Способ изготовления термокатода для электронного прибора и состав припоя для изготовления термокатода

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении термокатодов для электронных приборов специального и бытового назначения. Сущность изобретения заключается в том, что соединение пористой губки из тугоплавкого металла с корпусом пайкой проводят припоем, содержащим W, Co и Mo при температуре (1400 - 1450)^oC_ярк, причем перед пайкой губку подпрессовывают к припою. 2 с.п. ф-лы, 3 табл.

Группа изобретений относится к электронной технике, в частности к способам изготовления термокатодов для электронных приборов специального и бытового назначения.

Известны способ изготовления катодного узла на основе металлопористого катода и состав припоя для его осуществления [1] Способ включает прессование и спекание вольфрамового порошка в виде стержня диаметром 50 мм, пропитку его медью, нарезание тонких дисков и удаление меди нагревом в водороде. Затем с помощью высокотемпературного припоя припаивают к одной поверхности диска катодные гильзы из молибдена, а на другую поверхность диска наносят смесь BaCO₃, CaCO₃, Al₂O₃, которую расплавляют в водороде для пропитки диска, после чего из диска вырезают гильзы с пропитанными торцевыми частями катода диаметром 1,5 мм. Припой содержит 60% Mo и 40% Ru.

Недостатками этого способа являются сложность и трудоемкость указанных технологических операций, возможность проникновения припоя в еще незаполненные активным веществом поры вольфрамового диска при пайке.

Известны способ изготовления катода и припой для его осуществления [2] В способе пористую вольфрамовую заготовку пропитывают алюминатом бария-кальция, затем проводят пайку керна и эмиттера в вакууме при температуре 1450^oC с помощью никеля, который предварительно наносят в два слоя толщиной по 3 мкм на поверхность молибденового керна, прилегающего к эмиттеру, отжигая покрытие в водороде после нанесения каждого слоя. Кроме того, между керном и эмиттером в специальную канавку укладывают дополнительно никелевую фольгу. После пайки производится окончательная обработка эмиттера на токарном станке.

В этом способе не происходит проникновение припоя в пористый вольфрам, т.к. поры перед пайкой были заполнены активным веществом. Однако использование в качестве припоя никеля требует защиты места пайки специальными экранами для устранения запыленности электродов электронного прибора никелем при рабочих температурах металлопористого катода выше 950^oC. Также следует отметить, что никель не вполне подходящий материал для пайки деталей из молибдена и вольфрама, так как хорошо известно, что он способствует их рекристаллизации, являясь причиной охрупчивания и уменьшения пористости изделий порошковой металлургии за счет укрупнения зерен. Кроме того, описанный способ также очень трудоемок, требует сложной подготовки керна перед пайкой с эмиттером.

Известны способ изготовления металлопористого катода и состав припоя для его реализации [3] в котором пропитанная активным веществом вольфрамовая губка соединяется с молибденовым керном катода припоем, представляющим собой молибденовый порошок, покрытый никелем, количество которого составляет 1 3% к весу припоя.

Однако этот способ также технологически сложен и не обеспечивает хорошей воспроизводимости по прочности соединения эмиттера с корпусом.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому способу являются способ изготовления металлопористого термокатода и состав припоя для его осуществления [4] в котором прессуется одно- или двухслойная губка из вольфрамового порошка, которая спекается в водороде и пропитывается активным веществом, после чего механически обрабатывается и с помощью припоя, состоящего из 75% Co и 25% W, паяется с корпусом в водороде при (1500 + 20)^oC_ярк. Спаянные детали протачиваются до размеров готового катода.

Недостатком указанного способа является сложность обеспечения очень точного соблюдения указанной температуры пайки. Температурный интервал пайки соизмерим с точностью определения температуры широко используемым в производстве пирометром "Проминь". При более низкой температуре соединение деталей оказывается недостаточно прочным, а при более высокой температуре возможно испарение активного вещества из пор губки, что проводит к уменьшению запаса активного вещества в катоде и к частичному замещению выплавленного активного вещества припоем. К недостаткам припоя относится высокая температура его плавления.

Задача изобретения заключается в устранении испарения активного вещества из пор губки и исключении заполнения освободившихся пор припоем в процессе пайки. Это достигается снижением температуры пайки путем разработки нового припоя с температурой плавления (1400 + 20)^oC_ярк, состоящего из элементов с низкой скоростью испарения, при температуре работающего катода (1100^oC_ярк) для создания надежных вакуумных условий.

Авторами впервые предложено выполнять операцию пайки пропитанного активным веществом эмиттера металлопористого катода с корпусом из тугоплавкого металла припоем из смеси W, Co и Mo с низкой скоростью испарения компонентов (10^-8 г·см²/сек) при рабочих температурах металлопористого катода (табл. 1), обладающего температурой пайки 1400 1450^oC, что на 70 100^oC ниже известного припоя на основе W + Co.

Способ осуществляется следующим образом.

По известной технологии изготавливают одно- или многослойную губку из тугоплавких металлов или их смесей, или смесей тугоплавких металлов с металлами платиновой группы пористостью 18 28% пропитывают губку активным веществом, удаляют невпитавшийся материал с поверхности губки механическим способом, придавая ей при этом определенные геометрические размеры, приготавливают припой для пайки путем смешивания порошков кобальта (II, III), окиси вольфрама и молибдена и восстановления смеси в водороде при температуре 800 850^oC, помещают припой на дно камеры в корпусе катода, подпрессовывают припой в камере, устанавливают пропитанную губку в корпус на спрессованный припой, подпрессовывают губку к припою и проводят соединение губки с корпусом пайкой в водороде при 1400 1450^oC 4 6 минут, после чего проводят механическую обработку губки и корпуса до размеров готового катода.

Подпрессовывание губки к припою и корпусу способствует образованию после пайки между торцевыми поверхностями губки и корпуса зазора, заполненного припоем, не более 0,1 мм. Количество необходимого припоя рассчитывается, исходя из величины зазоров между корпусом и губкой при полном заполнении их литым припоем.

Использование припоя с более низкой температурой плавления нецелесообразно, т. к. при термической активировке металлопористых катодов при 1200 1250^oC_ярк будет происходить активное пыление припоя, что отрицательно скажется на эмиссионных свойствах катода и приведет к запылению электродов электронных приборов. Применение в технологии изготовления металлопористого катода операции пайки с температурой выше 1450^oC снижает эмиссионную надежность катода из-за возможности потери активного вещества и замещения его материалом припоя.

В таблице 2 приведен результат визуального контроля поверхности молибденовых пластин, на которые укреплялись вольфрамовой проволокой пропитанные активным веществом губки и проводился отжиг пластин с губками в водороде при температурах от 1420 до 1570^oC, имитируя процесс пайки в катодах. Из таблицы 2 видно, что при температурах выше 1450^oC, особенно выше 1520^oC, на пластинах наблюдаются следы испарения активного вещества катодов в виде колец напыления разной плотности, т.е. с целью устранения потери активного вещества при пайке губки катода с корпусом целесообразно проводить пайку при температуре ниже 1460^oC_ярк.

Новый припой с температурой плавления (1400 + 20)^oC_ярк разрабатывался путем легирования известного припоя, состоящего из 75% Co и 25% W, молибденом. Mo выбран исходя из того, что он так же, как Co и W, имеет низкую скорость испарения при температуре работающего катода (табл. 1) и в составе с кобальтом 37% Mo + 63% Co образует эвтектику с температурой плавления 1340^oC_ярк.

Из табл. 3 видно, что частичная замена вольфрама в припое состава 75% Co и 25% W на молибден вплоть до соотношения W Mo 50 50 приводит лишь к незначительному снижению температуры плавления припоя на 30^oC. Изменение в составе припоя количества кобальта от 75 до 45% при равном соотношении W и Mo приводит к получению припоя с минимальной температурой плавления 1430^oC при наличии 55% Co. Следует отметить, что в системе W Co количество Co 55% соответствует эвтектическому составу (55% Co 45% W) с температурой плавления 1495^oC_ярк. Для дальнейшего снижения температуры плавления до (1400 + 20)^oC_ярк повышено содержание молибдена в припое с 55% Co и вольфрамом до 23% для T_пл 1420^oC и до 25% для T_пл 1400^oC (табл. 3). Таким образом, получен искомый состав припоя 55% Co 23 25% Mo 20 22% с T_пл (1400 + 20)^oC_ярк, который может быть использован для пайки металлопористых пропитанных активным веществом таблеток с корпусами при температуре 1400 1450^oC_ярк с учетом перегрева на 30^oC относительно температуры плавления припоя.

Припой удовлетворительно растекается по молибдену, коэффициент растекания равен 0,06 (k_раст отношение площади исходного к площади растекшегося припоя). Припой изготавливают путем смешивания порошков кобальта (II, III) окиси, вольфрама и молибдена и восстановления смеси в водороде при температуре 800 850^oC.

Пример исполнения способа.

Были изготовлены вольфрамовые губки с пористостью 25% пропитанные аглюминатом 3BaO·0,5CoO·Al₂O₃, размер губок: ⊘ 1,4 мм, высота 0,6 мм. Параллельно 10 губок были впаяны в молибденовые корпуса катодов при температуре пайки (1500 + 20)^oC_ярк припоем (75% Co + 25% W) и 10 губок впаяны в корпуса катодов при температуре (1400 - 1450)^oC_ярк припоем на основе смеси 20% W + 55% Co + 25% Mo.

После пайки катоды дорабатывались механически до размеров готового катода. Перед пайкой во вторую камеру корпуса закреплялся с помощью изоляционного состава подогреватель. Катоды, изготовленные известным и предлагаемым способами, были испытаны на эмиссионную способность. Критерием годности являлось значение характеристической температуры T₉₀, для годных катодов оно не должно превышать 1000^oC_ярк при отборе с катода 1 А/см². В результате измерений получено, что 100% катодов, изготовленных предлагаемым способом при пайке в диапазоне температур (1400 - 1450)^oC_ярк, имели характеристическую температуру (970 - 990)^oC_ярк, тогда как при использовании известного способа пайки при (1500 + 20)^oC_ярк разброс характеристической температуры составлял (970 1020)^oC_ярк, при этом у 20% катодов T₉₀ превышала норму. При металлографическом анализе в поверхностном слое губок последних катодов обнаружены следы припоя W + Co.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления металлопористого катода позволяет повысить эмиссионную надежность катода и прибора в целом.

Формула изобретения

1. Способ изготовления термокатода электронного прибора, включающий формирование одно или многослойной пористой губки из тугоплавких металлов или их смесей, введение в поры губки эмиссионно-активного вещества, соединение губки с корпусом пайкой припоем на основе W и Co, протачивание губки с эмиттирующей поверхности до размеров готового катода, отличающийся тем, что перед пайкой подпрессовывают губку к припою и паяют губку с корпусом при 1400 1450^oС_ярк припоем, в состав которого введен Mo при следующем соотношении компонентов, мас.

W 20 22 Co 55 Mo 23 25.

2. Состав припоя для изготовления термокатода электронного прибора на основе W и Co, отличающийся тем, что в него введен Mo при следующем соотношении компонентов, мас.

W 20 22 Co 55 Mo 23 25.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2