SU1694358A1

SU1694358A1 - Method of soldering metal-ceramic joints

Info

Publication number: SU1694358A1
Application number: SU894772541A
Authority: SU
Inventors: Зоя Михайловна Лебедева; Николай Алексеевич Баресков; Валерий Константинович Колесников; Анатолий Филиппович Белков; Ирина Леонидовна Позднякова
Original assignee: Предприятие П/Я А-1147
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1991-11-30

Abstract

Изобретение относитс к области пайки , в частности к способам пайки металла с керамикой, и может быть использовано в различных отрасл х промышленности при изготовлении ответственных узлов и конструкций химических и энергетических установок . Цель изобретени - повышение надежности и работоспособности схв.эты- ваемых па ных соединений а также их термической прочности за счет создани в зоне спа поперечных и продольных напр жений сжати Цель достигаетс гем, что при сборке подпайку на па емые детали устанавливают металлическую обойму с фиксирующим по ском охватывающую керамическую и металлическую детапи. Затем производ т пайку, припаива обойму к соедин емым элементам 1 илThe invention relates to the field of soldering, in particular to methods of brazing metal with ceramics, and can be used in various industries in the manufacture of critical assemblies and structures of chemical and power plants. The purpose of the invention is to increase the reliability and performance of the sputtered joints as well as their thermal strength by creating transverse and longitudinal compressive stresses in the spa zone. The goal is to achieve that when assembling the solder to the soldered parts they install a metal clip covering ceramic and metal parts. Then solder is done by soldering the clip to the elements to be connected 1

Description

Изобретение относитс к пайке, в частности к способам пайки металла с керамикой , и может быть использовано в различных отрасл х промышленности при изготовлении ответственных узлов и конструкций химических и энер-етических установок ,The invention relates to soldering, in particular to methods of brazing metal with ceramics, and can be used in various industries in the manufacture of critical assemblies and structures of chemical and energy installations,

Целью изобретени вл етс повышение надежности и работоспособности охватываемых па ных соединений, а также их термической прочности за счет создани в зоне соединений поперечных и продольных напр жений сжати .The aim of the invention is to increase the reliability and operability of the paired joints covered, as well as their thermal strength due to the creation of transverse and longitudinal compressive stresses in the joint zone.

На чертеже представлена схема па ного соединени металлического вала с керамическим дискомThe drawing shows a diagram of the soldering of a metal shaft with a ceramic disk

На схеме изображены металлический вал 1, керамическое колесо 2, цилиндрическа компенсирующа обойма 3 с фиксирующим по ском 4, па ный шов 5 технологическа канавка 6 дл укладки припо 7, горизонтальный участок па ного шваThe diagram shows a metal shaft 1, a ceramic wheel 2, a cylindrical compensating ferrule 3 with locking strip 4, a soldered seam 5 a process groove 6 for placing the solder 7, a horizontal portion of a solder joint

5 в несогласованном спае, вертикальный участок па ного шва 5, горизонтальный участок па ного шва 5 в согласованном спае. На чертеже обозначены: Рп - поперечные напр жени сжати , РПр - продольные напр жени сжати 5 in an inconsistent junction, a vertical section of a paired seam 5, a horizontal section of a paired seam 5 in a consistent junction. In the drawing there are: Rp - transverse compressive stresses, Dpr - longitudinal compressive stresses

При сборке под пайку в вакууме на па емые детали устанавливают металлическую обойму с фиксирующим по ском, охватывающую керамическую и металлическую детали . Затем производ т пайку, припаива обойму к соедин емым элементам, создава тем самым в зоне спа не только пэпе- речные, но и продольные напр жени сжати .When assembling for vacuum soldering, a metal holder with a bridging cover covering the ceramic and metal parts is mounted onto the soldered parts. Then, soldering is performed by soldering the clip to the elements being connected, thereby creating in the spa zone not only cross-section but also longitudinal compressive stresses.

Дл обеспечени высокого качестве па ных соединений необходимо, чтобы между спаиваемыми детал ми при темпера гуре пайки был зазор некоторой оптимальной величины. Величина этого зазора выбираетс из услови заполнени его за счет капилл рных сил при капилл рной пайке при некапилл рной пайке заполнение зазоЬоIn order to ensure high quality of the solder joints, it is necessary that there is a gap of some optimal size between the parts to be soldered at the brazing temperature. The size of this gap is selected from the condition of filling it by capillary forces during capillary soldering with non-capillary soldering filling of the gap.

„ О" ABOUT

ць ы елyou

0000

ров осуществл етс под действием силы т жести .The ditch is carried out by gravity.

В предлагаемом способе при получении охватывающего спа комбинации .цилиндрическа компенсирующа обойма - металлический вал, необходимый зазор обеспечиваетс следующим образом.In the proposed method, upon obtaining the spa-engaging combination. A cylindrical compensating sleeve - a metal shaft, the necessary clearance is provided as follows.

В случае пайки материалов с одинаковыми значени ми коэффициентов термического расширени - за счет соответствующего выбора пол допусков на механическую обработку сопр гаемых деталей; в случае пайки материалов с разными значени ми коэффициентов термического расширени - за счет разности в их абсолютных значени х.In the case of soldering materials with the same values of the coefficients of thermal expansion, due to the appropriate choice of the field of tolerances on the mechanical treatment of the mating parts; in the case of soldering materials with different values of thermal expansion coefficients, due to the difference in their absolute values.

В охватывающем спае комбинации цилиндрическа компенсирующа обойма - керамическое колесо необходимый зазор обеспечиваетс за счет разницы в коэффициентах термического расширени .In the junction covering combination, there is a cylindrical compensating holder — the ceramic wheel provides the necessary clearance due to the difference in thermal expansion coefficients.

В данном способе напр женное состо ние сжати в зоне спа создаетс в двух направлени х - поперечном и продольном .In this method, the stress state of compression in the spa zone is created in two directions — transverse and longitudinal.

Возникновение таких напр жений обусловлено следующим. Пусть, например, требуетс изготовит ь узел, в котором колесо из керамики на основе нитрида кремни охватывает металлический вал, при помощи припо на основе меди. Дл этой цели на металлический вал 1 надеваетс керамическое колесо 2, к торцовым поверхност м которого устанавливаютс металлические обоймы с фиксирующим по ском 4, кажда из которых охватывает как керамическое колесо, так и металлический вал, подлежащих соединению. Перед установкой деталей (позиции 3 и 4 на чертеже) в технологические канавки 6 закладываетс припой в количестве, достаточном дл аа- полне 1и зазоров, возникающих при температуре пайки.The occurrence of such stresses is due to the following. Suppose, for example, that a knot is required to be made in which a silicon nitride-based ceramic wheel encloses a metal shaft using copper-based solder. For this purpose, a ceramic wheel 2 is put on the metal shaft 1, to the end surfaces of which are mounted metal holders with locking 4, each of which covers both the ceramic wheel and the metal shaft to be connected. Before installing the parts (positions 3 and 4 in the drawing), in the process grooves 6, the solder is laid in an amount sufficient for aaa full of 1 and gaps arising at the temperature of the soldering.

Собранный таким образом узел помещаетс в печь и нагреваетс до температуры пайки.The assembly thus assembled is placed in an oven and heated to the brazing temperature.

Рассмотрим поведение материалов а процессе нагрева и охлаждени . При нагреве узла детали независимо друг от друга будут расшир тьс согласно своим коэффициентам термического расширени . Так как КТР металла значительно больше КТР керамики, будет происходить более интенсивное расширение металлической обоймы немного обгон ющего расширени керамики. В результате этого на пороге плавлени припо , между па емыми поверхност ми будет зазор,Consider the behavior of materials in the process of heating and cooling. When the assembly is heated, the parts independently from each other will expand according to their coefficients of thermal expansion. Since the KTP of the metal is significantly larger than the KTP of the ceramics, a more intensive expansion of the metal holder will occur, slightly overtaking the expansion of the ceramics. As a result of this, at the melting threshold of solder, there will be a gap between the paved surfaces,

При температуре пайки припой расплавл етс и под действием капилл рныхAt the soldering temperature, the solder melts under the action of capillary

сил и силы т жести затекает в зазоры между соедин емыми детал ми. После расплавлени припо и короткой выдержки температуру начинают снижать, припойforces and forces of gravity flow into the gaps between the parts being joined. After melting the solder and a short exposure time, the temperature begins to decrease, the solder

затвердевает, сохран некоторую пластичность до определенной температуры. В процессе охлаждени металлическа обойма сокращаетс больше керамической, при этом создаютс услови , при которых возникают сжимающие силы. Прослойка из припо реагирует на это сжатие, частично выдавлива сь из шва, а частично уплотн етс , после чего припой тер ет пластичность и нагартовываетс hardens, retains some plasticity to a certain temperature. During the cooling process, the metal cage is reduced more by the ceramic, creating conditions under which compressive forces arise. The solder layer reacts to this compression, is partially extruded from the weld, and partly compacted, after which the solder loses plasticity and is heated.

В процессе дальнейшего охлаждени узла сжимающие усили , через нагартован- ный припой, передаютс керамической детали результате чего она будет испытывать как поперечные, так и продольные напр жени сжати .In the course of further cooling of the assembly, the compressive forces, through the welded solder, are transferred to the ceramic part, as a result of which it will experience both transverse and longitudinal compressive stresses.

Поперечные напр жени сжати образуютс за счет охватывающего несогласованного спа металла с керамикой (шов 8), у которых коэффициенты теплового расширени различаютс достаточно резко.The lateral compressive stresses are formed due to the surrounding unmatched metal-to-ceramic ceramics (seam 8), in which the coefficients of thermal expansion differ quite sharply.

Продольные напр жени сжати образуютс за счет вертикального участка шна 9, выполн ющего роль торцового некомпенсированного спа металла с керамикой иLongitudinal compressive stresses are formed due to the vertical portion of the tire 9, which acts as an end uncompensated metal-to-ceramic spa and

горизонтального участка шва 10, но уже в охватывающем согласованном спае металла с металлом, в котором коэффицие нты теплового расширени сопр гаемых материалов близки друг к другу или полностьюthe horizontal portion of the weld 10, but already in the encompassing coordinated junction of the metal with the metal, in which the coefficients of thermal expansion of the mating materials are close to each other or completely

совпадают.match up.

Возникновению продольных напр жений способствует также эффект своеобразного заклинивани либо повышени трени по поверхности А (см. чертеж)The appearance of longitudinal stresses also contributes to the effect of a kind of jamming or increasing friction on the surface A (see drawing)

Пример. Необходимо изготовить узел, в котором керамическое колесо припаиваетс к металлическому валу, причем колесо должно охватывать металлическую деталь Дл их соединени л использовали третийExample. It is necessary to make a knot in which the ceramic wheel is soldered to the metal shaft, and the wheel must cover the metal part. A third

элемент - металлическую обойму с фиксирующим по сом. Обойма имеет две цилиндрические поверхности, позвол ющие охватывать как керамическую деталь, так и металлический вал (Коэффициент линейного расширени материала металлического вала должен быть больше коэффициента линейного расширени металлической обоймы . В противном случае при температуре пайки в месте будущего шва 9 образуетс the element is a metal clip with a catfish. The yoke has two cylindrical surfaces allowing to cover both the ceramic part and the metal shaft. (The linear expansion coefficient of the metal shaft material must be greater than the linear expansion coefficient of the metal yoke. Otherwise, at the temperature of the solder in the place of the future weld 9

нат г и припой не в состо нии проникнуть между соедин емыми детал ми).tension and solder are not able to penetrate between the parts being connected).

Колесо изготавливали из реакционно св занного спеченного нитрида кремни , а вал и обойму как из молибдена, гак и из стали 12Х18Н10Т, Конструкци элементов,The wheel was made of reactive bonded sintered silicon nitride, and the shaft and holder as of molybdenum, hook and steel 12X18H10T,

вход щих в сборочный узел, предусматривала наличие технологических канавок дл укладки припо . Эти канавки располагались в непосредственной близкости к будущим па ным швам. В качестве материала припо использовали припои марки ВПр13, а активной добавки - титан.included in the assembly, the presence of technological grooves for the installation of solder. These grooves were located in close proximity to future grooves. The material of the solder used solders brand Vpr13, and the active additive - titanium.

Механическую обработку сопр гаемых поверхностей в районе па ного шва В производили из услови образовани зазора, измен ющегос от 0 до 0,05 мм, а назначение допусков на механическую обработку сопр гаемых поверхностей в месте шва 5(3) - из услови существовани гарантийного зазора, равного 0,08-0,1 мм. Сборку узла осуществл ли в следующей последовательности .The machining of the mating surfaces in the area of the weld seam B was made from the condition of formation of a gap varying from 0 to 0.05 mm, and the assignment of tolerances for the machining of the mating surfaces at the site of the weld 5 (3), equal to 0.08-0.1 mm. The assembly of the assembly was carried out in the following sequence.

В технологические канавки 6, расположенные на внутренней поверхности металлической обоймы, закладывали припой в виде фольги и приваривали конденсаторной сваркой. Далее на металлический вал 1 надевали керамическое колесо 2, к торцовым поверхност м которого устанавливали металлические обоймы 3. Установку их осуществл ли либо вплотную (нулевой зазор) к торцовой поверхности керамического колеса в районе участка 9 па ного шва, либо с некоторым установочным размером , например 0.02-0,05 мм. Собранный таким образом узел помещали в приспособление, обеспечивающее установочные чЗазоры и соосность па емых деталей Сборку загружали в вакуумную печь СНВ.1.3.1/16И1, после чего осуществл ли процесс пайки. При достижении темпеоату- ры пайки припой расплавл етс и вытекает из технологических канавок в зазоры, образовавшиес между металлической частью обоймы к керамикой на участках 8 и 9 будущих па ных швов, з 1акже между металлической частью обоймы и металлическим взлом на участке 10 шва. В процессе охлаждени /зла пригой затвердевает, з сопр гаемые детали будут сокращатьс согласно своим коэффициентам линейного расыио егш . Прослойка из припо реаги руег на это сжатие, частично выдавливаетс is шва, в частично нагартовываетс . Из-за значительной разницы в коэффициентах термического расширени (КТР) металла и керамики (КТР металла КТР керамики) будет происходить сокращение металлической детали,немного обгон ющее керамическую, в результате чего сжимающие усили через прослойку нагартовэнного припо будут передаватьс керамической детали, По цилиндрической поверхности на участке 8 па ного шва керамика испытывает поперечное сжатие. АIn technological grooves 6, located on the inner surface of the metal cage, put the solder in the form of foil and welded by capacitor welding. Then, a ceramic wheel 2 was put on the metal shaft 1, the metal clips 3 were mounted to the end surfaces of the wheels. They were mounted either closely (zero clearance) to the end surface of the ceramic wheel in the region of joint 9, or with some mounting size, for example 0.02-0.05 mm. The assembly assembled in such a way was placed in a device that provided installation h-gaps and coaxiality of the soldered parts. The assembly was loaded into a vacuum furnace START 1.3.1 / 16I1, after which the soldering process was carried out. When the brazing temperature is reached, the solder melts and flows out of the process grooves into the gaps formed between the metal part of the cage to the ceramics in areas 8 and 9 of future welds, between 1 and the same time between the metal part of the cage and the metal break in the area of the seam 10. In the process of cooling / evil, the curing hardens, the matching parts will be reduced according to their linear ratios. The solder layer reacts to this compression, the joint is squeezed out partially, the joint is partially heated. Due to the significant difference in thermal expansion coefficients (KTP) of metal and ceramics (KTR of metal KTP ceramics), the metal part will be reduced, slightly overtaking the ceramic, resulting in compressive forces through the layer of carbon solder to the ceramic part. Section 8 of the foot weld ceramics is subjected to lateral compression. BUT

так как спай по цилиндрической поверхности вал - металлическа обойма в нашем случае будет выполн ть роль защемленной балки, то со стороны участка 9 па ного шва керамика будет испытывать продольноеSince the shaft — a metal holder — will, in our case, act as a clamped beam along a cylindrical surface, from the side of joint section 9, the ceramic will experience a longitudinal

сжатие.compression.

Режим пайки: температура пайки 960- 980°С; врем выдержки при этой температуре 10-15 мин; скорость нагрева 15-20°С/мин; остаточное давление в рабочем пространстве печи 5-10 мм.рт.ст.; скорость охлаждени до 600°С составл ла 5-10°С/мин.Soldering mode: soldering temperature 960–980 ° C; holding time at this temperature 10-15 minutes; heating rate 15-20 ° C / min; residual pressure in the working space of the furnace 5-10 mm Hg; cooling rate to 600 ° C was 5-10 ° C / min.

При температуре 500-600°С производили выдержку в течение 45-60 мин, а дальнейшее охлаждение вели совместно с печью.At a temperature of 500-600 ° C, they were aged for 45-60 minutes, and further cooling was carried out together with the furnace.

Испытание металлокерамических соединений , полученных по предлагаемому способу, убедительно показали повышениеTest metal-ceramic compounds obtained by the proposed method, convincingly showed an increase

надежности и работоспособности узлов по сравнению с существующими способами. Критерием оценки надежности конструкций служило наличие трещин,, возникающих в процессе изготовлени металлокерамических узлов. На спа ных узлах трещины, как правило, не заметны. Дл их вы влени изготавливали микрошлифы. Анализ шлифов показал, что во всех образцах - спа х трещины отсутствовали.reliability and performance of nodes compared to existing methods. The criterion for assessing the reliability of structures was the presence of cracks, which arise in the process of manufacturing metal-ceramic units. As a rule, cracks are not noticeable at spa nodes. For their detection microsections were made. The analysis of thin sections showed that in all samples — spas x there were no cracks.

Применение предлагаемого способаThe application of the proposed method

позвол ет повысить надежность охватываемых спаев металла с керамикой, улучшить их стойкость к термоудару, а также значительно увеличить выход годного при пайке.it allows to increase the reliability of covered metal junctions with ceramics, to improve their resistance to thermal shock, and also to significantly increase the yield of solder.

Claims

The invention of the method of soldering metal with ceramics, including the preparation for soldering, tab solder and assembly of mating elements

followed by vacuum soldering, characterized in that, in order to increase the reliability and efficiency of soldered joints, thermal strength due to the creation in the zone of transverse and

longitudinal compressive stresses, a compensating metal holder with a fixed locking covering the ceramic and metal parts is mounted on the parts to be soldered and soldered to

connectable elements.