Соединение металлических деталей со стеклом
Спаи стекла с металлом должны быть вакуумно-плотными, обладать высокой механической, химической и термической прочностью.
При эксплуатации приборов металлические вводы в спаях часто испытывают сильную механическую нагрузку на изгиб. Если сцепление стекла с металлом слабое, может произойти отлипание стекла от металла; если сцепление стекла с металлом очень прочное, могут появиться трещины в спаях, проходящие через всю толщину стекла и нарушающие герметичность спая.
При прохождении тока вводы быстро нагреваются, что приводит к возникновению перепада температур в стекле спая и розяикновению дополнительных напряжений. Поэтому необходимо, чтобы дополнительные напряжения в спаях, образующиеся при эксплуатации приборов, имели направление, противоположное направлению остаточных напряжений, образовавшихся в спае при но изготовлении, и взаимно компенсировались.
В зависимости от соотношения температурных коэффициентов расширения стекла и металла различают согласованные и несогласованные спаи.
Согласованные спаи характеризуются различием ТКР стекла и металла не более чем на 10% во всем интервале температур, до которых может нагреваться или охлаждаться спай в процессе изготовления или эксплуатации прибора.
К согласованным спаям относятся, например:
сплавы Н47ХР, Н47Д5 или феррохрома (ТКР а « 90 4 0 7 1°/С) со стеклами платинитовой группы (С93-1, С88-1, С89-6, имеющими ТКР а ~ 90 40—7 1°/С; молибдена (ТКР а » 55х хЮ-7 1°/С) или ковара (ТКР а « (46 +50) 40“7 1°/С со стеклами молибденовой группы (например, со стеклом С52-1, имеющим ТКРа « 52 • 10“7 17С).
Во всех случаях чем больше размер металлической детали, тем меньше должна быть разность между ТКР металла и стекла. Следует учитывать, что электролиз стекла спаев, изменение его плотности при облучении и другие процессы, имеющие место при работе приборов, могут привести к изменению ТКР стекла и нарушению согласования ТКР стекла и металла и вызвать растрескивание спаев.
Изменение ТКР а одного из спаиваемых материалов на 140“7 1/°С может привести к значительному увеличению напряжения в спае. Поэтому в технических условиях на стекло пределы допустимых колебаний значения ТКР в различных партиях стекла не должны превышать ±1 • 10“7 1/°С от номинальных значений. Однако точность измерений ТКР стекла имеет значительную погрешность, превышающую даже допуск на ТКР.
В качестве примера приведем спай, _в котором допуск в технических условиях на металл ±3 • 10“7 1/°С, а допуск в технических условиях на стекло ±1,5 • 10“7 1/°С. Тогда разность ТКР а для различных партий стекла и металла, имеющих граничные значения в пределах допуска, может составить 4,5 • 10~7 1/°С. Известно, что погрешность измерения ТКР Металлов составляет ±2-10“7 1/°С, а стекла ±1 • 10“7 1/°С, поэтому возможная реальная разность ТКР металла и стекла фактически может достигать ±7 • 10“7 1/°С. Поэтому даже в Идеально подобранной паре металл — стекло, которая теоретически Должна обеспечивать получение идеально согласованного спая, Разность ТКР а металла и стекла (только за счет допуска на ТКР материалов и погрешности их измерения) может составил, 14 • 10-7 1/°С, а это неизбежно приведет к растрескиванию спая Несогласованные спаи характеризуются большой раз. ностью ТКРа стекла и металла, К несогласованным относятся например, спаи меди (ТКР а = 167 • 10-7 1 /°C) со стеклами имеющими ТКРа = 40 • 10~ 7 1/°С.
Для предотвращения разрушения несогласованных спаев в качестве металлических деталей для спаев применяют:
-
1) тонкие проволоки, тонкостенные трубы, металлическую фольгу, так как с уменьшением толщины металла снижается напряжение в спае;
-
2) мягкие пластичные металлы (например, медь), способные деформироваться при напряжениях, меньших предела прочности стекла; деформация металла в спае компенсирует наличие напряжений в стекле;
-
3) металлические детали с утоненными краями; в этом случае спаиваемая металлическая деталь приобретает форму лезвия, а спай называется лезвенным. Усилие, которое необходимо для пластической деформации тонкого лезвия, обычно значительно меньше прочности стекла на растяжение. К недостаткам лезвен-ного спая относятся малая механическая прочность и низкая термостойкость тонкостенного лезвия (особенно при длительных циклических нагрузках).