Способ изготовления металлокерамического изделия

 

Использование: изобретение относится к производству металлокерамических узлов (МКУ) и позволяет повысить их эксплуатационную надежность. Сущность изобретения: при изготовлении МКУ собирают пакет по меньшей мере из одного керамического кольца и металлической манжеты, имеющей кольцевые гофры, устанавливают манжету гофрами по прилегающей поверхности кольца и проводят процесс термодиффузионной сварки или пайки по вершинам гофров, контактных с кольцом. При этом сжимающую нагрузку с пакета снимают после его полного остывания. В зависимости от величины гофров нагрузку прикладывают по всей их поверхности или только по их впадинам, обеспечивая в обоих случаях концентрацию давления в вершинах гофров, соединяемых с керамикой. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к металлокерамическим изделиям и может быть использовано при изготовлении герметичных, вакуум-плотных и термостойких металлокерамических узлов (МКУ) для химических источников тока, узлов и приборов в электронной, радиотехнической, электротехнической и других отраслях промышленности.

Известен способ изготовления металлокерамического изделия, при котором осуществляют закрепление пористого керамического цилиндра по боковой поверхности в корпусе, с помощью кольцевой гофрированной обечайки, которую размещают в кольцевом зазоре между керамическим цилиндром и корпусом и обеспечивают пайку наружных вершин гофров с внутренней поверхностью корпуса, а внутренних вершин гофров с наружной поверхностью керамического цилиндра [1] Недостатком данного способа является невозможность изготовления МКУ с торцевыми спаями, имеющими широкое распространение в технике.

Известен способ изготовления металлокерамического изделия, используемого в качестве МКУ для термоэлектрического прибора, при котором осуществляют закрепление керамического кольца по внутренней и наружной поверхностям с оребренными или гофрированными металлическими обечайками, через промежуточные тонкие слои твердого припоя, при нагреве сборки в инертной атмосфере [2] Данный способ технологически сложен, так как требует проведения операции металлизации керамической детали. Попадание припоя в промежуток между гофрами или ребрами может привести к появлению неконтролирумых несплошностей в местах соединений и возникновению разрушающих термонапряжений, снижающих эксплуатационную надежность изделия.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления металлокерамического изделия, включающий сборку керамического кольца, металлической детали и соединительной металлической детали, имеющей V-образный выступ и фланцы. Соединительная металлическая деталь выступающей частью V-образного гофра припаяна к поверхности керамического кольца, а фланцы приварены к металлической детали [3] Недостаток известного способа заключается в том, что после сварки фланцев соединительной детали с металлической деталью и после пайки вершины гофра с керамическим кольцом, в местах паяного соединения гофра с керамикой возникают локальные остаточные технологические напряжения, способные вызвать разрушения соединения. Разрушающие напряжения обусловлены жесткой схемой крепления фланцев кольцевым швом, ухудшающим возможность компенсации термоперемещения деталей при их остывании после пайки и при последующей эксплуатации изделия при повышенной температуре.

Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности металлокерамического изделия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления металлокерамического изделия, включающем сборку керамической детали, металлической манжеты и примыкающей к ней металлической детали с гофрированными выступом, прилегающим к поверхности керамической детали и неразъемное соединение полученного пакета, соединение ведут методом диффузионной сварки под нагрузкой, со снятием нагрузки после остывания собранного пакета.

На фиг. 1 изображены МКУ с гофрированными манжетами на обоих торцах керамического кольца; на фиг. 2 то же, с двумя гофрированными манжетами на верхнем торце керамического кольца.

МКУ (фиг. 1) содержит керамическое кольцо 1, на верхнем торце которого размещена металлическая манжета 2, выполненная в виде сплошной мембраны с центральной плоской частью 3 и с кольцевыми гофрами 4; на нижнем торце кольца 1 размещена металлическая манжета 5, выполненная в виде цилиндрической втулки 6, охватывающей боковую поверхность кольца и имеющей кольцевую мембранную крышку 7 с кольцевыми гофрами 8. Верхняя и нижняя манжеты неразъемно соединены с кольцом 1 с помощью кольцевых швов 9, образованных по линии контакта вершин гофров с соответствующими торцами кольца. Нижняя манжета герметично соединена с корпусом 10 изделия кольцевым сварным швом 11. Электрическая развязка манжет друг с другом обеспечивается за счет свободного промежутка 12 на верхнем торце кольца 1.

В другом варианте МКУ (фиг. 2) гофрированные мембраны 13 и 14 размещены на верхнем торце кольца 1 концентрично друг другу с электроизоляционным промежутком 15. Периферийная мембрана 14 по своему наружному краю имеет отбортовку, соединенную с корпусом 10 изделия кольцевым сварным швом 11, аналогично фиг. 1. Центральная мембрана 13 выполнена в виде кольца и имеет плоскую крышку 16, которая приваривается после сборки изделия, с целью герметизации ее внутренней полости (кольцевой шов 17).

При использовании МКУ, например, в составе электрохимического элемента или электрогенерирующего вакуумного прибора, один токовывод может быть пропущен изнутри изделия через центральное отверстие кольца 1 и подсоединен к плоской части 3 или к плоской крышке 16 мембраны, а другим токовыводом может служить корпус 10.

Способ осуществляют следующим образом.

При изготовлении МКУ, изображенного на фиг. 1, керамическое кольцо 1 устанавливают внутри втулки 6, на верхний торец кольца устанавливают мембранную манжету 3, полученный пакет помещают в камеру для диффузионной сварки и осуществляют ее по заданным режимам. После сварки камеру охлаждают, не снимая сжимающую нагрузку с пакета до его полного остывания. При использовании манжет с мелкими и частыми гофрами (менее 1 мм), сжимающую нагрузку к пакету прикладывают через промежуточную мягкую прокладку, например, из графитовой ткани, обеспечивая тем самым равномерное распределение нагрузки по наружной гофрированной поверхности манжеты, предотвращая ее смятие и припекание к торцу пуансона. Аналогичную прокладку размещают и под нижней манжетой. При сборке МКУ в составе изделия, торец втулки 6 приваривают к корпусу изделия (шов 11), например, электроннолучевой сваркой.

При изготовлении МКУ, изображенного на фиг. 2, гофрированные манжеты 13 и 14 устанавливают на верхнем торце кольца 1 и ведут процесс диффузионной сварки в вакууме вышеописанным образом. Швы 11, 17 получают электроннолучевой сваркой.

Для любого из рассматриваемых вариантов МКУ, в случае использования манжет с достаточно крупными и редкими гофрами (на практике с характерными размерами более 1 мм), сжимающую нагрузку от пуансона к гофрированной поверхности манжеты можно прикладывать, например, через твердую прокладку с рабочей поверхностью, имеющей кольцевые выступы, эквидистантные впадинам между гофрами. Применительно к фиг. 1, аналогичную прокладку размещают и под нижней манжетой. Это позволяет концентрированно нагружать манжеты только в контактных с керамикой вершинах гофров, оставляя компенсационные гофры в свободном ненагруженном состоянии. Регулирование величиной прикладываемой нагрузки и подбор площади выступов позволяет создавать высокие удельные давления в зоне сварки, вплоть до пластической деформации материала манжеты по вершинам привариваемых гофров и улучшения за счет этого его диффузионного сцепления с керамикой. В серийном производстве процесс диффузионного соединения манжет с кольцами может осуществляться по групповой схеме, при сборке нескольких пакетов по высоте с промежуточными прокладками и приложением к торцам сборки общей сжимающей нагрузки.

П р и м е р 1. Изготавливают вариант МКУ, изображенный на фиг. 1, для электрогенерирующего вакуумного прибора. Изоляционное кольцо 1 изготавливают из керамики 22 ХС толщиной 6 мм, диаметром 50 мм, с центральным отверстием 10 мм. На торцы кольца гальваническим путем наносят медное покрытие толщиной 3 мкм. Мембранные манжеты изготавливают из стальной фольги 12Х18Н10Т толщиной 0,15 мм, плакированной с одной стороны слоем меди толщиной 50 мкм, с гофрами высотой 1,5 мм и расстоянием между их вершинами, равным 4 мм. При сборке пакета устанавливают манжеты медным слоем на торцы кольца и ведут диффузионную сварку в вакууме 0,01 мм рт.ст. при нагреве до 870^оС с выдержкой 5 мин. Затем охлаждают сборку до 700^оС, выдерживают 10 мин и охлаждают до комнатной температуры. Сжимающую нагрузку к привариваемым вершинам гофров в течение всего процесса сварки и охлаждения прикладывают через промежуточную твердую прокладку с концентрическими выступами, изготовленную из высокоплотного графита. Такую же прокладку размещают под нижней мембраной. Удельное давление в зонах сварки вершин гофров с кольцом составляет 2 2,5 МПа. Изготовленный МКУ сохраняет герметичность и вакуумную плотность при температуре 400^оС.

П р и м е р 2. Изготавливают МКУ, изображенный на фиг. 2, для натрийсерного электрохимического элемента. Изоляционное кольцо изготавливают из керамики ВК-102 толщиной 5 мм, диаметром 46 мм, с центральным отверстием диаметром 6 мм. Манжеты изготавливают из стальной фольги ХН78Т толщиной 0,2 мм, с гофрами высотой 2 мм и расстоянием между их вершинами, равным 3 мм. Устанавливают манжеты на верхнем торце кольца с электроизоляционным промежутком между ними и ведут диффузионную сварку пакета под нагрузкой 120 кг через прокладку, аналогичную примеру 1, в вакууме 5 ˙ 10 мм рт. ст. температуре 1100^оС в течение 15 мин. Затем, не снимая нагрузку, охлаждают пакет до комнатной температуры. Изготовленный МКУ сохраняет герметичность и вакуумную плотность при многократном термоциклировании в диапазоне 250 450^оС, что отвечает условиям долгоресурсной эксплуатации электрохимического элемента.

Способ обеспечивает повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность изделий из материалов с различными коэффициентами линейного расширения. Достигаемое при этом снижение остаточных технологических и рабочих напряжений позволяет использовать способ при изготовлении изделий, подвергающихся длительным термоциклическим нагрузкам, например, для МКУ высокотемпературных натрийсерных элементов с рабочей температурой 350^оС. Способ может быть использован при серийном изготовлении высоконадежных изделий на стандартном технологическом оборудовании, применяемом при диффузионной сварке и пайке.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ, включающий сборку керамической детали, металлической манжеты и примыкающей к ней металлической детали с гофрообразным выступом, прилегающим к поверхности керамической детали, и неразъемное соединение полученного пакета, отличающийся тем, что соединение ведут методом диффузионной сварки под нагрузкой со снятием нагрузки после остывания собранного пакета.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку прикладывают по впадинам гофров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2