Спаивание (стр. 2 из 2)
· складки и следы ножниц - это неправильной формы углубления в стекле, которые в отличие от морщин не выступают над поверхностью стекла.
Основы теории спаев металла со стеклом
К настоящему времени разработано большое количество теорий таких спаев. Однако наиболее полно основной механизм спаев - адгезию жидкости к твердому металлу объясняет электронная теория. Адгезия внешне проявляется в смачивании металла жидкостью. Смачивание - это проявление межмолекулярного воздействия жидкости и твердого тела, поэтому смачивание поддается управлению при помощи адсорбирующих добавок. Для силикатных расплавов этими добавками являются окислы кобальта, никеля, молибдена и др. Во многих случаях адсорбирующим слоем может быть пленка карбида, нитрида, силиката и так далее основного металла и наоборот эти пленки могут препятствовать смачиванию. Установлено, что наилучшим смачиванием расплавленное стекло на поверхности окисленного металла обладает при минимальном угле смачивания. Минимальный угол смачивания для всех стекол имеет место при отношении радиуса иона металла к радиусу иона кислорода равном 0,65. Таким образом, при радиусе иона кислорода 1,4А окисел должен иметь ионный радиус 0,91А. Считают, что в зоне спая построена решетка из анионов кислорода и катионов двух различных видов: катиона кремния в стекле и катиона металла в окисле. Силы взаимодействия между частицами решетки проявляются благодаря их сближению в результате тесного контакта стекла и металла при спаивании: анионы кислорода, связанные с катионами кремния, будут притягиваться катионами металла, равно как и анионы окисла металла, связанные с катионами металла, будут притягиваться катионами кремния.
Процесс спаивания металла со стеклом разделяют на два этапа:
Спаиваемые материалы
Металлы. Широко распространены спаи со стеклом следующих металлов и сплавов: вольфрама, молибдена, платинита, сплавы железа, никеля, кобальта, хрома, аустенитные нержавеющие стали, ковар, титан, цирконий и др.
Стекла электровакуумной промышленности подразделяются на тугоплавкие и легкоплавкие. Это давление условно, а стекло относится к тугоплавкому или легкоплавкому в зависимости от КТР: у тугоплавких стекол КТР £55*10-7, эти стекла называют также твердыми, у легкоплавких стекол 80*10-7£ КТР £ 100*10-7, эти стекла называют также мягкими. Тугоплавкие стекла имеют боросиликатный состав (сумма SiO2и Ba2O3 доходит до 90% по весу) или алюмосиликатный состав (сумма Al2O3и SiO2 -72...82%). Эти стекла применяют для изготовления колб, ножек и других деталей сложных и дорогих приборов: генераторных ламп, ионных приборов, магнетронов и так далее. Изготовляют согласованные спаи из этих стекол с вольфрамом и молибденом. Состав легкоплавких стекол более разнообразен. Легкоплавкие стекла применяют для изготовления массовой продукции ЭВП: колб, ножек, штегелей и других деталей осветительных и приемно усилительных, генераторных ламп, газосветных трубок, кинескопов, рентгеновских трубок и др.
Конструирование спаев
Качественные спаи металла со стеклом получают при удовлетворении требований к спаиваемым материалам и выборе соответствующего вида спая в зависимости от основной формы впаиваемой в стекло арматуры-детали. Спаи бывают следующих видов:
1. внешние или бусинковые, (рис.1,а);
2. сжатые (рис.1,б);
3. трубчатые рантовые (рис.1,в);
4. дисковые (рис.1,г);
5. окошечные (рис.1,д).
Рис.1. Основные виды спаев металла со стеклом.
Бусинковые, коошечные, сжатые спаи получают наиболее часто способом прессования в прессформах, в которых металлический ввод точно фиксируется; трубчатые и дисковые спаи выполняют на специальных станках, где ориентированные и разогретые до температуры спаивания элементы сдвигаются до соприкосновения и после небольшого сжатия-осадки получают утолщение, которое охватывает и смачивает место спая; в результате чего получают соединение-спай.
Технология спаивания металла со стеклом
При спаивании стекол друг с другом и с металлами необходимо прежде всего принимать во внимание напряжения обусловленные различием коэффициентов термического расширения. Для предупреждения разрушения спая эти напряжения не должны превышать предела прочности стекла на растяжение, а режим охлаждения должен способствовать уменьшению этих напряжений.
Однако методы устранения остаточных напряжений в стекле отличны от методов устранения напряжений, обусловленных различием КТР.
Технологический процесс спаивания металла со стеклом включает следующие основные операции:
1. подготовку стекла и металла к спаиванию
2. изготовление спая
3. отжиг спая
4. контроль
Подготовка стекла заключается в получении требуемой поверхности спая и поверхностной обработке. Большая часть спаиваемых стеклянных заготовок имеет трубчатую форму или форму диска. Торцевую плоскость трубок в массовом производстве получают оплавлением - отрезком газовым пламенем на станках для обработки стекла или отрезкой абразивным кругом. Цилиндрическую поверхность диска получают шлифованием. После этих операций с целью удаления стеклянной пыли, абразива и других загрязнений промывка в теплой подкисленной воде и затем в проточной воде с последующей сушкой в термостатах. Поверхностная обработка стекол производится для увеличения или уменьшения поверхностного сопротивления, удаления адсорбированной влаги и газов. Для этого выполняют промывку растворами кислот, очистку водяным паром и в тлеющем разряде, гидрофобную обработку, создание поверхностных покрытий испарением в вакууме, восстановление солей, металлов и др.
Подготовка металлов перед спаиванием предусматривает:
увеличение шероховатости поверхности до Rz= 20¸5 мкм для увеличения механической прочности спая;
Изготовление спая
Процесс образования спая рассмотрим на примере получения бусинкового спая (рис.1,а) в газовом пламени. Такие спаи нужны при впаивании вводов в оболочку. В этом случае стекло, предварительно нанесенное на ввод, упрощает изготовление ввода, сводя впаивание металлического стержня в стекло к спаиванию двух стекол. Для выполнения спая подготовляют заранее отрезок стеклянной трубки на 0,1...0,2 мм больше диаметра ввода, длина и толщина стенки трубки принимаются равными длине и толщине будущего спая. После предварительного нагрева стержня ввода (с целью получения слоя адгезионных окислов) трубка быстро насаживается на стержень и при непрерывном вращении стержня прогревается тонким пламенем до спаивания с металлом. Нагревание начинается у одного конца трубочки и его место перемещается к другому концу трубочки. Благодаря чему воздух вытесняется из зазора между стеклом и вводом и спай получается равномерный и без пузырей.
Спаивание может быть выполнено кроме нагрева газовым пламенем, в печи, при помощи индуктивного нагрева и джоулевого тепла, с использованием соответствующих печей или установок. При спаивании часто используют различные приспособления и прессформы для обеспечения правильного взаимного расположения вводов относительно оболочки.
Отжиг спаев
Отжиг спаев применяется для устранения закалочных напряжений и управления в некоторых пределах термическими напряжениями. Устранение остаточных и управление термическими напряжениями достигается посредством некоторой пластической деформации стекла, происходящей при выдержке спая в течение определенного времени при некоторой температуре с последующим охлаждением его до комнатной температуры с такой скоростью, чтобы возникающие напряжения не превосходили определенной величины.
Контроль спаев
Целью контроля спаев является отделение негодных приборов из представленных к реализации.
Контроль выполняется по большему количеству параметров, важнейшими из них являются:
1. качество спая - газонепроницаемость и высокое омическое сопротивление;
2. величина остаточных напряжений;
3. видимые дефекты.
Технологические требования к конструкции спаев
металла со стеклом
Основу этих требований составляет получение герметичных спаев металла со стеклом, обеспечивающих длительную эксплуатацию изделий без отказа. Основные требования к технологичности конструкции изделия следующие:
1. Стекло должно хорошо смачивать металл, с которым оно спаивается и иметь малую газонепроницаемость.
2. Стекло должно иметь высокую прочность и термоустойчивость, определенные диэлектрические свойства, противоэлектролизную стойкость.
3. Температура плавления металла должна быть выше температуры плавления стекла.
4. Стеклянная часть спая должна иметь плавные переходы (радиусы, конусы и тому подобное) от одного элемента изделия к другому.
5. Граница спая должна представлять собой однообразную геометрическую поверхность: цилиндр, плоскость, тор и так далее.
6. Конструкция спая, удовлетворяющая требованиям технологии представлена на рис.1
Литература
1. В.А. Бачин. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами.-М.: Машиностроение, 1986. – 184 с;ил.
2. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. М. Энергия 1968. 280с.
3. Роус Р. Стекло в электронике. М. Советское радио. 1969. 356с.