держащем керамический изолятор, метался прочностью. тонкой трубки, а увели- . лнческую манжету и ввод, металличение толщины трубки приводят к-. ческая манжета выполнена в виде возрастанию напряжений в.металлоке- двух полуманжет, имеющих форму коакрамическом соединении и-снижению . сиально-расположенных цилиндров, прочности и термостойкости Фоедине-. соединенных между собой с одной стония. .роны, причем свободные .концы внутНаиболее близким-по технической, ренних цилиндров, которые выступают сущности к предлагаемому:является..:, sa. торцы. внешних цилиндров, спаяны металлокерамический,узел .с внутрен -, ;,c:síóòðåíaåé,ëosåðõaoñòüþ керамичесним соединением керамики с металлом, кого изолятора, а торцы наружных.

-: в который внутренний массивный стер- ., цилиндров прижаты к торцовым поверхжень спаян с тонкой манжетой на ::, ЗО, ностям керамического. изолятора. определенном расстоянии от.металло-, Кроме roro, ввод выполнеи из мекерамического соединения. Такое сое : телла, имеющего коэффициент линейнодйнение .повышает прочность конструк -: го термического расширения (клтР3 ции при изгибающих нагрузках за -, больше,:чем КЛТР керамики и полусчет"деформации.тонкой манжеты и . 35 манжет., .передачи нагрузки от,стержня к -ке . .. Внутрейний.цйлиндр полуманжет рамической детали через манжету (2$, выполнен в виде конуса, сужающегося

Однако прочность конструкции .в : к середине .керамического изолятора, осевом. направлении остается низкой."" причем внутренний цилиндр полуман2. Узел по 1, о т л и ч а юа и и с я тем, что ввод выполнен из металла, имеющего. коэффициент линейного термического расширения

{ КЛТР) больше,, чем КЛТР керамики и полуманжет.

3. Узелпопп. 1и 2, отлич а ю шийся тем, что внутренний цилиндр полуманжет:выполнен в виде конуса, сужающегося к середине керамического изолятора.4. Узел по п. 1:, о т л и ч а ю.шийся тем,: что внутренний цилиндр полуманжет выполнен. с капиллярными разрезами B осевом .направлении, доходящими до уровня торца . внешнего цилиндра.

5. Металлокерамический узел, содержащий керамический:изолятор, металлическую. манжету и .ввод, о тл и ч .а ю шийся тем, что, с целью повышения механической прочности и термической надежности металлокерамического соединения, манжета выполнена в виде двух коаксиально расположенных цилиндров, соединенных между собой с одной стороны, причем свободнйй конец внутреннего цилиндра спаян с внутренней поверхностью керамического изолято-. ра, а торец внешнего цилиндра прижат к торцовой поверхности изолятора, причем узел снабжен прижимным кольцом, размещенным с противоположного торца изолятора и соединен-: ным с вводом И/ИЛИ манжетой. .б. Узел по и. 5, о т л и ч а юшийся тем, что ввод выполнен из металла .с КЛТР большим,.чем КЛТР керамики и манжеты.

: 1031955 жет выполнен .с капиллярными разрезамн в осевом направлении„ доходящими до уровня торца внешнего цилиндра.

При этом в металлокерамическом узле свободный конец внутреннего цилиндра спаян с внутренней поверхностью керамического изолятора, а торец внешнего цилиндра прижат к торцовой: поверхности изолятора,. причем узел снабжен прижимным кольцом, размещенным с противоположного тор- 1(} .-ца изолятора и соединенным с вводом

И/ИЛИ манжетой.

Кроме того, ввод .выполнен из металла с КЛТР большим, чем;КЛТР кера.мики и манжеты. : 15

На фиг..1-3 представлено внутреннее соединение .керамики с металлом.

Керамический изолятор 1 (.фиг. 1 .спаян с двумя полуманжетами 2 g и 2О, а полуманжеты=.спаяны с внутрен о ним цилиндрическим. вводом 3.

Полуманжета выполнена в форме двух коаксиально расположенных ци.линдров: внутреннего .тонкого цилиндра, предназначенного для соеди-. нения с керамическим изолятором по. внутренней поверхности керамики, и внешнего массивного, который при пайке металлокерамического соединения торцом упирается в керамику. После пайки указанных деталей изолятор оказывается зажатым между двумя полуманжетами вследствие того, что

- КЛТР керамиКи меньше, чем КЛТР большинства металлов, спаиваеьых с керамикой. Кроме того, использование 35 внутреннего ввода с- КЛТР большим, чем КЛТР керамикн и полуманжет, позволяет создать после пайки до-. полнительный прижим полуманжет .к керамике. В таком соединении нагруз- 4Q

:ки, действующие на ввод, передаются на торцовую поверхность керамики через массивный наружный коаксиальный цилиндр полуманжет, минуя метал- -, локерамическое паяное:соединение,,:, которое таким образом раэгружается от действия внешних. нагрузок. Поэтому толщина внутреннего коаксиаль ного цилиндра полуманжет может быть небольшой и выбираться, исходя из требования получения термически надежного металлокерамического сое-. динения. Выбор толщины наружного ко- .аксиального цилиндра полуманжет и толщины керамики зависит от заданных нагрузок..увеличение толщины наружного коаксиального цилиндра не отражается на термических характеристиках металлокерамического соеди-. нения и повышает его прочность.

Поэтому внутренние .соединения, изго- Ю товленные по предлагаемому способу, могут выдерживать значительные механические нагрузки, сохраняя при этом термические характеристики на высоком уровне. 65

С целью увеличения термической надежности внутренняя поверхность внутреннего коаксиального цилиндра верхней полуманжеты (фиг. 1 выполнена в виде конуса. В результате в .спае с керамикой толщина металлической арматуры уменьшается, напря-жения, возникающие по внутреннемспае, также уменьшаются, что повьваает термическую надежность соединения.

Кроме того, выполнение на внутреннем коаксиальном цилиндре полуманжет капиллярных разрезов позволяет получить более качественное металлокерамическое соединение, в-котором разрезы регулируют .зазор между внутренней поверхностью керамики и спаиваемой с ней поверхностью полуманжет и:-обеспечивают-xopomee запол- . нение припоем внутреннего спая.

После пайки капиллярные зазоры оказываются. заполненными пластичным припоем, что также повышает термическую надежность металлокерамического соединения.

На фиг. 2. представлено внутреннее соединение керамики с металлом, в котором внутренняя поверхность. керамического изолятора 1-спаяна с внутренним тонким цилиндром полу- ;манжеты 2O-, а наружный массивнйй цилиндр полуманжеты опирается на торцовую поверхность керамического изолятора, при этом внутренний цилиндр долуманжеты продолжен на всю ширину спая и спаян с вводом.3, а прижим-к керамике с противоположного торца осуществлен за счет прижимного кольца 4, также припаянного к вводу 3.

На фиг. 3 показано аналогичное решение внутреннего соединения, в котором керамический изолятор 1. спа-, ян с полуманжетой 20, а ввод 3 cnaj ян .с полуманжетой 2Q и прижимным кольцом 4. При этом полуманжета вы- полнена иэ двух деталей: внутреннегО тонкого цилиндра 5 и наружного массивного цилиндра 6, которые спаяны между собой.

Пример 1. По предлагаемому изобретению изготавливают внутренние металлокерамические соединения с полуманжетами из ковара и стали

ОЗВц и с: внутренним вводом из стали

12Х18Н10Т.. В качестве керамического изолятора используют кольца наружным диаметром 82 мм и внутренним диаметром 60 мм. Толщина кольца и соответственно ширина металлокерамического.соединения составляет

8,5 мм. Для сравнения с такими же керамическими изоляторами изготовлеиьт внутренние металлокерамические соединения аналогичные прототипу, в которых.манжета изготовлена из козара, а внутренний стержень иэ стали 12Х18Н10Т. Толщина манжеты, 1031955 б спаиваемой с керамикой, составляет

0,5 мм как .в соединениях, изготов.ленных в соответствии с предлагаемым изобретением, так и в соединениях прототипа. Указанные соединения испытаны на растяжение и изгиб, при этом индикатором .Фиксируют дефор-" мацию узла под нагрузкой.

При испытании на растяжение ме таллокерамические соединения с пблуманжетами иэ ковара и стали ОЗВД выдержаны без разрушения и деформации нагрузку, равной 4500 кгс. Даль нейшее йагруженйе не производят.

Узлы остаются вакуумноплотными.

На узлах, изготовленных в соответствии с прототипом, при нагрузке

1300 кгс наблюдается деформация

0,1 мм. Такую деформацию можно .счи.тать предельно допустимой для металлокерамическнх конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по прочности.

Аналогичные соединения испытывают на изгиб при плече приложения нагрузки О, 5 м. Металлокерамические .соединения с полуманжетами из ковара и стали ОЗВД выдержали нагрузку,. равную 80,кгс, беэ деформации и раз. рушения (предельная деформация

О, 02 мм). На Узлах с вйутренними соединениями из ковара, изготовленных в соответствии с прототипом, деформация 0,1 мм наблюдается при нагрузке 9 кгс.

Пример 2. Исследуют прочность при растяжении внутрейних соединений, в которых внутренние .цилиндры двух полуманжет объединены, прижим в керамику осуществлен с однойстороны наружиым массивным.цйлиндром палуманжеты, à с противоположной — прижимным кольцом -(узел,ñîîòветствует фиг 2) . Диаметр внутреннего соединения составляет 32 мм,: ширина зоны спая - 3 мм . Ъолуманжета выполнена.иэ ковара, а ввод - из . . нержавеющей стали. Толщина внутреннего цилиндра полуманжеты составляет 0,5: мм. Для сравнения испытывают с внутренними соединениями таких же габаритов, соответствующие по конструктивному исполнению Hp01Q ,типу. Иеталлокерамнческие узлы, выполненные по предлагаемому изобре. тению, не деформировались при на.грузке до- 1700. кгс, после. чего произошлб разрушение по керамике.

На узлах, выполненных в соответствии с прототипом, наблюдалась деформация 0,1 мм при нагрузке 450 кгс, а разрушение по внутреннему спаю произошло при нагрузке 950 кгс..

Пример 3. Исследования термостойкости проводят на соединениях аналогичных описанным в примере 1, с внутренним спаем диаметром

60 мм, в которых внутреннюю поверхность внутреннего коаксиального

10 цилиндра полуманжет выполнена в виде конуса с толщиной стенки, изме-, няющейся от 0,6 до 0,3 мм, Манжеты изготовлены из ковара, внутренний ввод - из стали 12Х18Н10Т. Пайку

$$- осуществдяют .припоем ПСр-72В. Для сравнения испытывают внутренние соединения такого же диаметра, выполненные в соответствии с прототипом.

Толщина манжеты составляет 0,6 мм.

20. Термоциклирование проводят в режиме

20-600-20 С. Средняя термостойкость внутренних соединений, изготовленных I в соответствии с предполагаемым изобретением, составляет 27 термоциклов, средняя термостойкость узлов (аналогов) — 16 термоциклов.

Пример 4. По предлагаемому изобретению изготовлены внутренние соединения диаметром 60 мм с полу30 манжетами из стали ОЗВД, спаянные медным припоем, при этом на внутренних цилиндрах полуманжет нарезаны в осевом направлении разрезы до уровня торца наружного цилиндра полуманжеты. Ширина:разреза составляет 5 0 07 мм, расстояние между разреза ми 5 мМ, Выход годных после пайки таких соединений составляет 1003,,на аналогичных узлах без разрезов

88-92%; Термостойкость исследуемых

40 узлов составляет соответственно 33 и 27 термоциклов.

Использование .предлагаемых конструкций внутренних соединений кераьдюки с металлом позволит повысить

45 механическую прочность и термическую . надежность таких соединений и, следовательно, расширить область исполь.зования внутренних соединений, которые применялись сравнительно редко

50 иэ-эа плохой надежности.

По предлагаемому изобретению. разработаны конструкции металлокера-. мических узлов с внутренними соеди- нениями„.ожидаемый годовой экономический эффект от использования.предлагаемого изобретения составит около .120 тыс.руб.

1031955.. Заказ 5321/.28

Тираж 622 . Подписное

ВНИИПИ Государственйого комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 ъ

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Н.Соболева

Редактор А.Курах Техреду,N.Костик;, .- Корректор@.Макаренко