SE445549B - Sett att utfora en vakuumtet hardlod-stumfog mellan en metalliserad keramisk del och en del av rostfritt stal - Google Patents

Description

8001741-1 2 nom att belägga förbandet med en koppar- eller guldfilm för att vara i stånd att det oaktat tillgodose de ovan- nämnda fordringarna. Det är dock klart att en sådan lösning är tämligen dyrbar.

Från den tyska utläggningsskriften 2 021 396 är ett metall- -keramiskt förband känt, vid vilket metallen omfattar mer än 50 % nickel och det keramiska materialet omfattar en magnesiumoxid. Även om ett sådant förband äger sinsemellan ganska väl anpassade värmeutvidgningskoefficienter och för övrigt har en god korrosionsbeständig beskaffenhet, medför emellertid denna metallegering den nackdelen att den har ett högt pris. Vidare har magnesiumoxiden en låg mekanisk hållfasthet, en låg värmechockstabilitet och en hög reakti- vitet med avseende på metaller.

En betydligt billigare metall, som särskilt till följd av sina korrosionsbeständiga egenskaper är mycket väl lämpad för vakuum-användningar, är austenitiskt rostfritt stål så- som man kan se bland annat av en artikel i “Vacuum", vol. 26-7 av C. Geyari "Design consideration in the use of stain- less steel for vacuum and cryogenic equipment", som framla- des vid det tredje israeliska vakuum-mötet i Haifa i septem- ber 1973. Användningen av austenitiskt rostfritt stål till ett hårdlött metall-keramiskt förband hindras likväl av det austenitiska rostfria stålets dåliga hårdlödbarhet och den stora skillnaden i utvidgning mellan det austenitiska rost- fria stålet och det keramiska materialet. Med hänsyn till fördelarna med austenitiskt rostfritt stål har emellertid det oaktat forskning utförts för att finna lösningar på an- vändandet av detta material.

Den tyska utläggningsskriften l 045 305 anger för övrigt ett förfaringssätt för frambringande av ett hårdlodförband mel- lan två material, som har mycket olika värmeutvidgningsko- efficienter, såsom är fallet t.ex. för järn och ett keramiskt material. 8001741-1 Mellan järnet och det keramiska materialet är för detta än- damål inlagt ett mellanskikt av ett material, som har en sådan värmeutvidgningskoefficient att utvidgningen av den metalliska delen på platsen för den hopfogande gränsytan med den keramiska delen kompenseras åtminstone delvis.

I kombination med ett lämpligt val av tjockleken av det mel- lanliggande skiktet uppnår man en verkan som om det på plat- sen för den hopfogande gränsytän har fastsatts ett material, vilket har en värmeutvidgningskoefficient som är i huvudsak densamma som det keramiska materialets. Detta kända förfa- ringssätt är dock tämligen omständligt. Ett annat förfa- ringssätt för frambringande av ett hårdlodförband mellan ett keramiskt material och rostfritt stål har angivits i en broschyr från firman Friedrichsfeld. I enlighet med den sena- re binds det rostfria stålet indirekt vid det keramiska ma- terialet genom ett termiskt anpassat material såsom t.ex.

NiFe42. Detta förfaringssätt medför även den nackdelen att det är tämligen arbetskrävande och följaktligen relativt dyrbart.

Föreliggande uppfinning har till syfte att åstadkomma ett sätt av inledningsvis angivet slag, vid vilket de förut nämnda nack- delarna har eliminerats. Detta sätt kännetecknas av att delen av rostfritt stål utformas med ett anslutningsparti till löd- fogen utmed hela längden av fogen, vilket parti har en maximi- tjocklek av 0,8 mm och en höjd från fogen av omkring 4 mm till omkring 12 mm, att delen av rostfritt stål glödgas före hård- lödningssteget, och att delen av rostfritt stål och den kera- miska delen hopfogas genom hàrdlödning över en stumfog. Även om för närvarande ingen slutgiltig förklaring kan ges till de företeelser som spelar en roll vid åtgärderna enligt uppfinningen, har det framgått efter omfattande forskningar att de genom förfaringssättet enligt uppfinningen framställ- da fogarna är mycket tillfredsställande i praktiken. Vad det beträffar har fogen enligt uppfinningen använts 1 en vakuum- 8001741-1 4 strömställare, varefter fogen har underkastats ultrahöga vakuumtäthetsprov för att möjliggöra upptäckandet av till och med de minsta läckor. Vid dessa täthetsprov har en he- liumläckdetektor med en känslighet av 6,7 - 10-12 mbarl/s. an- vänts.

Inga läckor kunde emellertid upptäckas genom de utförda pro- ven. Vidare visade sig fogen väl i stånd att uthärda drag- spänningsprov för provning av den mekaniska hållfastheten.

För övrigt visade det sig att fogen var stabil under uppre- pat framkallade stora temperaturändringar.

Det har också framgått att optimumresultat erhålls, när ett austenitiskt stål används och glödgningen,utförs i högt va- kuum och inom en ytterst oljefri omgivning vid en temperatur av 1Ö50°C och under en period beroende på materialets tjock- lek.

Det antas att till följd av värmebehandlingen den vid ytan av det austenitiska stålet närvarande kromoxiden försvinner genom dissociation, varvid sålunda hârdlödbarheten av det austenitiska stålet förbättras.

Till följd av försvinnandet av kromoxidhuden kan hårdlöd- ningstemperaturen av omkring l050°C minskas till omkring 800°C. Detta medför den fördelen att spänningarna i fogen, som förorsakas av de båda delarnas olika värmeutvidgnings- koefficienter, minskas betydligt. Det ovanstående kan direkt härledas från de ifrågavarande materialens temperaturutvidg- ningskurvor. Där dessa kurvor allmänt har en divergerande karaktär, blir skillnaden i utvidgning mindre efter hand som temperaturen blir lägre så att man måste sträva efter en så låg hârdlödningstemperatur som möjligt.

Trots möjligheten att sänka hårdlödningstemperaturen från * l050°C till É 800°C genom att använda förfaringssättet 8001741-1 5 enligt uppfinningen framgår det att till och med i detta fall skillnaden i utvidgning mellan det rostfria stålet och det keramiska materialet ändå är relativt stor.

Värmebehandlingen enligt uppfinningen tjänar därför också till att förinta den materialförstärkning av det rostfria austenitiska stålet, som förorsakas av kalldeformationen därav. Följaktligen blir metallen mera formbar så att spän- ningarna i fogen som förorsakas av skillnaden i utvidgning kan motverkas bättre. Motverkande av spänningarna i fogen enligt uppfinningen förbättras emellertid vidare genom att materialtjockleken hos delen av austenitiskt rostfritt stål begränsas i omgivningen av och över hela längden av hård- lödningssömmen.

Uppfinningen skall nu förklaras utförligt med hänvisning till bifogade ritning. Fig. 1 visar den linjära expansionen som funktion av temperaturen för olika material. Fig. 2 vi- sar längdändringen som funktion av temperaturen för olika material. Fig. 3 visar en vakuum-strömställare, vid vilken fogen enligt uppfinningen används. Fig. 4 visar en annan ut- föringsform av vakuum-strömställaren enligt uppfinningen.

I fig. l har i diagram visats den linjära expansionen som en funktion av temperaturen för olika material upp till en temperatur av BOOOC. Av diagrammet framgår att det rostfria stålet har en värmeutvidgningskoefficient, som starkt skil- jer sig från det keramiska materialets Al2O3 värmeutvidg- ningskoefficient. Detta står i motsats till exempelvis me- tallegeringarna NiFe42 och NiCoFe, som speciellt utvecklats för hårdlödförband med keramiska material. Av fig. l framgår det också att för de flesta material ökar skillnaden i ex- pansion allteftersom temperaturen blir högre. Problemet med skillnaden i expansion kan därför delvis kompenseras genom att hâlla hårdlödningstemperaturen så låg som möjligt.

I fig. 2 har i huvudsak samma diagram som i fig. 1 visats 8001741-1 6 fastän man utgått från en temperatur av 800°C i detta fall.

När det vidare antas att vid denna temperatur de olika ma- terialen bundits tillsammans och sålunda har lika dimensio- ner, betyder nedkylningen att spänningar uppstår till följd av längdändringen. På grundval av skillnaden i längd vid rumstemperatur och elasticitetsmodulen för det ifrågavaran- de materialet kan spänningen vid rumstemperatur beräknas.

Diagrammet i fig. 2 visar också att vid de formbara metal- lerna, såsom rostfritt stål kan en del av den av skillnaden i längdändring förorsakade spänningen kompenseras genom den inre flytningen av metallen. Genom att se till att den metal- liska delen i en fog förblir så formbar som möjligt kan pro- blemet med skillnaden i expansion minskas.

I fig. 3 har visats en vakuum-strömställare, vid vilken tät- ningshattarna 5 respektive 6 bundits vid det keramiska huset l i enlighet med föreliggande uppfinnings förfaringssätt.

Utom det keramiska huset 1 och tätningshattarna 5 och 6 in- nefattar vakuum-strömställaren vanligen också i huvudsak en fast och en rörlig kontakt 2 respektive 3 med tillhörande kontaktstänger, en bälg 7 som krävs för den vakuumtäta ge- nomgången av den rörliga kontaktstången och en skärm 4 som tjänar till att skydda det keramiska huset l. För att för- bättra korrosionsbeständigheten har tätningshattarna 5 och 6 gjorts av ett austenitiskt rostfritt stål, t.ex. ett stål som av DIN-standarderna betecknats med numret l.430l eller l.4306.

För att möjliggöra hårdlödningen vid en låg temperatur har tätningshattarna glödgats i högt vakuum och i en ytterst ol- jefri omgivning, varigenom det framgått att de bästa resul-_ taten nâs, när man väljer en varaktighet av glödgningsbe- handlingen av omkring en time per millimeter materialtjock- lek. Huden av kromoxid dissocierar så att tätningshattarna blir lödhara vid en temperatur av i 800°C, medan materialet blir formbart i en sådan grad att spänningar delvis kan kom- penseras genom inre plastisk formförändring av tätningshat- 8001741-1 tarna.

För att ytterligare förbättra kompensationen av spänning- arna i fogen enligt uppfinningen används en del av tätnings- hattarna, som direkt stöter intill lödplanet och sträcker sig över hela längden av lödsömmen vilken har speciella di- mensioner och vars tjocklek i fig. 3 har angivits genom be- teckningen d och vars höjd har angivits genom beteckningen h.

Mätt från lödplanet sträcker sig denna del över en höjd h, vilken är fast i förhållande till materialtjockleken d. Det- ta förhållande kan variera från 5 till-15 gånger material- tjockleken d men uppgår företrädesvis till 10 gånger mate- rialtjockleken d. På detta sätt uppnås att valfria spänning- ar kan kompenseras genom att låta de ifrågavarande delarna av tätningshattarna 5 och 6, som stöter intill det kera- miska huset l inta ett något snett läge med avseende på löd- planet.

Om höjden h skulle göras mindre än som ovan angivits ökar risken betydligt att ändhattarna 5 och 6 avskjuvas från det keramiska huset l till följd av spänningar.

I fig. 4 har visats en utföringsform, vid vilken ändhattar- na som ett helt uppfyllde fordran på materialtjockleken d.

Den del av ändhattarna som löper parallellt med kontaktpla- net måste då förläggas på ett minimiavstånd h från lödpla- net.

I överensstämmelse med det ovan beskrivna förfaringssättet kan mycket goda förband mellan rostfritt stål och keramiskt ' material framställas på ett enkelt sätt. Fastän förfarings- sättet enligt uppfinningen erbjuder mycket goda möjlighe- ter till användning vid vakuum-strömställare, är andra till- lämpningsmöjligheter mycket väl tänkbara, såsom vid vakuum- 8001741-1 8 urlacldningsanordningar. Vidare bör det påpekas att i stäl- let för Al2O3 kan andra keramiska material användas. Följ- aktligen är uppfinningen inte begränsad till de speciella utföringsformer och material som visats och beskrivits OVän .

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 9 soo1741-1 PATENTKRAV
1. l. Sätt att utföra en vakuum-tät hårdlöd-stumfog mellan en metalliserad keramisk del och en del av rostfritt stål, särskilt i en vakuum-urladdningsanord- ning, k ä n n e t e c k n a t av att delen av rostfritt stål utformas med ett anslutningsparti till lödfogen utmed hela längden av fogen vilket parti har en maximitjocklek av 0,8 mm och en höjd från fogen av omkring 4 mm till omkring 12 mm, att delen av rost- fritt stål glödgas före hârdlödningssteget, och att delen av rostfritt stål och den keramiska delen hop- fogas genom hârdlödning över en stumfog.
2. 2. Sätt enligt krav 1, varvid det rostfria stålet är austenitiskt rostfritt stål, k ä n n e t e c k n a t av att glödgningsbehandlingen utföres vid en temperatur av l050°C i högt vakuum och inom en ytterst oljefri om- givning.
3. 3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att glödgningstiden väljes beroende på tjockleken av materialet i en proportion av omkring en timme per en millimeter materialtjocklek.
4. 4. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att hårdlödningsoperationen utföres vid en temperatur av omkring 800°C.
5. 5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att förhållandet mellan tjockleken och höjden av det rostfria materialet i anslutningspartiet till lödfogen utgör omkring l:lO.
6. 6. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att det keramiska materialet består av minst 95% Al2O3. 10 8001741-1 ,
7. 7. Sätt enligt krav l eller något av följande krav, k ä n n e t e c k n a t av att sättet tillämpas vid framställning av en hârdlödfog i en vakuum-urladdnings- anordning.