Стеклокомпозиционный материал
Использование: для низкотемпературного герметичного спаивания деталей из железа, углеродистой и нержавеющей стали, а также других материалов, обладающих температурным коэффициентом линейного расширения (100-170) 10-7 град-1. Сущность изобретения: стеклокомпозиционный материал содержит, мас.%: легкоплавкое стекло 73-89; кварц 11-27, причем стекло имеет состав, мас.%: оксид свинца 75-85 БФ PbO; оксид бора 10-15 БФ B2O3, оксид кремния 0,5-5 БФ SiO2; оксид цинка 2,0-5 БФ ZhO, оксид алюминия 0,5-2 БФ Al2O3. Свойства материала: ТКЛР (115-125) 10-7 град-1, температура спаивания 440-465oС, прочность при центрально-симметричном изгибе 100-130 МПа, удельное объемное электрическое сопротивление при 150oС 3 1012 Ом см, водостойкость 0,08-0,15% (потери веса). 3 табл.
Изобретение относится к составам припоечных стеклокомпозиционных материалов для низкотемпературного герметичного спаивания деталей из железа, углеродистой и нержавеющей стали, а также других материалов, обладающих температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) от 100 до 17010-7 град-1.
Известны составы низкотемпературных композиций, содержащих легкоплавкое стекло и кристаллический наполнитель (один или несколько), который вводят в основном для снижения ТКЛР композиции [1,2] Кроме того, благодаря введению наполнителей с требуемыми физико-химическими свойствами, повышается механическая прочность, химическая стойкость и диэлектрические свойства стеклокомпозиционного материала по сравнению с исходным стеклом. Данные составы применяют для спаивания керамики, стекла, металлов и их сплавов в тех случаях, когда требуется сочетание низкого термического расширения соединяемых деталей с низкой температурой спаивания. Наиболее близкой к описываемой является стеклокомпозиция, содержащая следующие компоненты, мас. PbO 75-85; B2O3 10-15; SiO2 0,5-5; ZnO 2-5; Al2O3 0,5-2; BN 0,2-0,8; CoO 0,1-0,3; NiO 0,1-0,2, причем BN, CoO, NiO введены в композицию в качестве наполнителей [3] Указанный композиционный материал обладает достаточно высоким ТКЛР, равным (116-123) 10-7 град-1, позволяющим получать близкие к согласованным по термическому расширению спаи с железом, низкоуглеродистой и нержавеющей сталью при температуре 510-530оС. Недостатком указанного композиционного материала является его малая механическая прочность, пониженные химическая стойкость и удельное объемное сопротивление, что обусловлено весьма малым содержанием наполнителей (порядка 1 мас. или 2 об.), практически не оказывающим влияния на физико-химические свойства материала. Повышение содержания основного наполнителя BN не имеет смысла, так как он обладает низким ТКЛР (75 10-7 град-1 в интервале 25-1000оС) и снижает ТКЛР композиции, что не позволяет получать согласованные спаи с железом, углеродистой и нержавеющей сталями. Кроме того, введение в композицию наполнителя, в данном случае BN c ТКЛР, значительно отличающимся от ТКЛР стекла, вызывает напряжения на границе стекло-наполнитель, что может приводить к возникновению микротрещин, снижению прочности и потере герметичности паянных узлов. В этих случаях требуется изготавливать порошок наполнителя строго определенного гранулометрического состава. Целью изобретения является повышение механической прочности, химической стойкости и удельного объемного электрического сопротивления спаев железа, низкоуглеродистой и нержавеющей стали. Указанная цель достигается тем, что стеклокомпозиционный материал, включающий легкоплавкое стекло состава, мас. PbO 75-85; В2О3 10-15; SiO2 0,5-5; ZnO 2-5; Al2O3 0,5-2 и кристаллический наполнитель, в качестве наполнителя содержит кварц при следующем соотношении компонентов, мас. Легкоплавкое стекло 73-89 Кварц 11-27 Достигаемый результат обусловлен тем, что благодаря близости ТКЛР легкоплавкого стекла и кварца (117 10-7 град-1 и 125 10-7 град-1), на границе стекло-наполнитель не возникает напряжений, приводящих к снижению прочности и потере герметичности спая, и, следовательно, не требуется порошка наполнителя строго определенного гранулометрического состава, что существенно упрощает технологический процесс приготовления стеклокомпозиционного материала. Возможность введения кварца в состав стеклокомпозиции до 27 мас. при сохранении достаточной текучести припоечной стеклокомпозиции позволяет осуществлять низкотемпературное спаивание при температурах до 465оС в воздушной среде, что при использовании нержавеющей стали не требует последующей химической очистки сплава на операциях сварки арматуры. В то же время предложенный материал имеет большую стойкость к реагентам, применяемым для химической обработки арматуры после пайки по сравнению с прототипом благодаря использованию в качестве наполнителя химически инертного кварца. Приготовление стеклокомпозиционного припоечного материала осуществляют смешиванием в заданном соотношении порошка легкоплавкого стекла, cостава мас. PbO 75-85; B2O3 10-15; ZnO 2-5; SiO2 0,5-5; Al2O3 0,5-2 с удельной поверхностью 1400-1700 см2/г с порошком кварца, предварительно измельченным в шаровой мельнице до удельной поверхности 1500-3500 см2/г, до получения однородной массы. Полученный стеклокомпозиционный припоечный материал может использоваться нанесением на спаиваемые детали в виде суспензии или пасты, а также в виде прессованных таблеток необходимой конфигурации, спеченных при температуре 340-360оС в течение 5 мин. Конкретные примеры химических составов использованных легкоплавких стекол для приготовления припоечного стеклокомпозиционного материала приведены в табл. 1. Примеры составов припоечного стеклокомпозиционного материала даны в табл. 2. Свойства указанных в табл. 2 составов приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, получение прочного и надежного спая стеклокомпозиционного материала с ТКЛР выше 113 10-7 град-1 при низких температурах определяется составом стеклокомпозиционного материала и правильно выбранным наполнителем. Оптимальное количество кварца, введенного в легкоплавкое стекло, находится в пределах 11-27 мас. При увеличении количества кварца более 27 мас. материал теряет текучесть, и спай не образуется. При содержании кварца менее 11 мас. композиционный материал хорошо растекается, но при этом теряет прочность.Формула изобретения
СТЕКЛОКОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, включающий легкоплавкое стекло состава, мас. PbO 75 85 B2O3 10 15 SiO2 0,5 5,0 ZnO 2,0 5,0 Al2O3 0,5 2,0 и кристаллический наполнитель, отличающийся тем, что он содержит в качестве наполнителя кварц при следующем соотношении компонентов, мас. Легкоплавкое стекло 73 89 Кварц 11 27РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2