к.т.н., доц. Котина Н.М., к.т.н., доц. Куц Л.Е., д.т.н., проф. Родионов И.В., студ. Суслин Г.А., студ. Куц А.К.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Механизм формирования сварных соединений металлов с неметаллами

Создание технологических процессов диффузионной сварки металлов с различными видами технической керамики, в том числе ферритов, невозможно без четкого представления о механизме формирования соединений разнородных материалов, то есть о процессах физико-химического взаимодействия в металл – неметаллическом контакте и установления общих химических связей различного типа (металлических – ненасыщенных со стороны металла и ковалентных – с жесткими ограничениями на углы, число и длину связей со стороны неметалла) в контакте соединяемых материалов.

В настоящее время широкое применение в СВЧ технике находят ферритовые элементы, представленные на рис.1.

Рис.1. Ферритовые элементы

Из указанных элементов изготавливаются ферритометаллические узлы (ФМУ), представленные на рис.2. При этом используются процессы диффузионной сварки (ДС) и пайки мягкими и твердыми припоями.

Рис.2. Конструкции малогабаритных ферритометаллических узлов:

1- ферритовый элемент; 2- прокладка из меди МБ; 3-компенсатор термических напряжений из псевдосплава МД (медь + молибден)

Процессы пайки и диффузионной сварки предполагают существенные термомеханические воздействия на ферритовые элементы (температуры от 800º до 1000ºС, удельные усилия сжатия от 0,1×107 до 1,5×107 Па). В этой связи, необходимы оценки высокотемпературной прочности ферритовых материалов, без которых невозможно проектировать технологические процессы пайки и диффузионной сварки. В каждом конкретном случае необходимы дополнительные эксперименты по оценке высокотемпературной прочности конкретной марки ферритовых материалов.

Важнейшим качественным показателем керамики, определяющим возможность ее сварки и применения, является прочность и термостойкость. В процессе сварки и эксплуатации керамических изделий неизбежны колебания температуры, вследствие чего возникают температурные напряжения. Температурным изменениям, приводящим к разрушению изделий, соответствует критическая разность температур, определяемая произведением двух величин: термического напряжения и фактора формы тела. Сравнение физико-механических свойств показывает, что термостойкость ферритов в 5 - 14 раз ниже, чем алюмооксидной керамики, а самые низкие значения имеют феррошпинели. Поэтому обычно используемые при сварке электроизоляционных керамик скорости нагрева и охлаждения (0,25 - 0,3 K/с.) при сварке ферритов пригодны только для небольших узлов. Для узлов больших размеров они должны быть понижены до 0,08 - 0,12 K/c. Таким образом, скорости нагрева и охлаждения – важные параметры сварки металлов с керамическими материалами.

Одна из основных проблем технологии диффузионной сварки ферритов с металлами – возможность изменения структуры и основных электромагнитных параметров ферритов. Большое многообразие физических и химических свойств ферритовых материалов требует оценки влияния вакуумно-термического воздействия на параметры фактически каждого типа ферритов. Глубина этого влияния определяет дальнейшую технологию изготовления ферритометаллических узлов. Учитывая, что ферритовая структура может быть изменена под действием нагрева в вакууме и что причина такого изменения будет связана с потерей кислорода, измерение температурной зависимости удельного электросопротивления феррита было выбрано как основной способ оценки таких изменений. Исследования показали, что нагревание ферритов в вакууме влияет на их электросопротивление и некоторые другие характеристики [1]. Уменьшение электросопротивления можно объяснять потерей кислорода ферритовым материалом и, как результат, появление дополнительного количества ионов Fe²⁺. Это подтверждается результатами дополнительных химических исследований: исходный феррит содержал 0,11-0,17% Fe²⁺, после нагревания при 1173 К – 1,47-1,59% Fe²⁺. Наблюдается увеличение доли катионов Fe²⁺ и электропроводности феррита. Необходимо отметить, что повторное нагревание на воздухе фактически восстанавливает электропроводность, что объясняется возвратом кислорода в структуру феррита. Все эти выводы справедливы для классических режимов диффузионной сварки (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости прочности соединений

феррограната З0СЧ6 + медь МБ (1 - от температуры; 2 - от сварочного давления; 3 - от времени изотермической выдержки)

Таблица

Температура сварки и прочностные характеристики материалов

Материал	Температура сварки		Прочность соединения, МПа
	Абсолютная, К	Гомологическая, Тсв/Тпл
Pb - Al2O3	563	0,94	56
Al - Al2O3	893	0,96	95
Cu - Al2O3	1298	0,96	153
Cu - Y2,22 Cd0.75 O12 (феррогранат)	1298	0,96	65
Cu - ультрафарфор	1303	0,96	120
УФ46	1313	0,97	180
Cu - ВК94-2	1623	0,94	200
Ni - Al2O3	1647	0,89	220
Fe - А12O3	893	0,96	180
АМц-ВК94-1, АМц-ВК100-2	893	0,96	70

Выводы:

Соединение феррограната 30СЧ6+медь МБ с высокой прочностью могут быть получены при температуре 1190÷1210 К, давлении 16÷20 МПа, времени 17÷19 мин. (табл.) [2].

Литература

1. Куц, Л.Е. Влияние термовакуумной обработки на свойства ферритовых материалов / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, Г.В. Конюшков // Вакуумная техника и технология, Санкт-Петербург, июнь 2011 г. Т.21 №2. С.74.

2. Куц, Л.Е. Изменение свойств ферритовых материалов при нагреве в вакууме /Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, В.Г. Конюшков //Вакуумная техника и технология, Санкт-Петербург. 2011. Т.21 №4. С.237-238.