СПОСОБ СБОРКИ РЕАКТИВНОЙ ПАЙКОЙ И ВАКУУМНЫЙ ПАТРОН, СОБРАННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2014 года по МПК B23K1/00 C04B37/02 H01H33/66 

Предпосылки изобретения

Настоящее изобретение относится к способу сборки реактивной пайкой первого металлического элемента со вторым элементом, содержащим ионно-ковалентный оксид по меньшей мере на своей поверхности, посредством сплава, называемого присадочным сплавом, предназначенным составлять жидкий припой, предназначенный смачивать эти две соединяемые поверхности - соответственно металлическую поверхность и поверхность ионно-ковалентного оксида - вышеупомянутых двух элементов, причем указанный припой содержит титан, а указанный металлический элемент содержит никель.

Уровень техники

Метод пайки состоит известным самим по себе образом в соединении (сборке) двух материалов посредством металла или сплава, называемого "присадочным сплавом", температура плавления которого ниже, чем температура плавления соединяемых материалов. Чтобы получить прочный герметизированный шов, жидкий припой должен смачивать обе соединяемые поверхности. Качество смачивания характеризуется углом смачивания θ. Если θ<40°, смачивание хорошее, и между двумя соединяемыми материалами может существовать тесная связь. Если θ>55°, смачивание слабое, и прочная связь на атомном уровне не сможет образоваться в любой точке границы раздела.

Керамиками, из которых делают вакуумные патроны, являются оксиды алюминия Al₂O₃, которые представляют собой ионно-ковалентные оксиды, такие как оксид циркония (ZrO₂), оксид магния (MgO) и т.д., и имеют очень стабильную электронную структуру, которая плохо подходит или совсем не подходит для образования сильных связей на поверхности раздела с металлической фазой. Углы смачивания этих керамик припоями, образованными из нереактивных жидких металлических сплавов, составляют больше 90°, что означает плохую смачиваемость этих керамик этими припоями.

Таким образом, чтобы осуществить сборку керамического элемента с металлическим элементом пайкой, необходимо либо провести предварительную металлизацию подлежащей пайке поверхности, либо использовать реактивные припои. Проведение предварительной металлизации подлежащей пайке поверхности является наиболее общеупотребимым способом и способом, который применяется для оксидов алюминия вакуумных патронов. Он состоит чаще всего в осаждении первого молибдено-марганцевого слоя толщиной несколько десятков микрон на оксид алюминия и затем в спекании при высокой температуре (примерно 1500°C) в атмосфере влажного водорода, а затем в осаждении второго слоя никеля на первый слой и затем спекании при примерно 950°C в атмосфере водорода. Эта операция металлизации оксида алюминия, которая, таким образом, включает в себя две операции осаждения и две операции спекания, является сложной и дорогостоящей.

Вышеупомянутый второй способ состоит в использовании припоев, содержащих элементы с химической реакционной способностью по отношению к оксиду алюминия, чтобы образовались продукты реакции, смачиваемые при пайке. Реактивные припои, разработанные для проведения пайки между керамическими оксидами, такими как оксид алюминия, и металлами, являются в основном сплавами на основе AgCu и чаще содержат, чем не содержат, титан как реактивный элемент, но в них можно также найти ванадий, цирконий или ниобий. Улучшение смачивания оксида алюминия припоем значительное.

Однако в случае гетерогенной пайки между оксидом алюминия и металлом, таким как используемый в вакуумных патронах, применение реактивных припоев может иметь большие недостатки, если состав припоя плохо подходит к соединяемому металлу.

Хотя химическая активность реактивного элемента припоя по отношению к металлу выше, чем химическая активность реактивного элемента припоя по отношению к оксиду алюминия, в реальности существует опасность того, что на оксиде алюминия не будет образован сплошной металлический слой, и поэтому создадутся зоны плохой смачиваемости. Эти зоны плохой смачиваемости на керамике являются теми множественными визуально наблюдаемыми дефектами, которые могут давать дефекты уплотнения в случае, когда требуется непроницаемое уплотнение собранного узла. Кроме того, полученный узел имеет меньшую прочность, чем прочность узла, реализованного с металлизованным оксидом алюминия.

Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод, что реактивная пайка не годится для всех типов сборки и что в определенных случаях предпочтительно применять способ металлизации.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение решает эти проблемы и предлагает способ сборки реактивной пайкой, который может быть адаптирован так, чтобы подходить для тех случаев, где в прошлом был предпочтительным способ металлизации, с тем чтобы получить хорошую смачиваемость припоя и хорошую прочность собранного узла для этих конкретных случаев.

С этой целью задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать способ сборки вышеупомянутого типа, причем этот способ отличается тем, что в случае когда в составе элементов сплава весовая процентная доля металла, который может образовывать интерметаллические соединения с титаном, меньше 20%, содержание титана в припое составляет между 2% и 5% по весу, а в случае когда в составе элементов сплава весовая процентная доля металла, который может образовывать интерметаллические соединения с подлежащим сборке металлическим титаном, составляет между 20% и 50%, это содержание титана выбирают между 5% и 10%, а в случае когда в составе элементов сплава весовая процентная доля металла, который может образовывать интерметаллические соединения с титаном, больше 50%, это содержание титана выбирают между 2% и 5%, и весовая процентная доля Ag меньше 60% с тем, чтобы свести к минимуму зоны несмачиваемости на поверхности второго элемента, выполненного из ионно-ковалентного оксида, за счет образования достаточно толстого и стабильного реакционного слоя на границе раздела указанного элемента, и чтобы свести к минимуму образование интерметаллических соединений в паяном соединении.

Согласно одному частному признаку толщина образованного реакционного слоя больше 3 мкм.

Согласно другому признаку вышеупомянутый ионно-ковалентный оксид является керамикой.

Согласно другому признаку вышеупомянутая керамика является одной из керамик, входящих в группу, содержащую оксид алюминия (Al₂O₃), оксид циркония (ZrO₂) и оксид магния (MgO).

Согласно другому признаку припой содержит AgCuTi.

Согласно одному частному варианту осуществления металлический элемент содержит CuNi с весовой концентрацией Ni<20%, и весовая концентрация титана в таком случае составляет между 2% и 5%.

Согласно другому варианту осуществления металлический элемент содержит CuNi с весовой концентрацией Ni, составляющей между 20% и 50%, и весовая концентрация титана в таком случае составляет между 5% и 10%.

Согласно другому варианту осуществления металлический элемент содержит FeNi с весовой концентрацией Ni<8%, и весовая концентрация титана больше 2% и меньше 5%.

Согласно другому признаку металлический элемент содержит FeNi с весовой концентрацией более 28%, и весовая концентрация титана больше 2% и меньше 5%, а весовая концентрация серебра в припое меньше 60%.

Согласно другому признаку металлический элемент содержит нержавеющую сталь с весовой концентрацией Ni, составляющей между 8% и 18%, и весовая концентрация титана больше 2% и меньше 5%.

Согласно другому признаку титан присаживают в виде отложения на содержащей ионно-ковалентный оксид поверхности или металлической поверхности, в виде листа, наложенного на указанную поверхность или на металл, или в виде порошка или мелких частиц, введенных в присадочный сплав.

Согласно другому признаку в случае, когда в составе элементов сплава весовая процентная доля металла, который может образовывать интерметаллические соединения с титаном, составляет между 20% и 50%, весовая процентная доля Ag составляет между 60% и 71%, весовая процентная доля Cu составляет между 26% и 36%, а весовая процентная доля Ti составляет между 5% и 10%.

Согласно другому признаку в случае, когда в составе элементов сплава весовая процентная доля металла, который может образовывать интерметаллические соединения с титаном, больше 50%, весовая процентная доля Ag меньше 60%, а весовая процентная доля Ti составляет между 2% и 5%.

Следующая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать вакуумный патрон для вакуумного выключателя, содержащий цилиндрический корпус и две концевые крышки, причем этот патрон отличается тем, что по меньшей мере одна из двух концевых пластинчатых крышек собрана с корпусом патрона способом, включающим вышеупомянутые признаки, взятые по отдельности или в комбинации.

Краткое описание чертежей

Остальные преимущества и признаки изобретения выявятся более четко из последующего подробного описания, в котором сделаны ссылки на приложенные чертежи, приведенные исключительно в качестве неограничительных иллюстративных примеров, и на которых:

- фигура 1 является схематическим изображением, иллюстрирующим сборку металлического элемента и керамического элемента посредством реактивной пайки;

- фигура 2 является схематическим изображением, идентичным показанному на предыдущей фигуре, но иллюстрирующим несколько частных вариантов осуществления способа по изобретению;

- фигура 3 является графиком, показывающим по оси y толщину реакционного слоя в зависимости от весовой процентной доли Ti, отложенной по оси x;

- фигура 4 представляет собой осевое сечение вакуумного патрона, содержащего две концевые крышки, прикрепленные способом согласно изобретению к цилиндрической детали патрона;

- фигура 5 является графиком, показывающим на оси y вероятность разрыва, а по оси x прочность на разрыв F (Н) для двух составов припоя AgCuTi (72Ag,28%Cu) с 3 и 5% по весу Ti.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

На фигуре 1 представлена схема, показывающая реактивный припой 1, полученный между металлическим элементом 2 и керамическим элементом 3.

Несколько частных вариантов осуществления способа, в которых металлическим элементом 2 является либо CuNi, либо FeNi, либо нержавеющая сталь, были показаны на фигуре 2. Припой 1 представляет собой AgCuTi, причем процентная доля Ti соответствует процентной доле Ni и процентной доле Fe, а процентная доля Ag соответствует процентной доле Ni и процентной доле Fe. Ионно-ковалентный оксид 3 представляет собой керамику, образованную оксидом алюминия Al₂O₃.

Согласно изобретению способ состоит в проведении реактивной пайки между металлическим элементом, содержащим никель, и элементом, содержащим ионно-ковалентный оксид на своей поверхности, посредством реактивного припоя, содержащего титан, и в корректировке весового содержания титана так, чтобы образовался достаточно толстый и стабильный реакционный слой на элементе, содержащем ионно-ковалентный оксид, чтобы свести к минимуму зоны несмачиваемости на ионно-ковалентном оксиде.

Это содержание титана также корректируют так, чтобы удержать процентную долю образовавшихся интерметаллических соединений ниже определенного значения, так как эта доля интерметаллических соединений оказывает влияние на прочность образовавшегося паяного соединения.

Согласно одному частному варианту осуществления изобретения металлическим элементом является CuNi с Ni<20% (по весу). В этом случае содержание титана будет корректироваться так, чтобы быть больше 2% и меньше 5% (по весу).

В случае когда металлическим элементом является CuNi с содержанием Ni между 20% и 50% (по весу), содержание титана будет больше 5% и меньше 10% (по весу).

В случае когда металлическим элементом является FeNi с содержанием Ni<8% (по весу), содержание титана будет больше 2% и меньше 5% (по весу).

В случае когда металлическим элементом является FeNi с концентрацией Ni около 30% (по весу), содержание титана будет больше 2% (по весу) и меньше 5% (по весу), а содержание серебра в припое будет меньше 60% (по весу).

В случае когда металлическим элементом является нержавеющая сталь с концентрацией Ni между 8% и 18%, содержание титана будет больше 2% и меньше 5% (по весу).

Согласно одному частному варианту осуществления припоем является AgCuTi, а ионно-ковалентным оксидом является оксид алюминия.

На фигуре 3 можно видеть график, иллюстрирующий толщину образовавшегося реакционного слоя в мкм в зависимости от содержания титана (X_Ti в % по весу), присутствующего в сплаве для сборки ионно-ковалентного оксида и металла, не содержащего элемента, обладающего химической активностью по отношению к реактивному элементу припоя, здесь, например, оксида алюминия (Al₂O₃) и меди (Cu).

Таким образом, можно видеть, что при весовой процентной доле Ti, составляющей между 2 и 5%, толщина полученного реакционного слоя будет составлять между 3 и 6 мкм. Аналогично, при процентной доле Ti, составляющей между примерно 5 и 10% по весу, толщина полученного реакционного слоя будет составлять между 5 и 7 мкм.

Эта толщина зависит от содержания никеля или элемента, имеющего химическую активность по отношению к реактивному элементу припоя, содержащегося в металлическом элементе.

На фигуре 4 показан вакуумный патрон A, содержащий выполненный из керамики цилиндрический корпус 4, на котором реактивной пайкой были закреплены две концевые крышки 5, 6.

На фигуре 5 можно видеть, что вероятность разрыва на уровне припоя зависит от весовой процентной доли титана, присутствующего в материале припоя.

Так, при весовой процентной доле титана 5% вероятность разрыва будет больше, чем при весовой процентной доле титана 3%.

Таким образом, согласно изобретению был создан способ сборки реактивной пайкой ионно-ковалентного оксида с металлом без необходимости в проведении дорогостоящего этапа предварительной металлизации, причем этот способ может применяться даже в тех случаях, когда соединяемый металл сильно реагирует с активным элементом припоя.

Изобретение применяется к любому типу сборки, которая требует хорошей герметичности в течение всего срока службы подлежащих сборке элементов, и/или улучшенной механической прочности, такой как сборка концевых крышек вакуумного патрона с цилиндрической деталью патрона.

Изобретение применяется к сборке любого материала, образованного ионно-ковалентным оксидом, с металлом, содержащим титан, при условии, что возможна связь Ti-O.

Ионно-ковалентный оксид может, например, состоять из керамики, такой как оксид алюминия, оксид циркония, оксид магния и т.д.

Изобретение может быть использовано для соединения реактивной пайкой металлических элементов, а именно первого элемента в виде концевой крышки (5, 6) вакуумного патрона со вторым элементом в виде цилиндрического корпуса (4) с использованием присадочного сплава. Первый металлический элемент содержит никель и серебро. Второй элемент содержит ионно-ковалентный оксид по меньшей мере на своей поверхности. Присадочный сплав образует жидкий припой (1), содержащий титан и серебро, который обеспечивает смачивание подлежащих соединению поверхностей. Состав припоя выбирают с учетом содержания никеля в первом элементе из условия получения стабильного реакционного слоя заданной толщины на границе второго элемента и сведения к минимуму образования интерметаллических соединений в паяном соединении. Обеспечение хорошей смачиваемости припоем поверхности второго элемента и отсутствие интерметаллических соединений дает возможность получить паяное соединение высокой прочности. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ соединения реактивной пайкой первого металлического элемента со вторым элементом, содержащим ионно-ковалентный оксид по меньшей мере на своей поверхности, посредством присадочного сплава, образующего жидкий припой, обеспечивающий смачивание поверхности металлического элемента и поверхности ионно-ковалентного оксида, отличающийся тем, что указанный первый металлический элемент содержит никель, а указанный припой содержит титан и серебро, при этом состав припоя выбирают с учетом содержания никеля в первом элементе из условия получения стабильного реакционного слоя заданной толщины на границе второго элемента и сведения к минимуму образования интерметаллических соединений в паяном соединении, причем при содержании никеля в составе первого соединяемого элемента меньше 20% по весу содержание титана в припое выбирают между 2% и 5%, при содержании никеля в составе первого соединяемого элемента между 20% и 50% по весу содержание титана в припое выбирают между 5% и 10%, а при содержании никеля в составе первого соединяемого элемента больше 50% по весу содержание титана в припое выбирают между 2% и 5%, а содержание Ag - меньше 60%.

2. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что толщина образованного реакционного слоя составляет больше 3 мкм.

3. Способ соединения по п.1 или 2, отличающийся тем, что вышеупомянутый ионно-ковалентный оксид является керамикой.

4. Способ соединения по п.3, отличающийся тем, что вышеупомянутая керамика является одной из керамик, входящих в группу, содержащую оксид алюминия (Al₂O₃), оксид циркония (ZrO₂) и оксид магния (MgO).

5. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что припой содержит AgCuTi.

6. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что металлический элемент включает CuNi с содержанием Ni<20% по весу, при этом содержание титана в припое выбирают между 2% и 5%.

7. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что металлический элемент включает CuNi с содержанием Ni между 20% и 50% по весу, при этом содержание титана в припое выбирают между 5% и 10%.

8. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что металлический элемент включает FeNi с содержанием Ni<8% по весу, при этом содержание титана в припое выбирают больше 2% и меньше 5%.

9. Способ соединения по п.1, отличающийся тем, что металлический элемент включает нержавеющую сталь с содержанием Ni между 8% и 18% по весу, при этом содержание Ti в припое выбирают больше 2% и меньше 5%.

10. Способ соединения по любому из пп.5-9, отличающийся тем, что при содержании Ni в составе первого соединяемого элемента между 20% и 50% по весу содержание Ag в припое выбирают между 60% и 71%, содержание Cu - между 26% и 36%, а содержание Ti - между 5% и 10%.

11. Способ соединения по любому из пп.5-9, отличающийся тем, что при содержании Ni в составе первого соединяемого элемента больше 50% по весу содержание Ti в припое выбирают между 2% и 5%, а содержание Ag - меньше 60%.

12. Вакуумный патрон для вакуумного выключателя, включающий цилиндрический корпус (4), содержащий ионно-ковалентный оксид по меньшей мере на своей поверхности, и две концевые металлические крышки (5, 6), отличающийся тем, что по меньшей мере одна из концевых крышек (5, 6) соединена с корпусом (4) патрона способом по любому из предыдущих пунктов.