Способ пайки металла с керамикой

Способ пайки металла с керамикой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области пайки , в частности к способам пайки металла с керамикой, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении ответственных узлов и конструкций химических и энергетических установок . Цель изобретения - повышение надежности и работоспособности схв.этываемых паяных соединений а также их термической прочности за счет создания в зоне спая поперечных и продольных напряжений сжатия Цель достигается гем, что при сборке подпайку на паяемые детали устанавливают металлическую обойму с фиксирующим пояском охватывающую керамическую и металлическую детапи. Затем производят пайку, припаивая обойму к соединяемым элементам 1 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИ IÅСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 В 23 K 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

HPÈ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772541/27 (22) 27.11.89 (46) 30,11,91, Бюл. N 44 (72) З.M.Ëåáåäe Bà, Н.А. Бересков, В.К. Колесников, А.cD. Белков и И,Л.Позднякова (53) 621.791.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 156038, кл, В 23 К 1/12, 1963. (54) СПОСОБ ПАЙКИ МЕТАЛЛА С КЕРАМИКОЙ (57) Изобретение относится к области пайки. в частности к способам пайки металла с керамикой, и может быть использовано в различчых отраслях промышленности при

Изобретение относится к пайке, в частности к способам пайки металла с керамикой, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении ответственных узлов и конструкций химических и энергетических установок, Целью изобретения является повышение надежности и работоспособности охватываемых паяных соединений, а также их термической прочности за счет создания в зоне соединений поперечных и поодольных напряжении сжатия.

На чертеже представлена схема паяного соединения металлического вала с керамическим диском, На схеме изображены металлический вал 1, кер"ìè÷åñêîå колесо 2,,цилиндрическая компенсирующая обойма 3 с фиксирующим пояском 4, паяный шов 5, технологическая канавка 6 для укладки припоя 7, горизонтальный участок паяного шва

„, SU„„1694358 А1 изготовлении ответственных узлов и конструкций химических и энергетических установок. Цель изобретения — повышение надежности и работоспособности схватываемых паяных соединений, а также их термической прочности за счет создания в зоне спая поперечных и продольных напряжений сжатия. Цель достигается гем, что при сборке под пайку на паяемые детали устанавливают металлическую обойму с фиксирующим пояском. охватывающук керамическую и металлическую детали. Затем производят пайку, припаиаая обойму к соединяемым элементам. 1 ил.

5 в несогласованном спае, вертикальный участок паяного шва 5, горизонтальный участок паяного шва 5 в согласованном спае.

На чертеже обозначены: P — поперечные напряжения сжатия; Р,Р— продольные напряжения сжатия.

При сборке под пайку в вакууме на паяемые детали устанавливают металлическую обойму с фиксирующим пояском, охватыва- ф ющую керамическую и металлическую детали. Затем производят пайку, припаивая обойму к соединяемым элементам, создавая тем самым в зоне спая не только поперечные, но и продольные напряжения сжатия.

Для обеспечения высоко о качеств» паяных соединений необходимо, чтобы между спаиваемыми деталями при темпера. уре пайки был зазор некоторой оптимальной величины. Величина этого зазора выбирается из условия -аполнения его за;чет капиллярных сил при капиллярной пайке, при некапиллярной пайке заполнение зазо1694358 ров осущеСтвляется под действием силы тяжести, В предлагаемом способе при получении охватывающего спея комбинации цилиндрическая компенсирующая обойма — металлический вал, необходимый зазор обеспечивается следующим образом, В случае пайки материалов с одинаковыми значениями коэффициентов термического расширения -- за счет соответствующего выбора поля допусков на механическую обработку сопрягаемых деталей; в случае пайки материалов с разными значениями коэффициентов термического расширения — эа счет разности в их абсолютных значениях, В охватывающем спае комбинации цилиндрическая компенсирующая обойма— керамическое колесо необходимый зазор обеспечивается за счет разницы в коэффициентах термического расширения, В данном способе напряженное состояние сжатия в зоне спая создается в двух направлениях — поперечном и продольном.

25 требуется изготовить узел, в котором колесо из керамики на GcrI088 нитрида кремния охватывает металлический вал, при помощи припоя на основе меди. Для этой цели на металлический вэл 1 надевается керамическое колесо 2, к торцовым поверхностям которого устанавливаются металлические обоймы с фиксирующим пояском 4„каждая из которых охватывает как керамическое колесо, так и металлический вал, подлежащих соединению. Перед установкой деталей (позиции . 3 и 4 на чертеже) в технологические канавки 6 закладывается припой в количестве, достаточном для =-а= -полнения зазоров, возникающих при температуре пайки.

Собранный таким образом узел помещается в печь и нагревается до температуры пайки, Рассмотрим поведение материалов в процессе нагрева и охлаждения, При нагреве узла детали независимо друг от друга будут расширяться согласно своим коэффициентам термического расширения, Так как г ТР металла значительно больше KTP керамики, будет происходить более ин50 тенсивное расширение металлической обсймы "немного обгоняющего" расширения керамики. В результате этого на "пороге плавления припоя, между паяемыми поверхностями будет зазор, При температуре пайки припой расплавляатся и под действием капиллярных

Возникновение таких напряжений обусловлено следующим. Пусть, например, . сил и силы тяжести затекает в зазоры между соединяемыми деталями. После расплавления припоя и короткой выдержки температуру начинают снижать, припой затвердевает, сохраняя некоторую пластичность до определенной температуры, Б процессе охлаждения металлическая обойма сокращается больше керамической, при этом создаются условия, при которых возникают сжимающие силы. Прослойк» из припоя "реагирует" на это сжатие, частично выдавливаясь иэ шва, а частично уплотняется, после чего припой теряет пластичность и нагартовывается.

В процессе дальнейше о охлаждения узла сжимающие усилия, через нагартованный припой, передаются керамической детали,в результате чего она будет испыты вать как поперечные, так и продольные напряжения сжатия.

Поперечные напряжения сжатия образуются за счет охватывающего несогласованного спая металла с керамикой (шов 8), у которых коэффициенты теплового расширения различаются достаточно резко.

Продольные напряжения сжатия образуются за счет вертикального участка шва 9, выполняющего роль торцового некомпенсированного спая металла с керамикой и горйзонтального участка шва 10, но уже в охватывающем согласованном спае металла с металлом, в котором коэффициенты теплового расширения сопоягаемых материалов близки друг к другу или полностью совпадают, Возникновению продольных напряжений способствует также эффект своеобразного "заклинивания" либо повышения трения по поверхности А (см. чертеж).

Пример. Необходимо изготовить узел, в котором керамическое колесо припаивается к металлическому валу, причем колесо должно охватывать металлическую деталь.

Для их соединениял испольэовали третий элемент — металлическую обойму с фиксирующим поясом. Обойма имеет две цилиндрические поверхности, позволяю;дие охватывать как керамическую де.i.àëü. так и металлический вал. (Коэффициент линейного расширения материала металлического вала должен бить больше коэффициент» линейного расширения металлической обоймы. В противном случае при температуре пайки в месте будущего шва 9 образуется натяг и припой HG в состоянии проникнуть между соединяемыми де алями).

Колесо изготавливали na pc-;aauI QI I ID связанного спеченного нитрида кремния, а вал и обойму как иэ мо, .ибдена, гак LI иэ стали 12Х18Н1ОТ, Конструкт я элементов, 1694358

55 входящих в сборочный узел, предусматривала наличие технологических канавок для укладки припоя, Эти канавки располагались в непосредственной близкости к будущим паяным швам, В качестве материала припоя использовали припои марки ВПр13, а акгивной добавки — титан, Механическую обработку сопрягаемых поверхностей в районе паяного шва 8 производили из условия образования зазора, изменяющегося от 0 до 0,05 мм, а назначение допусков на механическую обработку сопрягаемых поверхностей в месте шва

5(3) — из условия существования гарантийного зазора, равного 0,08 — 0,1 мм. Сборку узла осуществляли в следующей последовательностии.

В технологические канавки 6, расположенные на внутренней поверхности металлической обоймы. закладывали припой в виде фольги и приваривали конденсаторной сваркой, Далее на металлический вал

1 надевали керамическое колесо 2, к торцовым поверхностям которого устанавливали металлические обоймы 3. Установку их осуществляли либо вплотную (нулевой зазор) к торцовой поверхности керамического,олеса в районе участка 9 паяного шва, либо с некоторым установочным размером, например 0,02 — 0,05 мм. Собранный таким образом узел поме.цали в приспособление, обеспечивающее установочные зазоры и сооснос1ь паяемыx дегалей. Сборку загружали в вакуумную печь

СНВ.1.3.1/16И1, после чего осуществляли процесс г.айки. При достижении температуры пайки припой расплавляется и вытекает из технологических канавок в зазоры, образовавшиеся между металлической частью обоймы н керамикой на участках 8 и 9 будущих паяных швов, а также между металличе".êoA частью обоймы и металлическим ьалом на участке 10 шва. В процессе охлаждения узла пригой затвердевает, а сопрягаемые детали будут сокращаться согласно своим коэффициентам линейного расшиоения. Прослойка из припоя "реаги= рует на зто сжатие, частично выдавливается из шва, а частично нагартовывается.

Из-эа значительной разницы в коэффициентах термического расширения (КТР) металл и керамики (КТР металла» КТР керамики) будет происходить сокращение металлической детали,"немного обгоняющее" керамическую, в результате чего сжимающие усилия через прослойку нагар5

40 тованного припоя будут передаваться керамической детали, По цилиндрической поверхности на участке 8 паяного шва керамика испытывает поперечное сжатие, А так как спай по цилиндрической поверхности вал — металлическая обойма в нашем случае будет выполнять роль "защемленной балки", то со стороны участка 9 паяного шва керамика будет испытывать продольное сжатие.

Режим пайки: температура пайки 960—

980 С; время выдержки при этой температуре 10 — 15 мин; скорость нагрева

15 — 20 С/мин; остаточное давление в рабочем пространстве печи 5 10 мм,рт,ст.; ско-4 рость охлаждения до 600 С составляла

5-1ООС/мин, При температуре 500 — 600 С производили выдержку в течение 45 — 60 мин, а дальнейшее охлаждение вели совместно с печью.

Испытание металлокерамических соединений, полученных по предлагаемому способу, убедительно показали повышение надежности и работоспособности узлов по сравнению с существующими способами.

Критерием оценки надежности конструкций служило наличие трещин, возникающих в процессе изготовления металлокерамических узлов. На спаяных узлах трещины, как правило, не заметны, Для их выявления изготавливали микрошлифы. Анализ шлифов г.оказал, что во всех образцах -- спаях трещины отсутствовали.

Применение предлагаемого способа позволяет BOEblcHTb надежность охватываемых спаев металла с керамикой, улучшить их стойкость к термоудару, а также значительно увеличить выход годного при пайке.

Формула изобретения

Способ пайки металла с керамикой, включающий подготовку псд пайку, закладку г;рипоя и сборку сопрягаемых элементов с последующей пайкой в вакууме, о т л и ч аю щ и и с s -.ем, что, с целью повышения надежности и работоспособности паяных соединений, термической прочности эа счет создания а эс не соединений поперечных и продольных напряжений сжатия, на паяемые детали устанавливают компенсирую óå металлическую обойму с фиксирующим пояском, охватывающую керамическую и металлическую детали. и припаивают ее к соединяемым элементам.

1694358

Составитель Л. Абросимова

Редактор Ю. Середа Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Король

Заказ 4116 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбина("Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101