Способ диффузионной сварки стали с керамикой

 

Изобретение относится к диффузионной сварке керамики с металлами и может быть использовано в авиационной, оборонной и электронной областях промышленности для создания высокотемпературных металлокерамических узлов и деталей повышенной прочности. Цель изобретения - повышение прочности сварного соединения. Способ осуществляют следующим образом. На свариваемую поверхность керамики наносят порошок оксида железа, детали размещают в саврочной камере, заполняют ее проедварительно инертным газом, нагревают до 1273-1473 К и осуществляют первую изотермическую выдержку в течение 15-30 мин. Затем детали охлаждают до 673-873 К, камеру заполняют восстановительным газом и осуществляют вторую изотермическую выдержку в течение 10-20 мин. Затем детали сдавливают, нагревают до 1273- 1473 К и осуществляют изотермическую выдержку в течение 30-40 мин. После сварки детали охлаждают и извлекают из камеры. В процессе изотермических выдержек на поверхности керамики образуются два слоя: прилегающей к керамике слой, состоящий из ковалентно связанной с керамикой железоалюминиевой шпинели, а другой - из пленки восстановительного железа в активном состоянии. (Л С

СОЮЗ COBETCKPIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 В 23 К 20/16

ГОСУДАР СТ В Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4651523/27 (22) 16.02,89 (46) 07.02.91. Бюл. ¹ 5 (71) Московский авиационный технологический институт им. К.Э.Циолковского (72) А.А.Жарких, В.А.Бачин, Л.И,Боброва, И.Е.Тихонова, А,В.Сергеев и Г,П.Полушкин (53) 621.791.66(088.8) (56) Sakata Klmlko et al. J.Jap. Jîst. Metals, 1985, 49, № 7,р. 540-546. (54) СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

СТАЛИ С КЕРАМИКОЙ (57) Изобретение относится к диффузионной сварке керамики с металлами и может быть использовано в авиационной, оборонной и электронной областях промышленности для создания высокотемпературных металлокерамических узлов и деталей повышенной прочности. Цель изобретения — повышение прочности сварного соединения.

Способ осуществляют следующим образом.

Изобретение относится к диффузионнОй сварке керамики с металламии может быть использовано в авиационной, оборонной и электронной областях промышленности для создания высокотемпературных металлокерамических узлов и деталей повышенной прочности.

Целью изобретения является повышение прочности сварного соединения.

Способ осуществляют следующим образом.

На свариваемую поверхность керамики наносят порошок оксида железа, детали размещают с зазором в сварочной камере, заполняют ее инертным газом, нагревают

„„ Д „„1625626 А1

На свариваемую поверхность керамики наносят порошок оксида железа, детали размещают в саврочной камере, заполняют ее проедварительно инертным газом, нагревают до 1273-1473 К и осуществляют первую иэотермическую выдержку в течение 15 — 30 мин. Затем детали охлаждают до 673-873 К, камеру заполняют восстановительным газом и осуществляют вторую иэотермическую выдержку в течение 10 — 20 мин. Затем детали сдавливают, нагревают до 1273—

1473 К и осуществляют изатермическую выдержку в течение 30 — 40 мин. После сварки детали охлаждают и извлекают из камеры, В процессе иэотермических выдержек на поверхности керамики образуются два слоя: прилегающей к керамике слой. состоящий из ковалентно связанной с керамикои железоалюминиевой шпинели, а другой — иэ пленки восстановительного железа в активном состоянии. детали до 1273 — 1473 К и осуществляют первую выдержку в течение 15-30 мин, Затем детали охлаждают до 673-873 К, камеру заполняют восстановительным газом и осуществляют вторую изотермическую выдержку в течение 10 — 20 мин. Затем детали сдавливают, нагревают до 1273 — 1473 К и осуществляют третью иэотермическую выдержку в течение 30 — 40 мин. После сварки детали охлаждают и извлекают из кемеры.

Изотермическая выдержка деталей в разведенном состоянии в инертной среде обеспечивает получение прочного сцепления между керамикой и материалом промежуточного слоя — оксида железа.

1625626

Соединение образуется в результате протекания между свариваемыми материалами химического взаимодействия с образованием общего для соединяемых материалов реакционного слоя, состоящего из железоалюминиевой шпинели FeAI204. Благодаря образованию нового химического соединения контактные поверхности керамики и промежуточного слоя оказываются связанными между собой прочной химической связью ковалентного типа.

Иэотермическая выдержка в восстановительной атмосфере позволяет восстановить непрореагировавший с керамикой оксид железа до свободного железа, После проведения двухстадийной изотермической выдержки на поверхности керамики образуются два переходных слоя: прилегающий к керамике слой состоит из ковалентно связанной с керамикой железоалюминиевой шпинели, а другой — из пленки железа в активном состоянии. Это способствует интенсификации процессов диффузионного взаимодействия в контакте сопрягаемых материалов, а следовательно, и повышению прочности соединения.

Проведение изотермической выдержки в инертной газовой среде при температуре ниже 1273 К и времени иэотермической выдержки менее 15 мин нецелесообразно изза малой скорости взаимодействия оксида железа с основным компонентом керамики— оксидом алюминия в указанных температурно-временных условиях.

Повышение температуры вжигания выше 1473 К и выдержке более 30 мин нецелесообразно по экономическим соображениям, поскольку не приводит к сколько-нибудь заметному увеличению прочности соединения, Процесс восстановления оксида железа до металла осуществляют в течение 10 — 20 мин в интервале температур 673 — 873 К, Уменьшение прочности соединения при проведении иэотермической выдержки в восстановительной среде при температуре ниже 673 К и времени изотермической выдержки менее 10 мин объясняется незавершенностью процесса восстановления оксида железа. При температуре выше 873 К и времени выдержки более 20 мин прочность соединения не повышается.

Пример. Соединяли сталь марки Ст85 с высокоглиноземистой керамикой ВК94 — 1.

Подлежащую соединению поверхность металла механически обрабатывали до чистоты обработки Ri = 2,5, обеэжиривали ацетоном и высушивали сжатым воздухом, очищенным nr следов влаги и масел.

Керамику ВК94-1 в виде цилиндров

Qh=-5, 82=20 и h = 50 мм шлифовали до шероховатости И = 5 мкм, обрабатывали в ультразвуковойй ванне в горячем мыльном

5 растворе, промывали дистиллированной водой и высушивали при 383 К в вакуумном шкафу. Выдерживали керамику в растворе плавиковой кислоты в течение 30 мин, промывали и высушивали, На свариваемую по10 верхность керамической детали наносили слой пасты толщиной 40 мкм, состоящей иэ порошкообразного оксида железа и связующего, В качестве связующего использовали спирт, ацетон, четыреххлористый углерод и

15 другие вещества. Высушивали нанесенный слой при 353 К в течение 1 ч, затем повышали температуру до 423К и выдерживали еще в течение 30 мин. Подпрессовывали подсушенный слой усилием, обеспечивающим

20 получение удельного давления сжатия

2,5 кгс/мм .

Подготовленные укзанным способом детали собирали в сварочном приспособлении, помещали в сварочную камеру и фикси25 ровали их в таком положении. чтобы до приложения давления они находились в разведенном состоянии на расстоянии 5 мм одна от другой. Сварочную камеру вакуумировали до разрежения 5 10 мм рт.ст., 30 затем заполняли инертным газом-аргоном.

Керамику нагревали до 1273 К и выдерживали при этой температуре в течение 15 мин.

Охлаждали керамику со скоростью

5 К/мин до 673 К, меняли газовую среду

35 сварки на восстановительную путем заполнения камеры водородом и производили изотермическую выдержку при указанной температуре в течение 10 мин, Далее температуру повышали в зоне со40 единения до 1273 К, соединяемые детали с помощью верхнего штока установки приводили в контакт, прикладывали к ним давление сжатия и производили иэотермическую выдержку в течение 30 мин.

45 Сварной узел охлаждали под давлением со скоростью 5 К/мин до 573 К, затем отключали нагрев и сварное изделие охлаждали вместе с установкой. По достижении температуры 343 К открывали камеру и извлекали

50 сварное иэделие.

Механические испытания показали, что прочность металлокерамического соединения составляет 136 МПа, т,е. находится на уровне прочности керамики.

55 Формула изобретения

Способ диффузионной сварки стали с керамикой, при котором на свариваемую поверхность керамики наносят порошок оксида железа, детали размещают в сварочной камере, создают в ней восстанови1625626

Составитель В. Петросян

Редактор О. Юрковецкая Техред М,Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 248 Тираж 517 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 тельную среду, нгаревают до температуры

1273-1473 К, сдавливают и осуществляют изотермическую выдержку в течение 30 — 40 мин с последующим охлаждением, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения прочности соединения, детали устанавливают с зазором, камеру предварительно заполняют инертным газом и осуществляют первую изотермическую выдержку в течение 15 — 30 мин. затем детали охлаждают до температуры 673 — 873 К, камеру заполняют

5 восстановительной средой и осуществляют вторую иэотермическую выдержку в течение 10-20 мин.