36.1-3. Керамика
К традиционной керамике относят изделия из глины и кремнезема, которые являются основными компонентами керамики, фаянса, фарфора, эмалей и
других материалов.
В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной керамикой
широко используют |
в промышленности несколько групп новых материалов: |
|
1. |
Керамика чистых оксидов на основе AI2O3 (корунды), БЮг, ZrC>2, |
|
Th0 2 t |
BeO, MgO, |
а также шпинель (MgAfoO^ и форстерит Mg2Si0 4 |
(табл. |
36.4). |
|
2 . Бескислородная керамика на основе нитридных и карбидных соедине ний (SiaN4, SiC, TiC и др.), а также комбинированная керамика на основе
оксикарбидов и оксинитридов (миалоны и др.).
3. Магнитная керамика, основа которой — оксиды Fe20 3, MnO, NiO
(ферриты).
4. Пьезокерамика на основе титаната, цирконата свинца (ЦТС-19). Кроме того, промышленность постоянно разрабатывает новые виды ке
рамических материалов. Наиболее распространенной керамикой являются разные марки керамики на базе оксида алюминия, так называемые высоко глиноземистые керамики. Так, на основе оксида алюминия разработана боль шая группа керамических материалов (табл. 36.4).
Керамика относится к хрупким материалам, поэтому ее реальная проч ность примерно на три порядка меньше теоретической. Прочность керами
ческих материалов определяется их составом |
и микроструктурой (табл. |
||||||||||
36.5). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А |
36.4 |
|
ХИМИЧЕСКИЙ |
СОСТАВ КОРУНДОВЫХ |
МАТЕРИАЛОВ |
[2], % |
|
|||||||
М арка |
А1,Оа |
SiOa |
Fe.Oa |
CaO |
MgO BaO |
NaaO |
KaO |
Cr3Oa |
MnO |
B2Oa |
|
В К 94-1 |
9 5 ,1 4 |
2 ,5 0 |
0 ,0 3 |
|
|
|
0 ,2 0 |
|
0 ,4 8 |
1,96 |
|
М 7 м и н ал у н д |
93 ,9 6 |
3,9 4 |
0,03 |
2,07 |
— |
— |
0,04 |
— |
— |
— |
— |
С апф ири т |
98 ,0 |
— |
— |
— |
0 ,5 |
— - |
— |
— |
— |
— |
1,5 |
В К 100 -2 |
9 9 ,8 |
— |
— |
— |
0 ,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
П ол и кор |
9 9 ,7 |
|
— |
— |
0 ,3 |
— |
— |
— |
— |
~~L~ |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А |
36.5 |
|
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ [2] |
|
||||||||||
|
Температура |
Прочность |
|
Прочность |
|
Температурный |
|||||
Материал |
размягчения |
|
|
коэффициент |
|||||||
стеклофазы, |
на растяжение, |
на сжатие, |
|
линейного |
|||||||
|
К |
|
МПа, 293 К |
МПа, 293 К |
расширения |
*10“7, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
293-1073 К |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
BK94-1 |
1123-1173 |
130,0 |
|
|
1100,0 |
|
62-78 |
|
|||
M7 |
1373-1473 |
|
85,0 |
|
|
— |
|
61—78 |
|
||
Сапфирит |
— |
|
|
— |
|
|
— |
|
62—85 |
|
|
ВК94-1 |
— |
|
100,0 |
|
|
980,0 |
|
62—78 |
|
||
Поликор |
— |
|
|
— |
|
|
— |
|
69—83 |
|
|
36.1.4. Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой
При правильном конструировании сварного узла температурные коэффици енты линейного расширения (ТКЛР) стекла, керамики и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, возника ющие при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко для соединения со стеклом и керамикой ис пользуют железоникелевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь, а из чистых металлов Си, Ni, Ti, Al, Mo, Wi и некоторые другие. Основные свойства металлов, которые могут быть использованы при разработке металлокерами ческих и металлостеклянных узлов, приведены в табл. 36.6.
36.2. Свариваемость материалов
Способы сварки плавлением, как правило, непригодны ддя соединения металлов с керамическими и стеклообразными мате риалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. Наибольшую перспективу создания неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка
(ДС).
На свариваемость стекла, ситаллов и керамики с металлами существенное влияние оказывает их химический состав, струк-
Т А Б Л И Ц А 36.6
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СВАРКИ СО СТЕКЛОМ И КЕРАМИКОЙ [б]
|
|
|
Средний |
|
|
Металл |
Темпера |
ТКЛР |
Модуль |
Временное сопро |
|
в интервале |
|||||
или сплав |
тура плав |
293-473 К |
упругости |
тивление растя |
|
|
ления, |
к |
а-107, |
Е> 10-3, МПа |
жению, МПа |
|
|
|
град-1 |
|
|
Вольфрам |
3683 |
|
44,4 |
365—400 |
1800—4150 |
Молибден |
2933 |
|
55 |
280—330 |
700—1000 |
Тантал |
3269 |
|
65 |
186—190 |
1400—1800 |
Цирконий |
2225 |
|
60 |
90-100 |
250—1200 |
Титан |
1943 |
|
82 |
98—117 |
200—1000 |
|
450-1020 |
||||
Платина |
2044 |
|
90,7 |
100—175 |
140—370 |
Палладий |
1825 |
|
119 |
112—130 |
140—540 |
Железо |
1804 |
|
125 |
207-217 |
180—620 |
Никель |
1725 |
|
133 |
180—227 |
320—1000 |
Медь |
1356 |
|
165 |
117—130 |
160—500 |
Алюминий |
933 |
|
238 |
66—73 |
80—110 |
Платинит |
|
|
60—65 |
|
280—380 |
Нержавеющая |
|
|
80-100 |
|
|
сталь |
1698 |
|
173 |
190—200 |
560—630 |
0Х18Н10Т |
|
||||
Ковар 29НК |
1723 |
|
50 |
— |
540 |
тура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравно весных дефектов, а также ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов. Так, на свариваемость кера мики с металлами влияет ее микроструктура, т. е. увеличение размеров зерен керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению протяженности границ и, следовательно, участ ков наиболее активного взаимодействия.
Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки, соединение получается более прочным. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, например ВК100-2. с металлами, тре буются большие энергозатраты, чем для керамики с наличием •стеклофазы (RK94-1).
36.2.1. Природа и механизм образования соединения
Необходимым условием образования сварного соединения ме таллов со стеклом и керамикой является химическое взаимодей ствие [1], механизм которого зависит от свойств элементов. В ус ловиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):
Men°m + Me/C°L Me*Mey°z • |
( 1) |
аМе' + Ме”От ->- Ме'хО у + ЫЛе |
(2) |
По механизму реакции (1) |
взаимодействуют d-элементы пе |
риодической системы Менделеева, практически все переходные металлы и сплавы на их основе (Fe, Ni, Со, W, Мо, Мп и т. д.), а по схеме реакции замещения (2) взаимодействуют s- и р- элементы — непереходные металлы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому разработка технологии ДС стекла и керамики с металлами должна производиться как с учетом физико-хими ческих свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.
36.2.2. Причины образования дефектов
Наиболее распространенным дефектом металлостеклянных и металлокерамических узлов является образование трещин из-за высокого уровня остаточных напряжений, вызванных боль шим различием коэффициентов термического расширения соеди няемых материалов. Согласование теплового расширения соеди няемых материалов устраняет опасность возникновения терми ческих напряжений. Соединять материалы с несогласованными ТКЛР также возможно, но толщины металлической детали при этом сильно ограничены [1,2, 3].
поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа об работки, а к травлению прибегают только в случае необходимо сти изменения структуры поверхностного слоя.
36.3.2. Подготовка металлов к сварке
Химические активные металлы (s- и p-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керами кой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные ме таллы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед
•соединением со стеклом и керамикой проходят специальную об работку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности [1,3, 6].
36.3.3. Режимы сварки
При разработке технологии ДС стекла и керамики с метал лами широко используют промежуточные прокладки. Назначе ние прокладок главным образом сводится к снижению энерге тических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы Диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.
36.3.4. Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов
Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).
1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или ке рамику, Ири этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем