Технология пайки неметаллических материалов. Пайка металлов с неметаллами

Пайка является уникальным и часто единственным способом соединения металлов с неметаллами и неметаллов между собой. В результате взаимодействия неметалла (стекла, керамики, полупроводников, ферритов, графита, алмаза) с металлом (припоем) образуется металло-неметаллический спай.

Пайку металла со стеклом используют при изготовлении разного рода вакуумных приборов (гермовводов, смотровых окон), при изготовлении ламп накаливания (от миниатюрных до мощных генераторных), в производстве крупных зеркал оптических приборов, для облицовки внутренних частей труб нефтепроводов. Соединение кварца с металлом (с нержавеющей сталью, коваром и др.) используют при производстве электрических кварцевых резонаторов. Пайкой можно успешно соединять металлы с полупроводниками, что является значительным её преимуществом перед другими способами соединения, особенно когда необходим контакт на большой площади. Пайку полупроводников применяют при внутреннем монтаже приборов (припайка токоотводов, напайка перехода на кристаллодержатель) и при наружном монтаже - припайка внешних выводов, герметизация.

Соединения графита с графитом и металлами используют в различных конструкциях – в соединениях электродов дуговых печей, крупногабаритных анодов ртутных выпрямителей, нагревателей шахтных печей, высокотемпературных теплообменников, длинномерных нагревателей, лодочек для выплавки металлов, и т.д. Пайка является наиболее технологичным и экономически выгодным методом соединения графитовых материалов, позволяет получать высокопрочные, электропроводные и герметичные соединения.

Соединения графита со сталью используются в узлах крепления графитовых катодов и анодов к токопроводящим медным или алюминиевым шинам металлургических печей и электролизных ванн для выплавки цветных металлов, торцовых уплотнителей, подпятников, радиальных и упорных подшипников аппаратов, работающих в среде жидких углеводородов, теплообменников ядерных реакторов – (графитовые трубы паяют с трубными досками из коррозионно-стойкой стали), в узлах сочленения камер сгорания с металлической арматурой.

Пайку графита с медью используют при производстве щеток электродвигателей, токосъёмных устройств; соединение графита с титаном используется при креплении графитовых узлов торцовых уплотнителей в титановой обойме, и в качестве промежуточного слоя при соединении графита со сталью.

Соединения металлов с оксидными фазами (стеклом, керамикой, ферритами) возможно по следующим трем технологическим схемам:

1. Врезультатевведения расплавленного припоя непосредственно на соединяемую поверхность неметаллического материала. При взаимодействии в процессе пайки расплавов металлов с оксидными системами смачивание окисла припоем и адгезия возрастает с повышением сродства металла к кислороду. Химически активные к кислороду металлы Ti, Zr, Al, Si, Mn хорошо (с малым краевым углом смачивания) смачивают поверхность окислов Al₂O₃, BeO, MgO. Используют серебряные припои, содержащие Ti u Zr (25-50%), которые способны одновременно смачивать поверхность металла и неметалла.

2.Вторая группа технологических процессов соединения металлов с неметаллами (стеклом, керамикой) состоит в том, что на неметаллический материал перед пайкой путём вжигания (серебра или платины), металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слой металла. Спай образуется при предварительном покрытии неметалла слоем металла, т.е. при пайке по металлопокрытиям.

Для нанесения металлического слоя стеклянную деталь покрывают суспензией порошка металла или соединений металла, например, хлористой платины или окиси серебра, и нагревают для получения прочно сцепленной со стеклом плёнки металла.

Далее выполняется пайка с использованием припоев системы Sn-Pb, в качестве флюса применяют водный раствор хлористого цинка. Если спай предназначен для работы при высоких температурах, в качестве припоев применяют серебро, медь или сплавы на их основе. Металлическое покрытие в этом случае должно быть особо прочно связано со стеклом. Перед нанесением металлического покрытия стекло следует очистить от загрязнений и оксидных плёнок.

При пайке необходимо избегать перегрева, чтобы металлическая плёнка на стекле не растворилась в припое.

3. Третья технологическая схема соединения металла с неметаллами состоит в применении переходных слоёв из неметаллического материала, с пай образуется при использовании легкоплавкого стекла, глазури, эмали, предварительно нанесенных на металл с использованием стеклоприпоев.

В таких соединениях опасность образования трещин уменьшается, т.к. напряжения в спае металл-стекло значительно ниже, чем при пайке без переходного слоя.

Стеклоприпои представляют собой смеси окислов металлов с необходимым коэффициентом температурного расширения. При пайке стеклоприпоем образуется тонкая плёнка окислов, которая способствует хорошему сцеплению припоя с керамикой и металлом.

Для пайки в окислительной атмосфере пригодны припои систем: