способ изготовления металлостеклянных изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ, включающий формование по порошковой технологии стеклянной заготовки, ее сборку с металлическим корпусом и по крайней мере одним тоководом, нагрев узла в печи до температуры спаивания стекла с металлом, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение, отличающийся тем, что охлаждение ведут принудительно с наружной поверхности корпуса узла со скоростью 20 - 60 град./мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления металлостеклянных изделий, преимущественно для электротехнической промышленности, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенных электрической и механической нагрузки, таких как штеккерные соединения, разъемы, гермовводы, проходные изоляторы и т.п.

Известен способ соединения стекла с металлом, включающий получение по порошковой технологии стеклянной заготовки, ее сборку с металлическими корпусами и тоководом, нагрев полученного узла в печи до температуры спаивания стекла с металлом, выдержку при этой температуре и охлаждение без выемки из печи со скоростью 2-3^о С/мин до 200-250^оС, а затем вместе с выключенной закрытой печью [1]

В этом способе в качестве материала токовода взят кобальт-железоникелевый сплав (ковар), температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого весьма близок к ТКЛР используемого стекла, т.е. соблюдается известный основополагающий принцип равенства или близости ТКЛР металла и стекла, соединяемых методом непосредственного спаивания. Тем самым обеспечивается высокое качество металлостеклянного соединения.

Однако в случае выбора в качестве материала токовода более предпочтительных по электро- и теплофизическим свойствам металлов с относительно высоким значением ТКЛР, значительно превышающим ТКЛР употребимого стекла, например, меди и ее сплавов, высокое качество металлостеклянного соединения уже не достигается. Кроме того, вследствие относительно низкой скорости охлаждения мала производительность процесса.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления металлостеклянных изделий, включающий получение по порошковой технологии стеклянной заготовки, не сборку с металлическими корпусами и тоководами, нагрев полученного узла в печи до температуры спаивания стекла с металлом, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение [2] Его ведут со скоростью 140-180^оС/мин до температуры кристаллизации стекла 680-720^оС, а затем после дополнительной выдержки при этой температуре помещают узел в другую печь с температурой 250-450^оС и окончательно охлаждают вместе с выключенной закрытой печью. В качестве материала как корпуса, так и тоководов взята нержавеющая сталь, ТКЛР которой близок к ТКЛР используемого стекла.

Способ-прототип более производителен по сравнению с известным способом, но для крупносерийного или массового промышленного производства его производительность все же недостаточна, так как общее время цикла остается относительно большим. При этом, в случае использования тоководов из меди и ее сплавов, данный способ также не позволяет достигнуть высокого качества соединения металла со стеклом, оцениваемого обычно как плотность такого соединения под действием повышенного давления и вакуума (вакуумная плотность).

Технический результат изобретения состоит в улучшении качества и повышении производительности процесса изготовления металлостеклянных изделий, в особенности имеющих тоководы из меди, ее сплавов и других металлов с относительно высоким значением ТКЛР.

Для этого в способе изготовления металлостеклянных изделий, включающем формование по порошковой технологии стеклянной заготовки, ее сборку с металлическим корпусом и по крайней мере одним тоководом, нагрев полученного узла в печи до температуры спаивания стекла с металлом, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение узла, охлаждение ведут принудительно с наружной поверхности корпуса узла со скоростью 20-60^оС/мин.

Благодаря выбранному приему охлаждения в способе согласно изобретению целенаправленно создают условия управления температурным градиентом в радиальном сечении охлаждаемого узла, а именно таким образом, чтобы температурный градиент в области контакта стекла с корпусом заведомо превышал температурный градиент в области контакта стекла с тоководами. При этом стекло как в пластическом состоянии, так и после пристенной, а затем и полной кристаллизации, подтверждается воздействию напряжений сжатия, создаваемых более интенсивно охлаждающимся корпусом, материал которого имеет значительно большие по сравнению со стеклом коэффициент теплопроводности и ТКЛР. В то же время напряжения растяжения в области контакта стекла с тоководами, обусловленные разницей в ТКЛР стекла и металла тоководов, имеют пониженный уровень благодаря меньшему температурному градиенту в этой области и при этом компенсируются напряжениями сжатия в стекле, создаваемыми корпусом. Тем самым обеспечиваются благоприятные условия для протекания диффузионных процессов спаивания стекла с металлом как корпуса, так и тоководов, а также достигается возможность значительного повышения скорости охлаждения узла до нормальной температуры по сравнению с традиционными способами. Это способствует повышению качества соединения стекла с металлом и соответственно металлостеклянных изделий. Кроме того, благодаря выбранной скорости охлаждения в пределах 20-60^оС/мин вплоть до нормальной температуры уменьшается продолжительность охлаждения, что сокращает время цикла и соответственно повышает производительность процесса.

На чертеже представлен изготавливаемый металлостеклянный узел с технологической оснасткой.

Способ изготовления металлостеклянных изделий включает формование по порошковой технологии стеклянной заготовки 1 в виде спрессованной таблетки с необходимыми отверстиями, ее сборку с металлическими корпусом 2 и тоководами 3 с использованием технологической оснастки в виде разъемного графитового контейнера 4, нагрев полученного узла в печи до температуры спаивания узла стекла с металлом, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение узла.

Согласно изобретению по окончании выдержки при температуре спаивания стекла с металлом узел извлекают из печи, помещают в охлаждающую среду и ведут принудительный локальный съем тепла преимущественно с наружной поверхности корпуса 2 узла. Скорость охлаждения может быть выбрана относительно малой в традиционных пределах, например до 20^оС/мин, при этом достигаемое улучшение качества соединения стекла с металлом может не сопровождаться одновременным повышением производительности процесса, но это уже может быть приемлемым в конкретных случаях применения способа согласно изобретению, например, в экспериментальном, мелкосерийном и подобном производстве. В крупносерийном и массовом производстве целесообразно выбрать скорость охлаждения в пределах 20-60^оС/мин, при которой продолжительность охлаждения заметно и значительно сказывается на общем времени цикла, способствуя повышению производительности процесса. Скорость охлаждения более 60^оС/мин нецелесообразна, так как, например, при 70^оС/мин возрастает выход брака по критерию вакуумной плотности (см.таблицу). Для достижения гарантированного качества соединения стекла с металлом при одновременном существенном сокращении продолжительности охлаждения и общего времени цикла предпочтительна скорость охлаждения в пределах 30-50^оС/мин.

Узел или партию узлов, собранных из стеклянной заготовки 1, корпуса 2 и тоководов 3 в контейнере 4 с использованием при необходимости слюдяной подкладки 5, помещают на поддоне или подобном приспособлении в печь с нейтральной атмосферой, нагретую или нагреваемую до рабочей температуры спаивания стекла с металлом (см.таблицу), и выдерживают при этой температуре в течение 30-60 мин, в зависимости от параметров печи и объема партии. По истечении этого времени выдеpжки поддон с контейнерами извлекают из печи и, не раскрывая контейнеров, помещают в охлаждающую среду, в простейшем случае в окружающее воздушное пространство с нормальной температурой (20-25^оС). Принудительный локальный съем тепла ведут преимущественно с открытой наружной поверхности корпуса 2 путем контролируемого обдува окружающим воздухом или другим хладагентом до достижения корпусом 2 нормальной температуры. После этого контейнеры могут быть открыты для выравнивания температуры по объему изделия и окончательного остывания. Ниже представлены основные параметры процесса (см. таблицу):

Партия 1.

Корпус: нержавеющая сталь 36 Н ХТЮ.

ТКЛР 140 х 10^-7 1/град;

Стекло: ТКЛР 100 x 10^-7 1/град.

Тоководы: медь, ТКЛР 170 х 10^-7 1/град.

Температура нагрева печи: 1000-1050^оС.

Выдержка в печи: 60 мин.

Партия 2.

Корпус: нержавеющая сталь 12Х18 Н10Т.

ТКЛР 170 х 10^-7 1/град.

Стекло: ТКЛР 100 х 10^-7 1/град.

Тоководы: медный сплав, ТКЛР 190 х 10^-7 1/град.

Температура нагрева печи: 780-800^оС.

Выдержка в печи: 30 мин.

Партия 3.

Корпус: алюминиевый сплав, ТКЛР 230 x х 10^-7 1/град.

Стекло: ТКЛР 100 х 10^-7 1/град.

Тоководы: медь, ТКЛР 170 х 10^-7 1/град.

Температура нагрева печи: 540-560^оС.

Выдержка в печи: 40 мин.