8.СпаиМетСтекл (Лекции), страница 2

Стекла электровакуумной промышленности подразделяют на тугоплавкие и легкоплавкие. Это деление 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 SiO₂ и Ba₂O₃ доходит до 90% по весу) или алюмосиликатный состав (сумма Al₂O₃ и SiO₂ -72...82%). Эти стекла применяют для изготовления колб, ножек держателей 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 элетровакуумных приборов (ЭВП): колб, ножек, штенгелей и других деталей осветительных и приемноусилительных, 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:

- внешние или бусинковые, (рис.1,а); - сжатые (рис.1,б); -трубчатые рантовые (рис.1,в); -дисковые (рис.1,г); -окошечные (рис.1,д).

Рис.1. Основные виды спаев металла со стеклом

Бусинковые, окошечные, 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:

• подготовку стекла и металла к спаиванию;

• изготовление спая;

• отжиг спая;

• 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 - отрезкой 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. С этой целью 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:

1. придание металлу нужной формы;

2. создание на поверхности слоя (обычно окисла металла) смачиваемого стеклом;

3. увеличение шероховатости поверхности до R_z= 205 мкм для увеличения механической прочности спая;

4. снижение содержания газов, растворенных в металле;

5. обезуглероживание поверхностных слоев металла;

6. устранение загрязнений и трещин;

7. уменьшение поверхностного сопротивления сплава.

Выполнение этих задач достигается путем последовательного применения разнообразных механических, химических и других операций различных для отличающихся друг от друга сплавов. Заключительной всегда является операция дегазации металла, необходимая для предупреждения выделения газа и образования газовых пузырей на поверхности слоя.

Изготовление спая

Процесс образования спая рассмотрим на примере получения бусинкового спая (рис.1,а) в газовом пламени. Такие спаи нужны при впаивании вводов в стеклянную 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 с диаметром 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, а 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 пресс-формы 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. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. М. Энергия 1968. 280с.

2. Роус Р. Стекло в электронике. М. Советское радио. 1969. 356с.

3. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами.- М.: Машиностроение, 1986.- 184 с.