6.3. Прочные и герметичные неразъемные соединения различных материалов

Особую трудность представляет соединение стекла с металлом ввиду большого различия в их коэффициентах теплового расширения, а также ввиду плохой когезии стекла и металла, что существенно влияет на герметичность и прочность соединения.

Например, для меди линейный коэффициент теплового расширения равен 17•10-6 К-1, тогда как для стекол этот коэффициент составляет (3-10)•10-6 К-1. Вследствие такого большого различия коэффициентов при нагреве или охлаждении жесткого соединения, например толстостенной медной трубы с тонкостенной стеклянной трубой, стекло бы лопнуло. Один из способов избежать этого состоит в значительном утонении стенок медной трубы и соединении ее с толстостенной стеклянной трубой (фиг. 6.8).

Напряжения, возникшие в зоне соединения при изменении температуры, воспринимаются медной трубой, которая упруго деформируется, не разрушая стеклянной трубы. Другая важная проблема состоит в том, как улучшить когезию металла со стеклом, так как от этого зависит герметичность соединения. Для этого конец медной трубы подвергают окислению, чтобы стекло сплавилось с окисью меди, и, таким образом, возник переходный слой. Такой переходный слой, состоящий из стекла и окиси меди, хорошо сваривается со стеклянной трубой и окисленным концом медной трубы.

Другой широко применяемый способ соединения металла со стеклом (фиг. 6.9, а) и керамикой (фиг. 6.9,б) состоит в применении промежуточного элемента из сплава, линейный коэффициент теплового расширения которого соответствует применяемому сорту стекла (или керамики). Чаще всего это сплав в состав которого входят железо, никель, хром, кобальт и т. д.

В табл. 6.6 приведены составы некоторых сплавов, применяемых для спайки металлов со стеклами и керамикой, а также линейные коэффициенты теплового расширения некоторых металлов.

Каждому сорту стекла или керамики соответствует определенный сплав в отношении когезии и коэффициента расширения (в определенном диапазоне температур).

При необходимости впайки в стекло проводников небольшого диаметра применяют проволоку из молибдена или вольфрама, которые совместимы с некоторыми сортами стекол (молибденовыми или вольфрамовыми). Так, например, для соединения твердого стекла, обладающего коэффициентом теплового расширения 4•10-6 К-1 с молибденом (имеющим такой же коэффициент расширения), поверхность молибденовой проволоки сильно окисляется, затем покрывается тонким слоем соответствующего твердого стекла и прогревается, пока окись молибдена не сварится со стеклом. Получившийся при этом промежуточный слой хорошо соединяется со стеклом и металлом, образуя соединение молибден — стекло.