Вакуумные системы и их элементы

Фролов Е.С. и др.

Машиностроение, 1968 г.

СПАИСТЕКЛАСМЕТАЛЛАМИ

При температурах 500—800° С стекло размягчается и становится пластичным. В диапазоне этих температур, в зависимости от марки стекла, производится его обработка.

При температурах 500—800° С стекло хорошо смачивает разогретый металл, и после остывания образуется прочное и герметичное соединение.

Металлы, применяемые для спаев со стеклом, перечислены в табл. 9.

Основным критерием для оценки сваривания металла со стеклом служит согласованность их относительных температурных коэффициентов линейного расширения.

Относительный температурный коэффициент линейного расширения металла в зоне рабочих температур должен быть близок к относительному температурному коэффициенту линейного расширения стекла.

На практике создание качественных спаев металла со стеклом сводится к двум типам: согласованному и несогласованному.

Согласованными  называются спаи стекла с металлом, в которых коэффициенты линейных расширений материалов равны или близки друг к другу во всем интервале температур от комнатной до температуры спаивания. Такими парами являются:

платинит, Х18МТФ, платина — легкоплавкие стекла;

молибден, ковар, вольфрам — молибденовые и вольфрамовые стекла.

Несогласованными называются спаи стекла и металла с резко различными коэффициентами линейных расширений.

Предотвращение возникновения температурных напряжений опасной величины в этих спаях достигается, как правило, особой конструкцией металлических деталей.

Этим деталям придаются такие конфигурации и размеры, что они могут свободно деформироваться, следуя за деформацией стекла. К таким парам относятся:

медь, никель — различные марки стекол;

легированные стали — легкоплавкие стекла.

Для получения качественного спая со стеклом металл подвергается предварительной обработке.

Детали из ковара перед пайкой отжигаются в среде водорода или вакууме при температуре 1100—1200° С, выдерживаются при этой температуре в течение 10—20 мин а затем медленно охлаждаются в течение 2 ч.

После отжига, перед пайкой, детали из ковара подвергаются легкому равномерному окислению в пламени горелки при температуре около 900° С в течение 3 мин. Тонкая окисная пленка является слоем, непосредственно сплавляющимся со стеклом.

Медные трубки, диски и проволока соединяются со стеклом как в окисленном виде (отожженная медь), так и в остеклованном состоянии, получаемом в пламени горелки с помощью буры.

Молибденовые стержни, проволока и лента чаще всего остекловываются по наружной поверхности, при этом деталь предварительно отжигается при температуре 1100° С и травится в кислотах. Хорошие молибденовые спаи характеризуются цветом от светло-коричневого до шоколадного. Черный цвет спая свидетельствует о переокислении молибдена и часто не является вакуумноплотным.

Вольфрамовая проволока перед впаиванием в стекло обезжиривается и обезгаживается. Для обезгаживания вольфрам подвергается нагреванию до 1100—1300° С в восстановительном пламени газовой горелки в течение 5—10 мин. Хороший спай после охлаждения характеризуется цветом от красно-коричневого до соломенно-желтого.

Никелевые детали применяются редко из-за образования при спаивании со стеклом пузырей. Обезгаживание производится нагревом до 800—850° С в течение 5— 15 мин. Нагрев предпочтительнее осуществлять в вакууме.

Цвет надежных спаев изменяется от молочно-белого до зеленого.

Платиновая и платинитовая проволока перед спаиванием только обезжиривается.

Возможны два вида согласованных и несогласованных спаев: рантовые и дисковые.

Согласованные рантовые спаи технологичнее. Для увеличения прочности спая диаметры стеклянных трубок подбираются с учетом теплового расширения металлической трубы при нагреве. Лучше других зарекомендовали себя спаи типа 2, 3 и 4* (рис. 1). Края металлических деталей при обработке должны быть хорошо сглажены и закруглены радиусом 0,2 мм.

Дисковые или торцовые спаи при хорошем согласовании значений коэффициента линейного расширения и плавном закруглении краев диска при толщине металла 0,5—3 мм получаются надежными в спаях типа 19, 20 и 24 (см. рис. 1).

Если коэффициент линейного расширения металла значительно больше коэффициента линейного расширения стекла, то толщина дисков принимается в пределах 0,25—0,35 мм

Одним из лучших металлов для несогласованного спая со стеклом служит медь благодаря ее высокой пластичности, хорошей адгезии окисной пленки, образующейся в месте спая со стеклом, и высоким значениям электро- и теплопроводности.

Технологически простыми и надежными в эксплуатации при температуре до 200° С являются двухсторонние и наружные спаи (при высокочастотном индукционном нагреве) типа 7, 9, 10 и 12 (см. рис. 1).

Конические лезвия типа 10 и 11 применяются обычно при диаметрах соединяемых деталей до 25 мм, а цилиндрические — типа 7, 8, 9 и 12— до 60 мм.

Спаи типов 7—12 имеют низкую прочность лезвия вследствие малой толщины его стенки, кроме того, при длительных циклических тепловых нагрузках выше 200° С в лезвии возможно появление усталостных трещин.

Если в деталях конструкции возможно появление окисления меди, необходимо применять «сжатые» спаи типа 13—18 (см. рис. 1), в которых стекло всегда работает на сжатие.

Спаи типа 15, 17 (см. рис. 1), применяются в электровакуумных приборах, где прочность такого спая удовлетворяет требованиям работы прибора.

Тонкая стенка в этих конструкциях способна несколько деформироваться при расширении стекла, поэтому эти спаи более надежны в эксплуатации, однако при изготовлении они более трудоемки.

Спай типа 18 применяется для изготовления больших смотровых окон или колпаков к вакуумным камерам. Помимо такого типа спая, большое распространение для небольших диаметров (до 50 мм) получили конструкции типа 25, 26, 28, 29 (см. рис. 1).

Обычно окошечные спаи изготовляются по способу согласованного спая (ковар— молибденовые стекла, высокохромистая сталь — свинцовое стекло и т. д.), но в случае необходимости они могут изготовляться и из несогласующихся материалов Примерами согласованных спаев являются конструкции типа 25, 27,28, 30 (см. рис. 1).

Спаи типа 26, 29 применимы для несогласующихся материалов.