Способ спаивания деталей из ковара с изделиями из оптического кварцевого стекла Российский патент 2025 года по МПК C03C27/04 C03C8/24 

Изобретение относится к технологии спаивания деталей из ковара с изделиями из кварцевого стекла при помощи компаунда с целью получения герметичного спая. Получаемые изделия используются в электровакуумной технике при изготовлении прецизионных приборов, корпусов и радиоэлементов. Также пайку ковара со стеклом используют при изготовлении вакуумных приборов (гермовводов, смотровых окон), в производстве ламп накаливания различных видов. В частности, соединение кварцевого стекла с коваром используют в производстве электрических кварцевых резонаторов, в радиоэлектронике и электротехнике.

Для прочного сцепления металла со стеклом, спаи должны быть согласованными. Образование прочного соединения между стеклом и металлом зависит от наличия напряжений в зоне спая и присутствия газовых пузырей. После соединения деталей из металла и стекла производят отжиг с целью снятия внутренних напряжений с дальнейшим медленным охлаждением. Температурный режим варьируют с учетом конфигурации спая и величины ТКЛР соединяемых материалов. При пайке кварцевого стекла с металлами особое внимание следует обращать на выбор толщины прослойки припоя между скрепляемыми материалами, т.к. эта толщина определяет в дальнейшем величину остаточных напряжений.

Кварцевое стекло - это однокомпонентное силикатное стекло, состоящее из оксида кремния (SiO₂). В настоящее время выпускается несколько видов оптического кварцевого стекла марок КВ и КУ (по ГОСТ 15130-86). (Стекла данных марок отличаются высокой величиной термостойкости - 800 - 1000°С. Образцы кварцевых стекол толщиной 5 мм выдерживают 15-ти кратное резкое охлаждение от 800 до 20°С. Величина ТКЛР кварцевого стекла в интервале температур 200 - 1000°С находится в пределах (4,26 (при 1000°С) - 5,68 (при 200°С))·10⁷ 1/°С. Детали из кварцевого стекла, используемые для спаивания, не должны содержать пузырей и других инородных включений.

Известен способ спаивания деталей из оптического кварцевого стекла с деталями из металла [SU 219770, 1968 г.]. Данный способ включает подготовку соединяемых поверхностей, нанесение слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями заготовки и оправы припоя, последующий нагрев в вакууме, и охлаждение.

Существенным недостатком данного способа является двухступенчатый технологический процесс, при котором сначала наносят и вжигают пасту гидрида титана, а затем собирают соединяемые детали, размещают припой и проводят термическую обработку конструкции. Данная двухступенчатая технология значительно усложняет технологический процесс и делает его наиболее энергозатратным и дорогим. Так же применение в качестве припоя чистого свинца не обеспечивает достаточной механической прочности паяного соединения. Еще одним недостатком известного способа является образование неравномерного зазора между соединяемыми деталями, который, вследствие термического воздействия на конструкцию, приводит к образованию неравномерных остаточных напряжений, возникающих при кристаллизации паяного шва из-за разности коэффициентов термического расширения соединяемых - деталей, приводящих к разрушению паяного шва и конструкции в целом.

Известен способ соединения ковара со стеклом [SU 804588, 1981 г.], заключающийся в том, что коваровые детали никелируют на участках, не подлежащих спаиванию со стеклом, затем проводят обезгаживающий отжиг. Спаивание ковара со стеклом ведут в защитной среде при 940 - 1000°С в течении 5 - 10 мин, а охлаждение до 650 - 700°C осуществляют в защитной среде, после чего в среде водорода. Однако если применять данный способ для герметизации закаленного стекла, оно утратит свои защитные свойства из-за отжига, что будет сказываться на конечных характеристиках получаемого соединения. Так же в данном способе используется высокотемпературная пайка в защитной среде и в среде водорода, что увеличивает себестоимость изготавливаемой детали.

Известен способ изготовления вакуумно-плотных спаев стекла с металлом [SU 487032,1975 г.]. Детали из ковара окисляют в атмосфере при 700°С в течение 10 мин. Спаивание коваровых деталей со стеклом С52-1 проводят в графитовых кассетах в вакуумном контейнере с остаточным давлением 60 мм рт.ст. при 850°С. Время выдержки при температуре спаивания равно 12 мин. Охлаждение спая производят также в контейнере. Прочность полученного спая 2,31 кг/мм². Данный способ улучшает качество соединения за счет того, что спаивание осуществляют в вакууме, равном 10 - 100 мм рт.ст., однако спаивание деталей проводят при высокой температуре, равной 850°С в вакуумной среде, а значение прочности данного спая является относительно небольшим.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ спаивания деталей из стекла с деталями из металлов при помощи пайки [RU №2732549, 21.09.2020]. Известный способ включает подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность детали из стекла слоя титановой пасты, введение между соединяемыми поверхностями детали из стекла и детали из металла припоя, последующий нагрев в вакууме и охлаждение. Слой титановой пасты наносят толщиной 150 - 190 мкм, нагрев производят в среде аргона до температуры 500°С со скоростью не менее 2-3°С в минуту, выдерживают при данной температуре не менее 20 мин и далее охлаждают до температуры 50-70°C со скоростью не менее 1-2°С в минуту, при этом припой, используемый для пайки, представляет собой эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра.

Недостатком данного способа является довольно высокая температура спаивания, а также довольно медленное охлаждение, что усложняет и затягивает технологический процесс и делает его наиболее энергозатратным и дорогим. Так же, при несоблюдении режима охлаждения полученного изделия могут возникнуть трещины в паяемых швах, что будет негативно сказываться на прочности получаемого изделия.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение технологического процесса получения неразъемного соединения, повышение надежности и прочности соединения, а также химической стойкости при изготовлении узлов герметичных спаев на основе ковара и оптического кварцевого стекла.

Указанная проблема решается тем, что способ спаивания изделий из ковара с изделиями из оптического кварцевого стекла заключается в том, что осуществляют подготовку соединяемых поверхностей, при этом подготовку изделий из ковара осуществляют путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла перед нанесением компаунда подвергают пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривают спиртом, после чего производят нанесение на поверхность изделия из кварцевого стекла слоя компаунда, содержащего порошок стекла марки С52-1 в количестве 35-43 мас. % и органическую составляющую в количестве 57-65 мас. %, состоящую из термопластичной полимерной смолы, в качестве которой используют смолу, являющуюся продуктом поликонденсации с бисфенолом А, и отвердителя, в качестве которого используют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид, в соотношении 1:1, после чего изделия соединяют друг с другом и производят спаивание в муфельной печи при температуре 180-185°С, причем нагрев производят со скоростью 7-10°С/мин с выдержкой 15-20 мин.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении адгезионной прочности спаиваемых поверхностей, минимизации остаточного напряжения, повышения стойкости в широком диапазоне температур, устойчивости к вибрационным нагрузкам и высокой влажности воздуха.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Перед проведением спаивания, проводят подготовку поверхностей деталей из ковара и кварцевого стекла. В месте спаивания поверхность деталей из ковара выравнивают полировкой и обезжиривают спиртом. Спаиваемую поверхность детали из оптического кварцевого стекла сначала подвергают пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости, способствующей глубокому проникновению компаунда и созданию прочного спая, затем, перед нанесением компаунда, обезжиривают спиртом.

В зависимости от площади поверхности спаиваемых деталей, проводят взвешивание тонкодисперсного порошка стекла С52-1 в количестве 35 - 43 мас.%. Затем в него добавляют 57 - 65 мас.% органической составляющей, состоящей из термопластичной полимерной смолы, в качестве которой используют смолу, являющуюся продуктом поликонденсации с бисфенолом А, и отвердителя, в качестве которого используют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид, в соотношении 1:1. Экспериментально было доказано, что такое соотношение является оптимальным для получения прочного спая. Уменьшение количества отвердителя увеличивает вязкость композиции и не позволяет получить однородное соединение с порошком стекла. Увеличение количества отвердителя создает гибкую композицию, но при этом снижается химическая стойкость компаунда.

Смешивание компаунда проводят при комнатной температуре до получения однородной текстуры, не содержащей пузырьков воздуха.

Полученный компаунд наносят на подготовленную поверхность кварцевого стекла слоем, однородным по всей поверхности стекла.

После чего изделия соединяют друг с другом, тщательно прижимая обе поверхности друг к другу. На месте спая не должно быть наплывов и разнотолщинности промежуточного слоя компаунда, излишки убирают салфеткой, смоченной спиртом. Полученную деталь помещают в муфельную электропечь, и нагревают ее со скоростью 7 - 10 °С/мин до температуры 180 - 185°C с выдержкой при температуре 15 - 20 мин в зависимости от конфигурации и размера спаиваемых деталей. Охлаждение проводят в режиме остывающей печи.

Используемый для реализации способа компаунд является композиционным материалом, состоящим из порошка электровакуумного стекла марки С52-1, органического полимера и отвердителя. Основными компонентами, которые составляют компаунд, являются связующие вещества и наполнители. Заливочные компаунды не содержат растворителей и легколетучих составных компонентов и относятся к классу реактопластов.

Компаунд содержит порошок стекла марки С52-1 в количестве 35 - 43 мас.% и органическую составляющую в количестве 57 - 65 мас.%, состоящую из термопластичной полимерной смолы, в качестве которой используют смолу, являющуюся продуктом поликонденсации с бисфенолом А, и отвердителя, в качестве которого используют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид, в соотношении 1:1. Содержание в спае порошка стекла выше 43% не позволяет получить однородный материал за счет комкования порошка при низком количестве эластомера. Содержание порошка стекла менее 35 мас.% с большим количеством эластомера образует смесь, характеризующуюся низкой величиной вязкости, что неблагоприятно сказывается на качестве спая за счет высокой текучести компаунда и нe позволяет получить равномерный шов без наплывов.

Электровакуумное стекло марки C52-1 имеет следующий химический состав в соответствии с ОСТ 11 027.010-75 в мас. %: 69,5±1,1 SiO₂, 17,8±0,7 B₂O₃, 3,8±0,5 Al₂O₃, 4,8±0,5 Na₂O, 4,1±0,4 K₂O.

Варку стекло проводят в электрических печах в кварцевых тиглях или в газовых печах в кварцевых или корундовых горшках при температуре 1450°С с выработкой в виде гранулята путем отливки в проточную воду. Высушенный стеклогранулят подвергают измельчению в шаровых мельницах в фарфоровых барабанах с алундовыми мелющими шарами или цилиндрами. Порошок просеивается через бронзовое или полиамидное сито с размером ячеек 63 мкм во избежание намола оксидов, входящих в сита из стальной проволоки.

Составляющей компаунда является двухкомпонентная термопластическая органическая составляющая, которая включает в себя полимерную смолу и отвердитель, смешивание которых позволяет получить жесткий, но прочный спай. В качестве полимера используют смолы, содержащие полиуретановые группы, которые при воздействии отвердителя формируют сшитые полимеры. Самыми распространенными смолами являются продукты поликонденсации с бисфенолом А. Такие полимеры отличатся высокой адгезией с различными материалами, что способствует получению спаев с высокой адгезионной прочностью. Указанный органический полимер имеет низкое водопоглощение, за сутки ему удается впитывать не более 0,01 - 0,1%. Так же смолы устойчивы к воздействию жара, их термостойкость достигает +(250 - 310)°С. В качестве отвердителей применяют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид.

Ниже приведены примеры реализации способа.

Пример 1. Предварительную подготовку изделий из ковара осуществляли путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла перед нанесением компаунда подвергали пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривали спиртом. На подготовленные поверхности изделий из ковара и кварцевого стекла наносили слой компаунда, содержащего 35 мас.% стекла марки С52-1 и 65 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, которая является продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали триэтилентетрамин. После чего изделия соединяли друг с другом и производили спаивание в муфельной печи при температуре 180°C, причем нагрев производился со скоростью 7°С/мин, с выдержкой при данной температуре 15 мин. В результате полученные соединения характеризуются стойкостью к повышенной (до 195°С) и пониженной (до -87°С) температурам, устойчивостью к воздействию высокой влажности воздуха, а также устойчивостью к вибрационным нагрузкам (порядка 3g) и к воздействию одиночных ударов (до 150g при длительности ударного импульса 1-3 мс).

Пример 2. Предварительную подготовку изделий из ковара осуществляли путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла перед нанесением компаунда подвергали пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривали спиртом. На подготовленные поверхности изделий из ковара и кварцевого стекла наносили слой компаунда, содержащего 39 мас.% стекла марки С52-1 и 61 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, которая является продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали триэтилентетрамин. После чего изделия соединяли друг с другом и производили спаивание в муфельной печи при температуре 183°С, причем нагрев производился со скоростью 9°С/мин, с выдержкой при данной температуре 17 мин. В результате полученные соединения характеризуются стойкостью к повышенной (до 197°С) и пониженной (до -89°С) температурам, устойчивостью к воздействию высокой влажности воздуха, а также устойчивостью к вибрационным нагрузкам (порядка 3g) и к воздействию одиночных ударов (до 150g при длительности ударного импульса 1-3 мс).

Пример 3. Предварительную подготовку изделий из ковара осуществляли путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла перед нанесением компаунда подвергали пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривали спиртом. На подготовленные поверхности изделий из ковара и кварцевого стекла наносили слой компаунда, содержащего 43 мас.% стекла марки С52-1 и 57 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, которая является продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали полисебациновый ангидрид. После чего изделия соединяли друг с другом и производили спаивание в муфельной печи при температуре 185°С, причем нагрев производился со скоростью 10°С/мин, с выдержкой при данной температуре 20 мин. В результате полученные соединения характеризуются стойкостью к повышенной (до 200°С) и пониженной (до -90°С) температурам, устойчивостью к воздействию высокой влажности воздуха, а также устойчивостью к вибрационным нагрузкам (порядка 3g) и к воздействию одиночных ударов (до 150g при длительности ударного импульса 1-3 мс). Получаемые спаи отличаются плавным и непрерывным швом и характеризуются свойствами, указанными в таблице 1 в сравнении с прототипом.

Таблица 1

Состав компаунда для спаивания Температура спаивания, °С Стойкость к повышенной температуре, °С Стойкость к пониженной температуре, °С Устойчивость к вибрационным нагрузкам Устойчивость к воздействию одиночных ударов Устойчивость к действию высокой влажности воздуха 35 мас.% стекла марки С52-1 и 65 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, являющейся продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали триэтилентетрамин 180 До 195 До -87 3g До 150g при длительности ударного импульса 1-3 мс 100% при температуре окружающей среды до +50°С 39 мас.% стекла марки С52-1 и 61 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, являющейся продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали триэтилентетрамин 183 До 197 До -89 43 мас.% стекла марки С52-1 и 57 мас.% органической составляющей, содержащей 50% полимерной смолы, являющейся продуктом поликонденсации с бисфенолом А + 50% отвердителя, в качестве которого использовали полисебациновый ангидрид 185 До 200 До -90 Прототип Эвтектический сплав на основе свинца с добавлением индия и серебра 500 До 150 -75 3g - -

Таким образом, описанный способ спаивания позволяет получать изделия, характеризующиеся адгезионной прочностью, минимальными остаточными напряжениями, повышенной стойкостью в широком диапазоне температур, устойчивостью к вибрационным нагрузкам и высокой влажности воздуха.

Изобретение относится к технологии спаивания деталей из ковара с изделиями из кварцевого стекла. Техническим результатом является обеспечение адгезионной прочности спаиваемых поверхностей, минимизации остаточного напряжения, повышения стойкости в широком диапазоне температур, устойчивости к вибрационным нагрузкам и высокой влажности воздуха. Заявлен способ спаивания изделий из ковара с изделиями из оптического кварцевого стекла, включающий подготовку соединяемых поверхностей, нанесение на поверхность изделия из кварцевого стекла слоя компаунда, содержащего порошок стекла марки C52-1 в количестве 35-43 мас. % и органическую составляющую в количестве 57-65 мас. %, состоящую из термопластичной полимерной смолы и отвердителя в соотношении 1:1, соединение изделий друг с другом и спаивание в муфельной печи при температуре 180-185°С, причем нагрев производят со скоростью 7-10°С/мин с выдержкой 15-20 мин. При этом подготовку изделий из ковара осуществляют путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла подвергают пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривают спиртом. В качестве полимерной смолы используют смолу, являющуюся продуктом поликонденсации с бисфенолом A, а в качестве отвердителя используют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид. 1 табл.

Способ спаивания изделий из ковара с изделиями из оптического кварцевого стекла, заключающийся в том, что осуществляют подготовку соединяемых поверхностей, при этом подготовку изделий из ковара осуществляют путем выравнивания поверхности полировкой и обезжиривания спиртом, а поверхность изделия из оптического кварцевого стекла перед нанесением компаунда подвергают пескоструйной обработке для придания поверхности стекла шероховатости и обезжиривают спиртом, после чего производят нанесение на поверхность изделия из кварцевого стекла слоя компаунда, содержащего порошок стекла марки C52-1 в количестве 35-43 мас. % и органическую составляющую в количестве 57-65 мас. %, состоящую из термопластичной полимерной смолы, в качестве которой используют смолу, являющуюся продуктом поликонденсации с бисфенолом A, и отвердителя, в качестве которого используют триэтилентетрамин или полисебациновый ангидрид, в соотношении 1:1, после чего изделия соединяют друг с другом и производят спаивание в муфельной печи при температуре 180-185°С, причем нагрев производят со скоростью 7-10°С/мин с выдержкой 15-20 мин.