Способ диффузионной сварки металла с керамикой
Использование: изготовление вводов и оболочек электровакуумных приборов. Сущность изобретения , процесс сварки разделяется на два этапа формирование физического контакта и собственно сварка, для чего детали сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки, после чего нагревают до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают Полученное соединение обладает вакуумной плотностью и высокой механической прочностью 4 злф-лы, 1 табп, 1 ил
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации пе патентам и товарным знакам (21) 5013801/08 (22) 27.1191 (46) 15.1093 Бкп. Ма 37-38 (71) Общество с ограниченной ответственностью
Тлобус-А" (72) Харламов БА; Макаренков АИ. (73} Общество с ограниченной ответственностью
Тпобус-А (64) CflOCOS ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ MEтаиа С КаРАМИКОЙ (в) RU (и) 2000910 Cl (51) S В23 К20 (57) Использование: изготовление вводов и оболочек эпектровакуумных приборов. Сущность изобретения. процесс сварки разделяется на два этапа: формирование физического контакта и собственно сварка, для чего детали сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки, после чего нагревают до температуры сварки. сдавливают и после выдержки охлаждают. Полученное соединение обладает вакуумной IllloTHoclbe u BblcoKoH механической прочностью. 4 злф — лы, 1 табл. 1 ип.
ЬЭ
С
СР
CO Ф
2000910
Изобретение относится к электронной промышленности и предназначено для использования в производстве вводов и оболочек электровакуумных приборов, а также может найти применение в различных областях промышленности, где необходимы прецизионные, герметичные соединения различных металлов и сплавов с вакуумноплотной корундовой керамикой, Известен способ получения вакуумноплотного соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся в том, что между керамическими поверхностями помещают алюминиевую проволоку определенного профиля, нагревают 270-360 С в атмосфере гелия или в вакууме 10 Па, затем соединяемые детали сдавливают усилием 20 — 150 МПа в течение 10-60 мин, после чего нагрев выключают.
Известен также способ получения соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся, в том, что между керамическими поверхностями помещают диск иэ алюминия толщиной 1 мм, нагревают соединяемые детали до 400-700 С и сдавливают усилием 100 — 200 Ма в течение
180 мин, после чего нагрев выключают.
В обоих известных решениях усилие сдавливания при температуре сварки значительно превышает предел текучести контактно-упрочненного материала (алюминия), следствием чего является большая степень остаточной деформации алюминия в пределах 50-95, приводящая к невозможности получения прецизионных соединений алюминия с керамикой, Также к существенным недостаткам указанных способов относится относительно небольшая механическая прочность получаемых соединений.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ диффузионной сварки алюминиевого сплава АМц с вакуумноплотной корундовой керамикой ВК94-1, заключающийся в том, что между образцами из керамики ВК94-1 помещают диск из сплава
АМц толщиной 0,3-0,45 мм диаметром 6 мм и собранную таким образом комбинацию элементов нагревают в вакууме
10 — 6,65 . 10 Па до температуры сварки
540 — 620 С. сдавливают усилием 7,5-14 МПа и после выдержки 5-100 минут охлаждают (Сварочное производство, 1982. М 11, с.78). Полученные таким образом однослойные (содержащие два торцовых соединения металла и керамики) образцы имели деформацию контактно-упрочненного материала после сварки не более 5 и прочность на растяжение 120-200 МПа.
На основании известного описанного выше способа разработан способ получения металло-керамических соединений (в частности, титано-керамических) через алю5 миниевую прокладку (Автоматическая сварка, 1985, с.59-61). Согласно данному способу собранную комбинацию элементов (керамика — алюминиевая прокладка — титановый диск — алюминиевая прокладка — керамика) нагревают до температуры сварки
630 «+ +10 С, сдавливают усилием 6 + 1 МПа и выдерживают в течение 40 мин, после чего охлаждают. В этом случае алюминиевая прокладка играет роль контактно-упрочняе15 мого материала.
Наиболее близким к предлагаемыому изобретению является способ получения вакуумноплотных металло-керамических соединеыний, заключающийся в том, что
20 соединяемые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают.
При этом режимные характеристики (конкретные величины температуры. уси25 лия, остаточного давления, времени выдержки) определяются в каждом случае видом свариваемого и контактно-упрочненного материала. формой и размерами металлических элементов. составом применяемого
30 оборудования.
Например, оптимальная температура сварки алюминия или его термически неупрочняемых сплавов, а также при получении металло-керамических соединений через алюминиевую прокладку 600-630 С.
Недостатком известного способа является низкое качество многослойных металло-керамических изделий, особенно при применении в составе одного иэделия ме40 таллических элементов иэ разнородных материалов, выражающееся в отсутствии вакуумной плотности и низкой механической прочности соединений (на уровне единиц МПа). Кроме того, известный способ не
45 позволяет получать прецизионные и герметичные металло-керамичекие изделия с применением в качестве конструкционных металлов алюминия и его термически неупрочняемых сплавов системы алюминий—
50 магний (AMr). нержавеющей стали, никилиевых сплавов (ковар, weap), тантала, молибдена, циркония и других, Все вышеперечисленные недостатки являются следствием того, что максимально возможное давление, не приводящее к накоплению обьемной деформации металлических элементов при температуре сварки, недостаточно для равномерного формирования полного физического контакта соединяемых поверхностей, Увеличение
2000910
30 Q
55 давления приводит к зна<итепьнои деформации металлических элементов. Кроме того, при температурах, близких к температуре сварки, интенсивно протекают процессы окисления на соединяемых поверхностях в зависимости от состава остаточных газов в сварочной вакуумной камере (наиболее важно парциальное давление паров воды) и в некоторых случаях формирование физического контакта при температуре сварки становится вообще невозможным, что приводит к резкому снижению процента выхода годных.
Целью изобретения является повышение качества (а именно вакуумной плотности и механической прочности), выхода годных многослойных и однослойных металло-керамических изделий с примененивм в качестве конструкционн,ых металлов алюминия и его термически неупрочняемых сплавов, титана, никеля и его сплавов (ковар, инвар и другие), нержавеющей стали, магния и его сплавов, тантала, циркония, молибдена и других.
Способ заключается в том. что соединяемые детали нагревают до температуры ниже температуры сварки в вакууме, сдавливают и выдерживают при усилии. Обеспечивающем формирование полного физ.1ческого контакта по всем соединяемым I1oâ»ðõèостям, нагревают до температуры сварки. сдавливают и после выдержки охлаждают.
Особенностью способа является то что процесс осуществляется в два этапа, «аждому из которых соответствуют свои режимы по температуре и усилию сдавпивания что позволяет осуществить принципиально но вую схему сварки, а именно сначала обеспечить формирование физического контакта, а затем произвести непосредственно сварку.
Приэтом принципиально важно, что на первом этапе (при формировании физического контакта) температура должна бь<ть ниже температуры сварки. что позволяет ITQDb!сить усилие сдавливания и обеспечить тем самым равномерное формирование физичсского контакта по всем свариваемым поверхностям, поскольку чем ниже температура, тем выше усилие, при котором достигается предел текучести, Таким образом, увеличение усилия сдавливания при температуре ниже температуры сварки обеспечивает в свою очередь равномерное формирование полного физического контакта по всем свариваемым поверхностям при минимальной деформации металлических элементов. что особенно важно при сварке прецизионных. многослойных металло-керамических конструкций. Кроме того. при температурах ниже т .I 1 Критическая температура, при которой активизиру<отся процессы, приводящие к необратимой деградации свариваемых <10ве ! 3I» I"мператуоах .ак как давлени», необ,".G<," 1o» для zopf!" рова вил полно: о физи <еско<о контакта. уменьшает, я гри росте температуры, ro приводит к повь<шен ю пр.ll 3!1 Il! I(сти получаемых соединении. в< Ке упрошаетс конструкция силовой час .и применяемого оборудования и оснастки. каких". Образом, температур:. при котоРой I .pñëçl;oäëò формирование физического кон TdKта сдавпиванием составпя»т бС -30 ",(, ст т:. мпературь< сварки. В частности, при получении апюмокераI.. I«»cK«x соединений можно <<екомендовзт., температурь< в диапазоне 400-500 <, по н; 1,0-200 С ниже температуры сварки. Р1,ногда возникает н-.Об одимость полу-:: <1<1 вь<сокопрецизионн<.х металлов-К»Рам ". <»скил издал,<й, что требует малых G:T IT;>vI!I!x деформац< и ко 1тактно-упрочI«: I«:ë :".. л ентов при усилии сдзвпивания, превыша<ощем предел текучести металла, при 3roк»,акоппение объемной деформации огРав.ь«ИВа»тСЯ <1ЗВЕСтНЫ< ПРОЦЕССОМ КОНтаКтíого упро«нения и усилие сдавпивания дпя высоког рециэионных элементов не должно 2000910 превышать значения, соответствующего 1 остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов (сами элементы, либо прокладки, через которые осуществляется сварка, как правило — алюминиевые). Таким образом, при использовании изобретения для получения высокопрецизиомных соединений его можно дополнительно охарактеризовать следующими признаками: усилие сдэвливания как при сварке, так и при формировании физического контакта превышает предел текучести, но при этом не превышает значения, соответствующего 1ф> остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов при соответствующей температуре. После формирования физического контакта усилие сдавливания может быть снято, а может быть изменено и продолжать сдавливать детали в процессе нагревэ до температуры сварки. При этом возможно изменение усилия сдавливание по какомулибо закону в процессе роста температуры. При приложения сдавливающего усилия в процессе нагрева от температуры формирования физического контакта до температуры сварки снижается суммарное среднее время выдержки изделий на обоих этапах процесса, с 5-100 мин согласно известному способу до 5-30 мин, что позволяет повысить производительность предлагаемого способа Ао сравнению с известными. Важно, чтобы дополнительно прилагаемые усилия не приводили к накоплению деформации, поэтому прилагаемое усилие должно соответствовать упругому деформированию контактно-упрочненных металлических элементов. В данном частном варианте решения предлагаемый способ характеризуется дополнительно следующим признаком: при нагреве соединяемых деталей от температуры формирования физического контакта до температуры сварки соединяемы детали сдавливают усилием. соответствующим упругому деформированию металлических элементов, В обычном режиме, с целью упрощения технологии, после формирования физического контакта при 60-80 ф от температуры сварки усилие уменьшается примерно нэ порядок, а затем вновь увеличивается при температуре сварки, оставаясь в 3-4 раза меньше усилия, прикладывэемого для обеспечения физического контакта, Таким обрезом, техническое решение в частном случае дополнительно характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: при магреве от температуры формирования физического контакта в пределах 60 — 807 температуры сверки до температуры сварки свариваемые элементы сдавливают с усилием, соответствующим 20-401ь от сдавливающего усилия при тем5 перэтуре сварки. На чертеже представлено готовое металло-керамическое изделие (элемент о6олочки), Керамические элементы 1 сварены с 10 элементами иэ сплава АМц 2 и элементом из нержавеющей стали 3 через алюминиевые прокладки 4. В результате сварки контактное упрочнение испытывают элементы 2 и 4. Суммарная деформация оболочки не 15 превышает 2 . Непараллельность поверхностей А и В не превышает 0,1 мм. Выход годных при изготовлении оболочек по предлагаемому способу 95ф . Пример 1. Кольца иэ корундовой 20 керамики ВК94-1, имеющие наружный диа"метр 13 мм и внутренний диаметр 9 мм, собирали под сварку с кольцами из технического алюминия АД1, имеющими наружный диаметр 13 мм, внутренний 9 мм и толщину 25 в зоне сварки 0,35 0,05 мм (пятислойная оболочка). Собранный узел помещали в камеру установки для диффузионной сварки и нагревали при остаточном давлении 6,65 10 Па до 490 С, при которой детали 30 сдавливали усилием 10 МПа в течение 5 мин, затем нагрузку уменьшала до 1,5 МПа и детали нагревали до 615ОС. сдавливали усилием 4 МПэ в течение 15 мин. после чего детали охлаждали, Деформация металличе35 ских элементов фиксировалась в процессе сдавливания по индикатору с целью ограничения прилагаемой нагрузки на уровне 1 ( остаточной деформации. По аналогичному режиму изготовлены оболочки, в которых в 40 качестве конструкционных материалов применены вакуумноплотная корундовая керамика ВК100-Z и технический алюминий АД1. Пример 2. Собранные под сварку кольца из керамики ВК94-.1 и сплава АМц 45 аналогично примеру 1 (пятислойная оболочка) помещали в камеру для диффузионмой сварки и нагревали при остаточном давлении 6,65 10 Па до 490ОС, при которой детали сдавливали усилием 15 МПа в течение 15 мин, 50 после чего нагрузку уменьшали до 1,,5 МПа и детали нагревали др 615 С, при которой детали сдавливали с усилием% МПа в течение 15 мим, после чего оболочка охлаждалась. Технические характеристики получен55 ных металло-керамических соединений приведены в таблице. (56) Журнал "Сварочное производство", 1982. N 11, с,7-8. 2000910, Проверки на сохранение герметичности Сопротивление изоляции, Ом Скорость натекания по гелию, То л/с Прочность соединения на растяжение, МПа Металлы. соединяемые с керамикой Рентгеновское излучение 10 — 10 150 †2 Алюминий и сплавы нет на уровне 10 2 Термоциклирование* 80 — 120 Никель, железо — никелевые сплавы, нержавеющая сталь, титан 50 — 100 Тантал и коний, молиб ен *200 циклов: погружение в жидкий азот 77 К вЂ” нагрев до 773 К. Составитель Т.Олесова Редактор Н.Федорова Техред М,Моргентал Корректор А.Коэориэ Заказ 3102 Тираж Подписное НПО" Поиск " Роспатента 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретения 1. CllOCO6 ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА С кеРАмикОЙ, при котором соединяемые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки под давлением охлаждают, отличающийся тем, что детали предварительно сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки усилием, обеспечиваю-щим формирование полного физического контэкта по всем соединяемым поверхностям. 2. Способ no n.1, отличающийся тем, что температура формирования физического контакта равна 60 - 80 (, от температуры сварки. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что усилие сдавливания при сварке и при формировании физического контакта больше предела текучести, но не превышает значения, соответствующего 1ф, остаточной деформации контактно-упрочненного свариваемого металла при соответствующей температуре. 4, Способ по пп,1 - 3, отличающийся тем, что при нагреве деталей от температуры формирования физического контакта до температуры сварки детали сдавливают усилием, соответствующим упругому деформированию контактно-упрочненного металла. 5. Способ по пп.2 - 4, отличающийся тем, что сдавливающее усилие в процессе нагрева составляет 20 - 407ь от сдавливающего усилия при температуре сварки.
