RU2717766C1 - Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds - Google Patents
Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds Download PDFInfo
- Publication number
- RU2717766C1 RU2717766C1 RU2019115955A RU2019115955A RU2717766C1 RU 2717766 C1 RU2717766 C1 RU 2717766C1 RU 2019115955 A RU2019115955 A RU 2019115955A RU 2019115955 A RU2019115955 A RU 2019115955A RU 2717766 C1 RU2717766 C1 RU 2717766C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solder
- metal
- ceramic
- foil
- active
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования при пайке металлокерамических и керамических соединений высоковакуумных изделий, например, электровакуумных приборов.The invention relates to mechanical engineering and is intended for use when soldering metal-ceramic and ceramic compounds of high-vacuum products, for example, electric vacuum devices.
В основе протекающих процессов пайки лежит взаимодействие активного металла с окислами керамики, при этом титан (цирконий, ниобий, и др.), растворяясь в припое, обеспечивает растекание активного сплава по поверхности не металлизированной керамики. Пайку активными припоями вакуумно-плотных изделий как правило проводят в вакууме или инертном газе.The process of soldering is based on the interaction of the active metal with ceramic oxides, while titanium (zirconium, niobium, etc.), dissolving in solder, ensures the spreading of the active alloy on the surface of non-metallized ceramics. Active soldering of vacuum-dense products is usually carried out in vacuum or inert gas.
Известен высокотемпературный припой на основе титана-циркония-берилия. (патент Великобритании 921185, С22С 16/00, 13.03.1963).Known high-temperature solder based on titanium-zirconium-beryllium. (UK patent 921185, C22C 16/00, 03/13/1963).
Недостатком припоя системы титан-цирконий-бериллий является склонность к образованию интерметаллидов бериллия в паяных швах соединений, что влечет за собой низкую вакуумную плотность.The disadvantage of the solder of the titanium-zirconium-beryllium system is the tendency to form beryllium intermetallides in the soldered joints of the compounds, which entails a low vacuum density.
Известен быстро закаленный ленточный припой на основе титана-циркония? содержащий титан, цирконий, медь, никель и кобальт (заявка Китая CN 102430874, B23K 35/32, 02.05.2012).Is fast-hardened tape solder based on titanium-zirconium known? containing titanium, zirconium, copper, nickel and cobalt (Chinese application CN 102430874, B23K 35/32, 02/02/2012).
Недостатком указанного припоя является ограниченность применения и недостаточно высокий уровень механических свойств паяного соединения. При этом также существует проблема образования хрупких интерметаллидных фаз.The disadvantage of this solder is the limited use and insufficiently high level of mechanical properties of the soldered joint. In this case, there is also the problem of the formation of brittle intermetallic phases.
Известен также ряд припоев марки СТЕМЕТ (www.stemet.ru), например, припой состоящий из циркония, берилия, алюминия и титана, причем припой является гомогенным и ему придано аморфное структурное состояние. Припой выполнен в виде гибкой ленты (Патент РФ №2517096, B23K 35/30, 17.05.2013).A number of STEMET solders are also known (www.stemet.ru), for example, solder consisting of zirconium, beryllium, aluminum and titanium, the solder being homogeneous and given an amorphous structural state. The solder is made in the form of a flexible tape (RF Patent No. 2517096, B23K 35/30, 05.17.2013).
Недостатком данного технического решения является высокое содержание в припое титана и циркония. В аморфном состоянии припой является пластичным, но после пайки он приобретает кристаллическую структуру и становится хрупким интерметаллидом. Наличие в припое большого количества активных металлов также способствует образованию интерметаллидов на границе раздела припой-спаиваемая поверхность с металлами и их окислами, входящими в состав металлических конструкционных сплавов и керамики, спаиваемых между собой. В итоге паяное соединение металл/керамика или керамика/керамика насыщается избыточными интерметаллидами, обладающими низкой пластичностью, что приводит к образованию микротрещин в паянном шве, вследствие чего невозможно обеспечить высокую вакуумную плотность спая. Как правило в таких паяных соединениях проверка герметичности по натеканию по гелию более 1×10-7 Па м3/с, что неприемлемо для работы высоковакуумных приборов, где требуется вакуум не менее 3×10-12 Па м3/с. Как правило в процессе работы высоковакуумный прибор нагревается, что приводит к появлению в паяном шве дополнительных напряжений, возникающих за счет разных коэффициентов теплового расширения (КТР) металлических и керамических деталей. Возникновение напряжений приводит к лавинообразному росту микротрещин в паяном шве, что приводит к потере вакуума и выходу из строя вакуумного прибора.The disadvantage of this technical solution is the high content of solder titanium and zirconium. In the amorphous state, the solder is plastic, but after soldering it acquires a crystalline structure and becomes a brittle intermetallic compound. The presence of a large number of active metals in the solder also contributes to the formation of intermetallic compounds at the interface between the solder-solder surface and the metals and their oxides that make up the metal structural alloys and ceramics soldered together. As a result, the soldered metal / ceramic or ceramic / ceramic joint is saturated with excess intermetallic compounds having low ductility, which leads to the formation of microcracks in the brazed joint, which makes it impossible to ensure a high vacuum density of the joint. Typically, in such soldered joints, the leak test for helium leakage is more than 1 × 10 -7 Pa m 3 / s, which is unacceptable for operation of high-vacuum devices where a vacuum of at least 3 × 10 -12 Pa m 3 / s is required. As a rule, during operation, the high-vacuum device heats up, which leads to the appearance of additional stresses in the soldered joint due to different coefficients of thermal expansion (CTE) of metal and ceramic parts. The occurrence of stresses leads to an avalanche-like growth of microcracks in the soldered seam, which leads to a loss of vacuum and failure of the vacuum device.
Как уже было отмечено, ввиду хрупкости сплавов титана, циркония, ниобия и других активных металлов с большинством различных металлов, активные припои трудно получить, поэтому используют проволоку с сердечником из активного металла.As already noted, due to the fragility of alloys of titanium, zirconium, niobium and other active metals with most different metals, active solders are difficult to obtain, therefore, a wire with a core made of active metal is used.
В качестве прототипа рассматривается гетерогенный припой в виде стержня, внутренняя часть которого, изготовленная из активных металлов (титан, стронций, торий, гафний), заключена в оболочку из дуктильного металла или сплава. При этом металл оболочки имеет более низкую точку плавления, чем металл сердечника, и в расплавленном состоянии растворяет часть металла сердечника, образуя сплав, смачивающий поверхность керамики. (Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 154).As a prototype, a heterogeneous solder in the form of a rod is considered, the inner part of which is made of active metals (titanium, strontium, thorium, hafnium), is enclosed in a shell of a ductile metal or alloy. In this case, the shell metal has a lower melting point than the core metal, and in the molten state dissolves part of the core metal, forming an alloy wetting the surface of the ceramic. (Roth A. Vacuum seals. Trans. From English. M., "Energy", 1971, p. 154).
Недостатком известного решения являются одинаковые физико-химические свойства полученного припоя на границе раздела припой-поверхность, что часто приводит к невозможности пайки систем металл/керамика или двух различных керамик. Т.е. припой может хорошо взаимодействовать с одной из спаиваемых поверхностей, а на другой поверхности могут образовываться хрупкие интерметаллиды или растворы замещения, например, раствор кислорода в титане, делающие невозможным получение вакуумно-плотного паяного шва в системе металл/керамика или системы из разных керамик. Кроме того, производство гетерогенного активного припоя в виде стержня характеризуется высокой трудоемкостью.A disadvantage of the known solution is the same physicochemical properties of the obtained solder at the solder-surface interface, which often leads to the impossibility of soldering metal / ceramic systems or two different ceramics. Those. solder can interact well with one of the soldered surfaces, and brittle intermetallic compounds or substitution solutions can form on the other surface, for example, an oxygen solution in titanium, making it impossible to obtain a vacuum-tight soldered seam in a metal / ceramic system or systems of different ceramics. In addition, the production of a heterogeneous active solder in the form of a rod is characterized by high complexity.
Применение активного припоя в виде проволоки во многих случаях невозможно ввиду конструктивных особенностей паяемых изделий. В таких случаях проволока может быть расплющена, но это увеличивает опасность изменения однородности оболочки припоя вокруг сердечника.The use of active solder in the form of a wire is in many cases impossible due to the design features of soldered products. In such cases, the wire may be flattened, but this increases the risk of changing the uniformity of the solder sheath around the core.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение повышение эксплуатационных характеристик припоя, расширение технических возможностей по совместимости со спаиваемыми материалами, повышение адгезионных свойств и вакуумной плотности.The objective of the present invention is to provide increased operational characteristics of the solder, expanding technical capabilities for compatibility with soldered materials, increasing adhesive properties and vacuum density.
Решение поставленной задачи реализуется следующим образом.The solution of the problem is implemented as follows.
1. Гетерогенный активный припой для пайки металлокерамических и керамических вакуумно-плотных соединений, состоящий из базовой основы и активного металла, отличающийся тем, что базовая основа припоя выполнена в виде фольги, на поверхность которой нанесен слой активного металла, составляющего масс. % 1,5÷4 фольги.1. Heterogeneous active solder for brazing cermet and ceramic vacuum-tight compounds, consisting of a base base and an active metal, characterized in that the base base of the solder is made in the form of a foil, on the surface of which a layer of active metal is applied, which constitutes the mass. % 1,5 ÷ 4 foil.
2. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется медь.2. The heterogeneous active solder according to claim 1, characterized in that copper is used as the base base.
3. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется медно-серебряный сплав.3. The heterogeneous active solder according to claim 1, characterized in that a copper-silver alloy is used as the base base.
4. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется серебро.4. The heterogeneous active solder according to claim 1, characterized in that silver is used as the base base.
5. Гетерогенный активный припой по пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве активного металла использован титан, цирконий, тантал или гафний.5. Heterogeneous active solder in paragraphs. 1-4, characterized in that the active metal used is titanium, zirconium, tantalum or hafnium.
6. Гетерогенный активный припой по пп. 1-5, отличающийся тем, что слой активного металла нанесен на фольгу с обеих сторон.6. Heterogeneous active solder in paragraphs. 1-5, characterized in that the active metal layer is deposited on the foil on both sides.
Заявленный припой базируется на том, что в основе протекающих процессов пайки лежит взаимодействие активного металла с окислами керамики, при этом активные металлы, являясь межфазно-активной добавкой, растворяясь в припое, обеспечивают растекание активного сплава по поверхности не металлизированной керамики.The claimed solder is based on the fact that the process of soldering is based on the interaction of the active metal with ceramic oxides, while the active metals, being an interphase-active additive, dissolving in the solder, provide the spreading of the active alloy on the surface of non-metallized ceramics.
Использование тонких слоев активных металлов в небольших количествах (1,5-4) масс. % по отношению к базовой основе (металлическая фольга) снижает количество интерметаллидов и растворов замещения в спае, тем самым ограничивая рост концентраторов напряжения и микротрещин и, тем самым, обеспечивает высокую степень герметичности спая.The use of thin layers of active metals in small quantities (1.5-4) mass. % with respect to the base base (metal foil) reduces the number of intermetallic compounds and substitution solutions in the joint, thereby limiting the growth of stress concentrators and microcracks and, thus, provides a high degree of tightness of the joint.
Кроме этого припой обладает хорошими адгезионными свойствами и удовлетворительной смачиваемостью спаиваемых поверхностей.In addition, the solder has good adhesive properties and satisfactory wettability of the soldered surfaces.
Изготовление припоя для пайки металлокерамических узлов электровакуумного прибора, состоящих из ковара марки 29НК-ВИ, бескислородной меди марки М0Об., алюмооксидной вакуумно-плотной керамики марки ТСМ303. Вакуумная плотность прибора по воздуху и гелию должна быть не хуже первого класса по ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» Серия 32. Единая система оценки соответствия в области промышленной, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве. Выпуск 8. методические рекомендации о порядке проведения контроля герметичности технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах СДОС-07-2012. Москва 2012.The manufacture of solder for brazing metal-ceramic assemblies of an electrovacuum device, consisting of Kovar grade 29NK-VI, oxygen-free copper grade M0Ob., Alumina vacuum-dense ceramics grade TSM303. The vacuum density of the device in air and helium should be no worse than the first class for OJSC NTC Industrial Safety Series 32. A unified system for assessing compliance in the field of industrial, environmental safety, safety in energy and construction. Issue 8. Methodological recommendations on the procedure for tightness control of technical devices and structures used and operated at hazardous production facilities SDOS-07-2012. Moscow 2012.
Рабочая температура прибора до 400°С, режим работы циклический.The operating temperature of the device is up to 400 ° C, the operating mode is cyclic.
Для технологического обеспечения пайки металлокерамических узлов электровакуумного прибора применен способ изготовления активных припоев методом магнетронного напыления активного металла на базовую фольгу. Контроль герметичности электровакуумного прибора производился с применением масс-спектрометрического гелиевого течеискателя с чувствительностью 5×10-13 м3Па/с методами гелиевого обдува и гелиевой камеры. Результаты контроля показали, что паяные металлокерамические и керамические швы прибора, имеют высокую адгезию, пластичность и обеспечивают вакуумную плотность, не хуже 2×10-12 Па м3/с.To provide technological support for brazing metal-ceramic components of an electrovacuum device, a method of manufacturing active solders by magnetron sputtering of an active metal on a base foil was applied. The tightness of the electric vacuum device was controlled using a mass spectrometric helium leak detector with a sensitivity of 5 × 10 -13 m 3 Pa / s using helium blowing and a helium chamber. The control results showed that the brazed metal-ceramic and ceramic seams of the device have high adhesion, ductility and provide a vacuum density of no worse than 2 × 10 -12 Pa m 3 / s.
Свойства припоев с различным содержанием активного металла и приведены в таблице.The properties of solders with different contents of the active metal are shown in the table.
На чертеже приведены образцы припоя с нанесенным слоем активного металла на базовую основу (фольгу): а) с одной стороны, б) с двух сторон, где поз. 1 - слой активного металла, поз. 2 - базовая основа в виде фольги.The drawing shows samples of solder coated with a layer of active metal on a base base (foil): a) on the one hand, b) on both sides, where pos. 1 - layer of active metal, pos. 2 - the base base in the form of a foil.
Полученный гетерогенный активный припой обладает хорошей адгезией, а паяные металлокерамические и керамические швы с его применением пластичны и обеспечивают вакуумную плотность.The resulting heterogeneous active solder has good adhesion, and brazed metal-ceramic and ceramic seams with its use are plastic and provide vacuum density.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115955A RU2717766C1 (en) | 2019-05-23 | 2019-05-23 | Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019115955A RU2717766C1 (en) | 2019-05-23 | 2019-05-23 | Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2717766C1 true RU2717766C1 (en) | 2020-03-25 |
Family
ID=69943253
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019115955A RU2717766C1 (en) | 2019-05-23 | 2019-05-23 | Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2717766C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2857663A (en) * | 1954-02-09 | 1958-10-28 | Gen Electric | Metallic bond |
| SU1260124A1 (en) * | 1984-03-01 | 1986-09-30 | Ростовский-На-Дону Ордена Трудового Красного Знамени Институт Сельскохозяйственного Машиностроения | Method of brazing ceramics with metals and non-metals |
| US4740429A (en) * | 1985-07-22 | 1988-04-26 | Ngk Insulators, Ltd. | Metal-ceramic joined articles |
| SU1742269A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-06-23 | Могилевское отделение Института физики АН БССР | Method of bonding ceramic material with metals and non-metals |
| RU2336980C2 (en) * | 2006-10-03 | 2008-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method of ceramics soldering with metals and nonmetals |
-
2019
- 2019-05-23 RU RU2019115955A patent/RU2717766C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2857663A (en) * | 1954-02-09 | 1958-10-28 | Gen Electric | Metallic bond |
| SU1260124A1 (en) * | 1984-03-01 | 1986-09-30 | Ростовский-На-Дону Ордена Трудового Красного Знамени Институт Сельскохозяйственного Машиностроения | Method of brazing ceramics with metals and non-metals |
| US4740429A (en) * | 1985-07-22 | 1988-04-26 | Ngk Insulators, Ltd. | Metal-ceramic joined articles |
| SU1742269A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-06-23 | Могилевское отделение Института физики АН БССР | Method of bonding ceramic material with metals and non-metals |
| RU2336980C2 (en) * | 2006-10-03 | 2008-10-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Method of ceramics soldering with metals and nonmetals |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2548487B2 (en) | High-heat-resistant and vacuum-resistant insulating component hole through connection and method for forming the through connection | |
| JP6480806B2 (en) | Method for bonding ceramic and metal and sealing structure thereof | |
| US2857663A (en) | Metallic bond | |
| US10105795B2 (en) | Braze compositions, and related devices | |
| EP3052266A1 (en) | Brazing joining method of cnt assemblies on substrates using an at least ternary brazing alloy; corresponding brazing material and device comprising such assembly | |
| JP2001058882A (en) | Junction, high-voltage discharge lamp and its production | |
| US4431709A (en) | Beryllium to metal seals and method of producing the same | |
| Deng et al. | Effects of brazing technology on hermeticity of alumina ceramic-metal joint used in nuclear power plants | |
| RU2717766C1 (en) | Heterogeneous active solder for soldering of metal-ceramic and ceramic vacuum-dense compounds | |
| US3196536A (en) | Method of connecting graphite articles to one another or to articles of different materials | |
| CN105817728A (en) | Air-tight welding method for beryllium and metal | |
| US4019080A (en) | Vacuum-tight seals between ceramic and aluminium components, evacuated envelopes incorporating the components sealed by said method, and vacuum tubes incorporating said envelopes | |
| US3736649A (en) | Method of making ceramic-to-metal seal | |
| US3062981A (en) | Electron tube stem conductors having improved surface wettability | |
| US4459264A (en) | Reactive metal-palladium-silver brazing alloys | |
| RU2374056C1 (en) | Solder metal for soldering | |
| RU2722294C1 (en) | Method of vacuum-tight soldering of ceramics with metals and non-metals | |
| RU2760320C1 (en) | Method for manufacturing a vacuum-tight beryllium outlet window | |
| JP4533998B2 (en) | High-temperature isostatic pressing method for dissimilar metal materials with high melting points | |
| US2913077A (en) | Gas seal | |
| JP2650460B2 (en) | Joining method of alumina ceramic and metal | |
| JP2024134360A (en) | Vacuum valve joint structure and vacuum valve | |
| RU2550350C2 (en) | Production of gas filled discharger | |
| JPH0319716B2 (en) | ||
| JPH0226405A (en) | Cylinder-type crystal resonator |