Спай металл-стекло различных марок под ковар, молибден, вольфрам и платинит

Содержание

Группы электровакуумных стёкол по КТР: таблица 7 групп — от кварцевой до железной по ГОСТ Р 71082-2023

Спай металл-стекло — это вакуумно-плотное соединение токоввода со стеклянной оболочкой электровакуумного прибора. Марку стекла подбирают по совпадению КТР с ТКЛР металла: допуск согласованного спая 5-8 %, при большем расхождении ставят несогласованный спай или цепочку переходных стёкол.

Электровакуумные стёкла классифицируют по 7 группам КТР — от кварцевой 0–10 до железной 100-130 ×10⁻⁷ К⁻¹ согласно ГОСТ Р 71082-2023 и ОСТ 11.027.010-75. Под ковар 29НК с ТКЛР 4,5-6,5 ×10⁻⁶ 1/°C идут стёкла молибденовой группы С47-1, С48-1, С49-1, С49-2, С52-1. Под молибден и вольфрам — стёкла одноимённых групп; диаметр стержня токоввода не ограничен. Под платинит используют стёкла платиновой (свинцовой) группы С87-1…С94-1 при диаметре проволоки до 0,5 мм. Несогласованный спай металл-стекло на меди (спай Хаускипера) собирают на боросиликатных марках С93-1 и С78-5 с лезвийной кромкой трубки 0,1-0,2 мм.

Где применяется спай металл-стекло

Спай металл-стекло между токовводом и стеклянной оболочкой держит давление 10⁻⁷ Па и ресурс прибора до 10-15 тыс. часов — ни клеевые, ни механические уплотнения такой герметичности при тепловых циклах не дают. Поэтому везде, где внутри прибора нужен глубокий вакуум или газовое наполнение под повышенным давлением, спай стекла с металлом остаётся базовой технологией.

Основные классы изделий, где работают герметичные токовводы металл-стекло:

• электровакуумные приборы — клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны;
• лампы накаливания и галогенные (ввод вольфрамового стержня через платинит);
• газоразрядные лампы — натриевые, ртутные, ксеноновые;
• генераторные и модуляторные лампы мощных передатчиков;
• рентгеновские трубки медицинского и промышленного назначения;
• фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотоэлементы;
• вакуумные фланцы смотровых окон, датчики давления и течеискатели.

Альтернативы — пайка через металлокерамику или сварка через переходники — дороже на порядок и оправданы только при температурах оболочки свыше 450 °C. До этого порога согласованный спай по ОСТ 11.027.010-75 закрывает задачу по цене и ресурсу. При поставках кварцевого стекла КУ-1 для электровакуумных приборов мы видим, что выбор группы стекла под спай металл-стекло определяется не столько типом прибора, сколько парой «металл вывода + рабочая температура зоны шва».

Разница между согласованным и несогласованным спай металл-стеклом

Схема спая Хаускипера: разрез медной трубки с лезвийной кромкой 0,1-0,2 мм в стеклянной оболочке

Допуск согласованного спая металл-стекло — 5-8 % по КТР, причём коэффициент стекла берут на эти же 5-8 % выше, чем у металла. После остывания шва стекло садится сильнее и обжимает металлический ввод. Соединение всегда работает на сжатие, а не на растяжение, к которому стекло чувствительно. В пределах допуска ТКЛР стекла и металла остаточные напряжения не превышают предела прочности шва во всём рабочем диапазоне температур — от комнатной до точки отжига.

Несогласованный спай металл-стекло используют, когда совпадения КТР добиться нельзя. В платините несоответствие компенсирует медная оболочка (около 30 % массы биметаллической проволоки при ТКЛР сердечника ~9×10⁻⁶ К⁻¹): пластичная медь принимает на себя деформацию и разгружает стекло. В спае Хаускипера лезвийная кромка медной трубки сточена до 0,1-0,2 мм, на такой толщине медь течёт пластически и подстраивается под усадку стекла без растрескивания шва.

Группы электровакуумных стёкол по КТР

Классификация стёкол для спая металл-стекло строится на коэффициенте термического расширения — все марки серии С* делят на семь групп от кварцевой (0-10×10⁻⁷ К⁻¹) до железной (100-130×10⁻⁷ К⁻¹). Стекло этих групп — щёлочно-силикатные и боросиликатные системы на основе SiO₂ и B₂O₃ с добавками PbO, BaO, Na₂O, K₂O для тонкой настройки КТР. Классификация закреплена в ОСТ 11.027.010-75 «Стекло электровакуумное. Марки» и в актуальном ГОСТ Р 71082-2023. Каждая группа закрывает свой диапазон ТКЛР металла, и марка стекла подбирается так, чтобы её КТР попал в окно расширения токоввода.

Логика подбора простая: сперва смотрят паспортный ТКЛР металла токоввода, затем берут стекло из группы с тем же диапазоном расширения. Молибден (ТКЛР около 5×10⁻⁶ К⁻¹) уходит в молибденовую группу, вольфрам (4,3-4,5×10⁻⁶ К⁻¹) — в вольфрамовую, платинит (≈9×10⁻⁶ К⁻¹) — в платиновую. Кварцевое стекло КУ-1 и КИ (почти чистый SiO₂) напрямую согласуется только с молибденовой фольгой; для всех остальных металлов спай металл-стекло собирают через цепочку переходных стёкол.

Допуск согласованного спая — 5-8 % разницы по КТР между стеклом и металлом. В этих пределах остаточные напряжения шва остаются упругими, и стекло не растрескивается при термоциклировании. Если разница больше — спай уходит в категорию несогласованных (платинит с медной оболочкой, спай Хаускипера) или собирается через 2-4 промежуточных слоя со ступенью не более 10×10⁻⁷ К⁻¹ на переход.

Подбор стекла под конкретный металл

Сравнительная диаграмма ТКЛР металлов и стёкол: молибден, ковар, вольфрам, платинит на шкале ×10⁻⁶ К⁻¹

Каждый металл токоввода имеет своё «окно» ТКЛР, в которое должна попадать марка стекла. Ниже — пять рабочих случаев спая металл-стекло с конкретными марками, диапазонами расширения и геометрическими ограничениями. Цифры приведены по ОСТ 11.027.010-75 и справочным данным производителей сплавов.

Молибден

Спай металл-стекло на молибдене собирают на марках С47-1, С48-1, С49-1, С49-2, С52-1: ТКЛР молибдена 4,7-5,2 ×10⁻⁶ К⁻¹ попадает ровно в окно молибденовой группы стёкол по ОСТ 11.027.010-75. Цифра в обозначении марки соответствует КТР стекла в единицах ×10⁻⁷ К⁻¹. Ограничений по диаметру стержня нет: согласованный шов работает на проволоке 0,3 мм и на стержнях 8-10 мм одинаково корректно. Типичное применение — мощные электровакуумные приборы: генераторные лампы, магнетроны, рентгеновские трубки, где токоввод одновременно служит теплоотводом. Стекло для впаивания молибдена выбирают по протоколу плавки конкретной партии металла — разброс ТКЛР внутри ГОСТ-окна достигает 10 %, и марку подбирают под фактическое значение.

Ковар 29НК (29НК-ВИ)

Спай металл-стекло на коваре — самый массовый вариант для герметичных вводов: ковар 29НК имеет состав Fe (основа) + Ni 28,5-29 % + Co 17-18 % и ТКЛР 4,5-6,5 ×10⁻⁶ 1/°C в рабочем диапазоне -70…+420 °C. Точка Кюри сплава — 420 °C (выше этой температуры ТКЛР резко растёт, и согласованный спай теряет вакуумную плотность). Электровакуумное стекло марки под ковар выбирают из молибденовой группы: С47-1, С48-1, С49-1, С49-2, С52-1 — те же марки, что и под молибден. По ОСТ 11ПО.735.002-73 марка С52-1 имеет дублирующее обозначение ЗС-5К и применяется как базовая для коваровых вводов. Геометрия не ограничена: ковар выпускают в виде проволоки 0,2-3 мм, ленты, штамповок. Перед впаиванием поверхность ковара окисляют — тонкая плёнка смешанных оксидов Fe-Ni-Co обеспечивает смачивание стеклом; без неё шов теряет вакуумную плотность.

Платинит

Спай металл-стекло на платините — историческая замена платины: платинит представляет собой биметаллическую проволоку (сердечник Fe 58 % + Ni 42 % с медной оболочкой ~30 % по массе) с эффективным ТКЛР ≈ 9 ×10⁻⁶ К⁻¹, близким к ТКЛР стёкол платиновой (свинцовой) группы. Выпускается диаметром 0,2-0,8 мм; рабочий предел спая — Ø 0,5 мм. Выше этого диаметра медная оболочка перестаёт компенсировать остаточную разницу КТР, и в шве появляются растягивающие напряжения. Стекло платиновой группы платинит образует с марками С87-1, С89-4, С90-1, С94-1 — это свинцово-силикатные стёкла на основе SiO₂ + PbO с КТР 87–94 ×10⁻⁷ К⁻¹. Применяют в массовых электровакуумных изделиях с тонкими токовводами: лампы накаливания, маломощные радиолампы, фотоэлементы, ёлочные гирлянды старого типа. Для силовых приборов с большими токами платинит не годится — диаметральное ограничение не позволяет пропустить ток выше 5-10 А.

Вольфрам

Спай металл-стекло на вольфраме строится со стёклами вольфрамовой группы С38-1 и С40-1 (КТР 38-40 ×10⁻⁷ К⁻¹): ТКЛР вольфрама — 4,3-4,5 ×10⁻⁶ К⁻¹. Стекло для спая с вольфрамом выбирают по тому же принципу совпадения ТКЛР с допуском 5-8 %. Стержни любого диаметра — от тонкой проволоки 0,1 мм до прутков 5 мм — впаиваются без переходных слоёв. С кварцевым стеклом марок КУ-1, КИ (КТР ~5 ×10⁻⁷ К⁻¹) вольфрам напрямую не спаивают,разница расширений на порядок. Как тогда организовать соединение? Применяют молибденовую фольгу 20-50 мкм или цепочку переходных стёкол вольфрамовой → промежуточной → кварцевой группы.

Спай меди (Хаускипер)

КТР меди 16-17 ×10⁻⁶ К⁻¹ не согласован напрямую ни с одной группой электровакуумных стёкол — разница со свинцовыми марками достигает 70 %. Спай Хаускипера — это вариант спая металл-стекло на меди без согласования КТР: кромка медной трубки сточена до толщины 0,1-0,2 мм и впаивается в стекло как лезвие. Тонкая медная фольга при остывании пластически деформируется и компенсирует разницу расширений за счёт текучести металла, а не упругости стекла. Геометрия — кольцевой шов на торце медной трубки, диаметры применяются от 10 до 80 мм. Применяют в мощных электровакуумных приборах: генераторных лампах от 1 кВт, рентгеновских трубках, импульсных модуляторах, где медная трубка одновременно служит токоподводом и водоохлаждаемым теплоотводом. Готовые изделия из кварцевого стекла с медными фланцами под спай Хаускипера выпускают по чертежам заказчика.

Переходные стёкла и градиентные спаи

Цепочка переходных стёкол от кварца к молибдену: КТР каждого слоя с шагом ≤10×10⁻⁷ К⁻¹

Зачем переходные стёкла, если несогласованный спай и так компенсирует разницу КТР? Затем, что пластическая компенсация работает только на тонкой меди или биметалле, а для жёстких стержней молибдена и вольфрама в кварце единственный путь — градиентный спай металл-стекло из нескольких слоёв. Шаг по КТР между соседними звеньями держат на уровне 10-20×10⁻⁷ К⁻¹ (чем меньше шаг, тем меньше остаточные напряжения и выше ресурс шва). Это правило срабатывает, когда нужно соединить материалы с большим разрывом коэффициентов, кварцевое стекло (КТР ~5×10⁻⁷ К⁻¹) и молибден (КТР ~49×10⁻⁷ К⁻¹) напрямую спаять нельзя — разница в 9-10 раз.

Промежуточные марки подбираются по таблицам согласованных стёкол к отраслевым стандартам и каталогам стеклодувных заводов. Для цепочки кварц → молибден применяют стёкла группы С38-1 (вольфрамовая) и С49-2 (молибденовая). Классическая сборка использует 4 звена с шагом 13–20×10⁻⁷ К⁻¹. Длина переходной зоны — 30-80 мм в зависимости от диаметра ввода, каждый слой проваривается отдельно с контролем напряжений на полярископе.

Цепочка кварц → молибден (4 слоя):

• Кварцевое стекло КУ-1 — КТР ~5×10⁻⁷ К⁻¹
• Промежуточное стекло (боросиликат) — КТР ~25×10⁻⁷ К⁻¹ (Δ = 20)
• Стекло С38-1 (вольфрамовая группа) — КТР ~38×10⁻⁷ К⁻¹ (Δ = 13)
• Стекло С49-2 (молибденовая группа) — КТР ~49×10⁻⁷ К⁻¹ (Δ = 11) → молибден

Идентификация группы стекла по цвету излома

Свежий скол электровакуумного стекла окрашен микропримесями оксидов металлов — по оттенку технолог на участке за секунды относит образец к одной из 7 групп по КТР. Метод описан ещё в советской стеклодувной литературе и до сих пор работает как первая фильтрация на входном контроле.

• Светло-синий излом — платиновая (свинцовая) группа, КТР 80-100 ×10⁻⁷ К⁻¹: марки С87-1, С89-4, С90-1, С94-1. Согласована с платинитом.
• Медово-жёлтый излом — молибденовая группа, КТР 45-60 ×10⁻⁷ К⁻¹: С47-1, С48-1, С49-1, С49-2, С52-1. Под молибден и ковар 29НК.
• Светло-жёлтые оттенки — вольфрамовая группа, КТР 30-45 ×10⁻⁷ К⁻¹: С38-1, С40-1.
• Зеленоватые и светло-синие тона — химико-лабораторные боросиликатные стёкла; в спайных задачах используются ограниченно (С93-1, С78-5).

В наших партиях электровакуумного стекла мы контролируем цвет излома параллельно с проверкой паспорта партии — это экспресс-метод на 30 секунд, не лабораторный анализ. По описанию метода в технологическом обзоре стеклодувного дела оттенок зависит от партии шихты и режима варки, поэтому для приёмки токовводов в электровакуумные приборы решающим остаётся паспорт с измеренным КТР.

Нормативная база

Базовый документ для подбора стёкол под спай — ОСТ 11.027.010-75, действующий с 13 изменениями. Перед заказом материала всегда сверяем актуальную редакцию: марки и допуски КТР корректировались в последний раз уже в 2010-х.

• ОСТ 11.027.010-75 «Стекло электровакуумное. Марки» — отраслевой стандарт 1975 года, перечисляет марки серии С* (С38-1, С48-1, С49-2, С52-1, С87-1, С89-2 и др.) с разбивкой по группам КТР от 38 до 120 ×10⁻⁷/°C. На него ссылаются при выборе стекла под конкретный сплав: ковар, платинит, молибден, вольфрам.
• ОСТ 11ПО.735.002-73 — отраслевой стандарт 1973 года на стёкла молибденовой группы. Именно по нему С52-1 имеет историческое обозначение ЗС-5К; маркировка встречается в старых чертежах и паспортах ламп, поэтому документ нужен для идентификации legacy-изделий.
• ГОСТ Р 71082-2023 «Стекло электровакуумное. Термины и определения» — современный национальный стандарт, введён в действие 1 марта 2024 года. Закрепляет классификацию электровакуумных стёкол по 7 группам КТР и согласует терминологию с международной практикой; используется в новых разработках параллельно с ОСТ 11.027.010-75.

Что производит и поставляет Кварц-Пром

ГК «Кварц-Пром» работает с электровакуумными стёклами с 2004 года — 22 года производства и поставок для предприятий, которые делают герметичные токовводы и вакуумные приборы. В наличии и под заказ — электровакуумное стекло молибденовой, вольфрамовой и платиновой групп по ОСТ 11.027.010-75 и ГОСТ Р 71082-2023, а также кварцевое стекло марок КУ-1 и КИ — стержни, трубки, диски, изделия по чертежам и ТЗ заказчика. Каждая партия проходит входной контроль и сопровождается паспортом партии с указанием марки, КТР и номерquartzа плавки.

Подобрать марку электровакуумного стекла под ваш токоввод — напишите в контакты.

Частые вопросы

Какое стекло выбрать под ковар 29НК?

Под ковар 29НК подходят стёкла молибденовой группы по ОСТ 11.027.010-75: С47-1, С48-1, С49-1, С49-2, С52-1. Их КТР лежит в диапазоне 47-52 ×10⁻⁷ К⁻¹ и совпадает с ТКЛР ковара (4,5-6,5 ×10⁻⁶ 1/°C) с допуском 5-8 %. Такой согласованный спай работает без остаточных напряжений в шве.

Можно ли впаять вольфрам в кварцевое стекло?

Прямой согласованный спай вольфрама с кварцевым стеклом не делают: разница КТР слишком велика (вольфрам 4,3-4,5 ×10⁻⁶ К⁻¹, кварцевое стекло КУ-1 порядка 5×10⁻⁷ К⁻¹). Соединение собирают через молибденовую фольгу толщиной 20-50 мкм или через цепочку переходных стёкол вольфрамовой → промежуточной → кварцевой группы. Шаг между соседними звеньями цепочки — 10-20×10⁻⁷ К⁻¹.

Какой максимальный диаметр платинитовой проволоки для спая?

Предельный диаметр платинитовой проволоки для несогласованного спая — 0,5 мм. При большем сечении медная оболочка уже не компенсирует разницу ТКЛР между платинитом (~9×10⁻⁶ К⁻¹) и стеклом платиновой группы (8-10×10⁻⁶ К⁻¹), и в шве появляются растягивающие напряжения. Для токовводов большего диаметра применяют ковар 29НК со стёклами молибденовой группы.

Чем отличается согласованный спай от несогласованного?

В согласованном спае КТР стекла и металла отличаются не более чем на 5-8 %, поэтому шов остывает без остаточных напряжений. В несогласованном спае разница ТКЛР компенсируется упругой и пластической деформацией металла, медной оболочкой платинита или тонкой кромкой меди в спае Хаускипера. Согласованный спай надёжнее при термоциклировании, несогласованный применяют там, где нужен металл с заведомо несовпадающим КТР.

Что такое спай Хаускипера?

Спай Хаускипера — это лезвийный спай меди со стеклом, в котором кромка медной трубки сточена до толщины 0,1–0,2 мм. Тонкая медь пластически деформируется при остывании и компенсирует разницу КТР между медью (~17×10⁻⁶ К⁻¹) и боросиликатным стеклом С93-1 или С78-5. Конструкция применяется в мощных электровакуумных приборах, где нужен сильноточный медный токоввод.

Зачем нужны переходные стёкла?

Переходные стёкла нужны, чтобы собрать спай металл-стекло между материалами с сильно различающимися КТР — например, кварцевое стекло КУ-1 и молибден или вольфрам. Между ними ставят 2-4 промежуточных звена из стёкол соседних групп с шагом по КТР 10-20×10⁻⁷ К⁻¹ на переход. Каждое звено гасит часть термических напряжений, и итоговый шов выдерживает рабочий цикл электровакуумного прибора.