СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПРИ ПОМОЩИ СКЛЕИВАНИЯ
METHOD FOR CONNECTING A NON-METALLIC ELEMENT WITH A METAL ELEMENT BY USE OF GLUING

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть преимущественно использовано при изготовлении оптических приборов на основе получения неразъемных соединений стекла, керамики и их химических сочетаний с металлическими элементами с высокой механической и термоциклической прочностью в широком температурном диапазоне.
Известен способ герметичного соединения стеклокерамики с металлической деталью [Патент №RU 2484930 С1, опубл. 20.06.2013 Бюл. №17, МПК В23К 1/20, С03С 27/04 (2006.01)]. Способ включает в себя создание между соединяемыми поверхностями валика путем напыления порошка алюминия под углом 75-90° по отношению к создаваемому соединению. Далее соединяемые детали устанавливают в печь, нагретую до температуры 400-450°С выдерживают при данной температуре не менее 1 часа и охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 5°С/мин.
Основным недостатком известного способа является установка собранного изделия в печь с температурой в рабочем объеме порядка 400-450°С и выдержка при данной температуре не менее 1 часа. При данной температуре и выдержке происходит рост зерна в титановом сплаве, используемом в способе, что впоследствии приводит к существенному снижению механических характеристик титанового сплава и изделия в целом.
Также недостатком способа является применение специального технологическою оборудования, основанного на термическом испарении и конденсации в вакууме. Для нанесения алюминиевого валика на сопрягаемую деталь из титанового сплава необходимо использование поворотного устройства, обеспечивающего угол напыления и равномерное распределение напыляемого материала по сопрягаемой поверхности детали из титанового сплава, а также специальных тиглей, изготовленных из карбида титана, исключающие попадание жидкой фазы на другие ненапыляемые части изделия при испарении алюминия. Применение данного технологического оборудования и оснастки приводит к значительному увеличению времени изготовления деталей, усложнению технологического процесса и, соответственно, к удорожанию изделия в целом.
2
2
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному способу соединения неметаллического элемента с металлическими при помощи склеивания описанному в [Патент №RU 2270221 С1 «Способ упрочнения клеевого соединения неметаллического элемента с металлическим при использовании в качестве клея полисилоксанового герметика, опубл. 20.02.2006 Бюл. №5, МПК C09J 5/06 (2006.01)). Данный способ заключается в том, что соединяют детали с помощью клеевой композиции с добавкой неорганическою наполнителя (SiO, TiO, ZnO и др.) подвергают термообработке до температуры 300°С в течение 2 часов, выдерживают, а затем охлаждают.
Недостатком известною способа, принятого за прототип, является неконтролируемый процесс нагрева, выдержки и охлаждения изделия, что впоследствии приведет к возникновению термических напряжений I и II рода, вызванные большим градиентом температур и анизотропией термического коэффициента линейного расширения составных частей изделия. Возникновение термических напряжений в конечном итоге приведет к полному или частичному разрушению как керамической детали, гак и неразъемного соединения изделия в целом.
Также существенным недостатком способа является применение полисилоксанового герметика. Данный герметик является герметиком холодного охлаждения, то есть его отвержение происходит при комнатной температуре на воздухе в течение примерно 48-72 часов. Также следует отметить, что полисилоксановый герметик имеет в своей основе летучие продукты, которые при интенсивном нагреве будут испаряться из клеевой композиции и. соответственно, будут снижаться адгезионные свойства, что, в свою очередь, приведет к снижению механических характеристик изделия,
Применение вышеуказанного герметика также требует высокого качества к сопрягаемым поверхностям по чистоте поверхности, то есть чем ниже чистота сопрягаемых поверхностей, тем выше возможность образования пустот, пор при нанесении клеевой композиции на соединяемые детали и в процессе отвержения и термической обработки.
В конечном итоге, данные недостатки приводят к удорожанию конечной продукции, удлинению технологического процесса, а также к снижению механических характеристик неразъемного соединения.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является увеличение механических, термоциклических характеристик клеевого соединения и изделия в целом, а также упрощение технологического процесса соединения металлической детали с неметаллами.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии получения неразъемных соединений неметаллических элементов с металлическими при увеличении механической и термоциклической прочности.
2
Технический результат изобретения обеспечивается тем. что способ соединения неметаллического элемента с металлическим при помощи склеивания, заключается в том. что соединяют детали с помощью клеевой композиции с добавкой неорганического наполнителя, подвергают термообработке до температуры 300°С в течение 2 часов, выдерживают, а затем охлаждают. Согласно изобретению основу клеевой композиции составляет эпоксидный клей, а в качестве неорганического наполнителя используют гидрид титана (TiH), термообработку, включающую в себя нагрев и охлаждение, производят в статическом вакууме, нагрев и охлаждение производят со скоростью 1°С в минуту, выдержку детали при максимальной температуре осуществляют в течение 5 минут.
2
2
Применение эпоксидной клеевой композиции обусловлено способностью эпоксидной композиции отверждаться при повышенных температурах с образованием пространственно-сшитых полимеров с хорошими адгезионными свойствами, отсутствием летучих продуктов при отверждении при воздействии повышенных температур в статическом вакууме, возможностью модификации добавки активных элементов с целью изменения прочностных свойств, температурных характеристик. Нагрев со скоростью 1°С/мин позволяет осуществить равномерный нагрев соединяемых деталей, а также полное равномерное растворение активной составляющей, в нашем случае гидрида титана TiH в клеевой композиции с образованием активного химического элемента «эпоксидная смола - TiH». Достигнув температуры 90°С, выдержка в течение 10 минут, необходимая для затвердевания клеевого композита, затем снова нагрев со скоростью 1°С/мин.
-1
Выдержка в течение 5 минут при температуре 300°С обеспечивает вступление в реакцию образовавшегося химического активного элемента с сопрягаемыми деталями и образование координатно-ковалентной связи между ними. Охлаждение готовых деталей происходит со скоростью 1°С/мин. что позволяет обеспечить отсутствие термических напряжений I и II рода в изделии. Применение статического вакуума 1⋅10 мм рт.ст. при изготовлении деталей позволяет создать эффект вакуумной инфузии, обеспечивающий равномерное заполнение клеевой композицией всех свободных пространств сопрягаемых поверхностей деталей без пор и пузырей воздуха, а также позволяет исключить образование оксидных пленок на поверхностях готовой детали.
Ниже приведен пример осуществления заявляемого способа - способ получения неразъемного соединения оптического элемента марки Ситалл (СО-11514) и металлического фланца из металла 12X18H10T.
Соединяемые поверхности оптического элемента и металлической арматуры промывают, чистят и накладывают одну на другую. При подготовке клея в предварительно взвешенный, плотно закрывающийся сосуд накладывается навеска в следующих весовых массах:
• Эпоксидная смола СЭД М6 - 100 г;
• Гидрид титана - 10 г;
• Отвердитель Л20 - 40 г.
-1
-1
Перемешивание компонентов происходит в течение 10 минут при комнатной температуре. Приготовленный клей представляет собой подвижную жидкость по цвету от желтого до светло-коричневого цвета. Нанесение клея осуществляется с помощью стеклянной палочки-капельницы на торцевую поверхность оптического элемента. Затем оптический элемент накладывается в металлическую арматуру и деревянной рукояткой с замшей или пробковой шайбой плавно круговыми движениями притирается к ней. Избыток клея удаляется салфеткой, смоченной в органическом растворителе. Далее собранная деталь помещается в рабочий объем вакуумного сушильного шкафа, производится вакуумирование рабочего объема до остаточного давления 1⋅10 мм рт.ст. После достижения остаточного давления перекрывается клапан откачки воздуха из рабочего объема и производится нагрев до температуры 90°С со скоростью 1°С/мин и выдержка при этой температуре 10 минут. Далее производится нагрев до температуры 300°С со скоростью 1°С/мин, после чего производится выдержка в течение 5 минут. Охлаждение осуществляется со скоростью 1°С/мин до комнатной температуры. Нагрев, выдержка и охлаждение осуществляется в статическом вакууме при разрежении рабочего объема камеры 1⋅10 мм рт.ст. Затем в рабочую камеру напускается воздух, камера разгерметизируется, готовое изделие извлекается.
Данным способом можно получить соединения металлов с керамикой, графитом, карбидосодержащими материалами.
Данный способ позволяет получить неразъемное соединение оптического стекла с металлом с прочностью на сдвиг порядка 6 Мпа, что соответствует паяному соединению, изготовленному с помощью высокотемпературной пайки.