Стеклокомпозиционный материал

 

Использование: для низкотемпературного герметичного спаивания деталей из железа, углеродистой и нержавеющей стали, а также других материалов, обладающих температурным коэффициентом линейного расширения (100-170) · 10^-7 град^-1. Сущность изобретения: стеклокомпозиционный материал содержит, мас.%: легкоплавкое стекло 73-89; кварц 11-27, причем стекло имеет состав, мас.%: оксид свинца 75-85 БФ PbO; оксид бора 10-15 БФ B₂O₃, оксид кремния 0,5-5 БФ SiO₂; оксид цинка 2,0-5 БФ ZhO, оксид алюминия 0,5-2 БФ Al₂O₃. Свойства материала: ТКЛР (115-125) · 10^-7 град^-1, температура спаивания 440-465^oС, прочность при центрально-симметричном изгибе 100-130 МПа, удельное объемное электрическое сопротивление при 150^oС 3 · 10¹² Ом · см, водостойкость 0,08-0,15% (потери веса). 3 табл.

Изобретение относится к составам припоечных стеклокомпозиционных материалов для низкотемпературного герметичного спаивания деталей из железа, углеродистой и нержавеющей стали, а также других материалов, обладающих температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) от 100 до 170˙10^-7 град^-1.

Известны составы низкотемпературных композиций, содержащих легкоплавкое стекло и кристаллический наполнитель (один или несколько), который вводят в основном для снижения ТКЛР композиции [1,2] Кроме того, благодаря введению наполнителей с требуемыми физико-химическими свойствами, повышается механическая прочность, химическая стойкость и диэлектрические свойства стеклокомпозиционного материала по сравнению с исходным стеклом.

Данные составы применяют для спаивания керамики, стекла, металлов и их сплавов в тех случаях, когда требуется сочетание низкого термического расширения соединяемых деталей с низкой температурой спаивания.

Наиболее близкой к описываемой является стеклокомпозиция, содержащая следующие компоненты, мас. PbO 75-85; B₂O₃ 10-15; SiO₂ 0,5-5; ZnO 2-5; Al₂O₃ 0,5-2; BN 0,2-0,8; CoO 0,1-0,3; NiO 0,1-0,2, причем BN, CoO, NiO введены в композицию в качестве наполнителей [3] Указанный композиционный материал обладает достаточно высоким ТКЛР, равным (116-123) ˙ 10^-7 град^-1, позволяющим получать близкие к согласованным по термическому расширению спаи с железом, низкоуглеродистой и нержавеющей сталью при температуре 510-530^оС.

Недостатком указанного композиционного материала является его малая механическая прочность, пониженные химическая стойкость и удельное объемное сопротивление, что обусловлено весьма малым содержанием наполнителей (порядка 1 мас. или 2 об.), практически не оказывающим влияния на физико-химические свойства материала. Повышение содержания основного наполнителя BN не имеет смысла, так как он обладает низким ТКЛР (75˙ 10^-7 град^-1 в интервале 25-1000^оС) и снижает ТКЛР композиции, что не позволяет получать согласованные спаи с железом, углеродистой и нержавеющей сталями. Кроме того, введение в композицию наполнителя, в данном случае BN c ТКЛР, значительно отличающимся от ТКЛР стекла, вызывает напряжения на границе стекло-наполнитель, что может приводить к возникновению микротрещин, снижению прочности и потере герметичности паянных узлов. В этих случаях требуется изготавливать порошок наполнителя строго определенного гранулометрического состава.

Целью изобретения является повышение механической прочности, химической стойкости и удельного объемного электрического сопротивления спаев железа, низкоуглеродистой и нержавеющей стали.

Указанная цель достигается тем, что стеклокомпозиционный материал, включающий легкоплавкое стекло состава, мас. PbO 75-85; В₂О₃ 10-15; SiO₂ 0,5-5; ZnO 2-5; Al₂O₃ 0,5-2 и кристаллический наполнитель, в качестве наполнителя содержит кварц при следующем соотношении компонентов, мас. Легкоплавкое стекло 73-89 Кварц 11-27 Достигаемый результат обусловлен тем, что благодаря близости ТКЛР легкоплавкого стекла и кварца (117˙ 10^-7 град^-1 и 125˙ 10^-7 град^-1), на границе стекло-наполнитель не возникает напряжений, приводящих к снижению прочности и потере герметичности спая, и, следовательно, не требуется порошка наполнителя строго определенного гранулометрического состава, что существенно упрощает технологический процесс приготовления стеклокомпозиционного материала. Возможность введения кварца в состав стеклокомпозиции до 27 мас. при сохранении достаточной текучести припоечной стеклокомпозиции позволяет осуществлять низкотемпературное спаивание при температурах до 465^оС в воздушной среде, что при использовании нержавеющей стали не требует последующей химической очистки сплава на операциях сварки арматуры. В то же время предложенный материал имеет большую стойкость к реагентам, применяемым для химической обработки арматуры после пайки по сравнению с прототипом благодаря использованию в качестве наполнителя химически инертного кварца.

Приготовление стеклокомпозиционного припоечного материала осуществляют смешиванием в заданном соотношении порошка легкоплавкого стекла, cостава мас. PbO 75-85; B₂O₃ 10-15; ZnO 2-5; SiO₂ 0,5-5; Al₂O₃ 0,5-2 с удельной поверхностью 1400-1700 см²/г с порошком кварца, предварительно измельченным в шаровой мельнице до удельной поверхности 1500-3500 см²/г, до получения однородной массы. Полученный стеклокомпозиционный припоечный материал может использоваться нанесением на спаиваемые детали в виде суспензии или пасты, а также в виде прессованных таблеток необходимой конфигурации, спеченных при температуре 340-360^оС в течение 5 мин.

Конкретные примеры химических составов использованных легкоплавких стекол для приготовления припоечного стеклокомпозиционного материала приведены в табл. 1.

Примеры составов припоечного стеклокомпозиционного материала даны в табл. 2.

Свойства указанных в табл. 2 составов приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, получение прочного и надежного спая стеклокомпозиционного материала с ТКЛР выше 113˙ 10^-7 град^-1 при низких температурах определяется составом стеклокомпозиционного материала и правильно выбранным наполнителем. Оптимальное количество кварца, введенного в легкоплавкое стекло, находится в пределах 11-27 мас. При увеличении количества кварца более 27 мас. материал теряет текучесть, и спай не образуется. При содержании кварца менее 11 мас. композиционный материал хорошо растекается, но при этом теряет прочность.

Формула изобретения

СТЕКЛОКОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий легкоплавкое стекло состава, мас.

PbO 75 85 B₂O₃ 10 15 SiO₂ 0,5 5,0 ZnO 2,0 5,0 Al₂O₃ 0,5 2,0 и кристаллический наполнитель, отличающийся тем, что он содержит в качестве наполнителя кварц при следующем соотношении компонентов, мас.

Легкоплавкое стекло 73 89 Кварц 11 27

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2