СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАТИНИТОВОЙ ПРОВОЛОКИ
METHOD OF MANUFACTURING PLATINITE WIRE

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в метизной промышленности при производстве платинитовой проволоки, предназначенной для изготовления электровакуумных и полупроводниковых приборов.
Известны способы получения платинитовой проволоки, один из которых включает сборку ферроникелевого сердечника с медной трубкой (платинит трубчатый), а другой - гальваническое нанесение меди на ферроникелевый сердечник (платинит гальванический), обжатие заготовки волочением и борирование платинита (платинит борированный) на конечном размере (см. ОСТ 11.0077-84. ПЛАТИНИТ. Введен с 01.01.87 г., с.2).
Недостатком известных способов является низкое качество получаемой платинитовой проволоки за счет того, что образуемый на ее поверхности борнозакисный слой при толщине 5-6 мкм имеет неоднородность состава в виде включений окиси меди и буры. Кроме того, поверхностный борнозакисный слой проволоки, обладая высокой хрупкостью, предрасположен к разрушению с потерей его сплошности, что также снижает качество проволоки в части потребительских свойств.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ получения платинитовой проволоки, включающий формирование композиционной заготовки из ферроникелевого сердечника и медной оболочки, нагрев заготовки до температуры 850-920°С с последующей пластической деформацией до заданного конечного размера проволоки. При этом на стадии подготовки компонентов производят обезжиривание и зачистку контактирующих поверхностей в среде защитного газа, например азота, при избыточном давлении и дополнительную обработку контактирующих поверхностей в вакууме до получения нормируемой шероховатости (см. А.С. СССР №1759497, В21С 23/22).
Недостатком известного способа является низкое качество платинитовой проволоки за счет недостаточной адгезионной способности получаемой медной поверхности. При использовании в качестве электроввода в приборах в стеклянном корпусе такая платинитовая проволока не обеспечивает надежное вакуум-плотное соединение между платинитовой проволокой и стеклом.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении качества платинитовой проволоки за счет формирования на ее поверхности меднозакисного слоя с регулируемой толщиной и составом, обладающего высокой адгезионной способностью при спайке со стеклом.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления платинитовой проволоки, включающем формирование композиционной заготовки из ферроникелевого сердечника и медной оболочки, нагрев заготовки до температуры 850-920°С с последующей пластической деформацией до заданного конечного размера, согласно изобретению после пластической деформации поверхность проволоки очищают и обрабатывают поверхностно-активным веществом, затем ее повторно нагревают до температуры 900-950°С в проходной печи, в ограниченном пространстве которой формируют среду с парциальным давлением кислорода, равным, по меньшей мере, 10 мм рт.ст., после чего нагретую проволоку окисляют в атмосфере и последовательно охлаждают в паровоздушной и пароводяной средах, при этом время окисления и охлаждения регулируют в зависимости от нормируемой толщины и состава оксидного слоя. Причем в качестве поверхностно-активного вещества используют 0,25% водный раствор борной кислоты.
Заявляемый способ изготовления платинитовой проволоки осуществляют следующим образом.
Предварительно формируют композиционную заготовку из ферроникелевого сердечника и медной оболочки. Для этого на ферроникелевую проволоку накладывают медную ленту, сформированную в виде трубы, и производят сварку ее кромок. Затем заготовку нагревают до температуры 850-920°С и прокатывают, например, в последовательно расположенной группе прокатных клетей в горячем состоянии для получения надежного соединения сердечника и оболочки. После чего заготовку подвергают пластической деформации на волочильных станах до заданного конечного размера платинитовой проволоки. После пластической деформации поверхность платинитовой проволоки очищают, например, в этиловом спирте и обрабатывают поверхностно-активным веществом (ПАВ), в качестве которого используют 0,25% водный раствор борной кислоты.
Заявляемая обработка поверхности платинитовой проволоки на данном технологическом этапе способствует формированию на ее поверхности сплошного равномерного по толщине меднозакисного слоя без наличия в нем каких-либо посторонних примесей. Кроме того, применение ПАВ заявляемой концентрации обеспечивает смачивание платинитовой проволоки, что в последующих технологических операциях позволяет активизировать взаимодействие поверхности проволоки с паровоздушной и пароводяной средами.
Обрабатывать поверхность проволоки ПАВ с концентрацией больше 0,25% нецелесообразно, так как в этом случае на поверхности ее наблюдается заметный белый налет, что снижает качество поверхности проволоки, а концентрация раствора ПАВ меньше 0,25% приводит к неоднородности цвета и образованию точечных дефектов на поверхности в виде «выкрошки» меднозакисного слоя.
-3
Очищенную и обработанную ПАВ платинитовую проволоку повторно нагревают до температуры 900-950°С в проходной печи, в ограниченном пространстве которой формируют среду с парциальным давлением кислорода, равным не более 10 мм рт.ст. Для этого пространство печи, в котором осуществляют нагрев, ограничивают керамическим муфелем (трубой) длиной 600 мм с диаметром внутреннего канала 2,5 мм. При прохождении через него переднего заправочного конца проволоки на ее поверхности образуется оксидная пленка, состоящая из смеси закиси меди и окиси меди и имеющая цвет от черного до грязно-бурого. По мере прохождения проволоки цвет и состав оксидной пленки изменяются. Это обусловлено тем, что в условиях созданного ограниченного массообмена между пространством проходной печи и атмосферой в пространстве печи формируют газовую среду с пониженным парциальным давлением кислорода. При этом размеры внутреннего канала печи выбирают таким образом, чтобы динамическое равновесие состава газовой среды наступало при парциальном давлении кислорода не более 10 мм рт.ст., что по содержанию кислорода соответствует диапазону низкого вакуума с давлением воздуха не более 825,2 Па или 8,4×10 ат.
Заявляемый температурный режим, состав и давление газовой среды в проходной печи позволяют осуществлять безокислительный нагрев платинитовой проволоки, обеспечивая при этом дальнейшее равномерное формирование тонкой меднозакисной пленки толщиной до 1 мкм, имеющей бледно-розовый цвет, что характеризует повышение качества изготавливаемой платинитовой проволоки.
Формировать газовую среду с парциальным давлением кислорода больше 10 мм рт.ст. нецелесообразно, так как в этих условиях на поверхности платинитовой проволоки за время нагрева будет сформирована окисная пленка с толщиной более 2 мкм, придающая проволоке бурый оттенок, что ухудшает качество последней.
При температуре нагрева проволоки менее 900°С в пространстве проходной печи не обеспечивается создание необходимой газовой среды, в результате чего на поверхности платинитовой проволоки будет присутствовать окись меди, имеющая бурый цвет, что снижает потребительские качества готовой продукции. При нагреве платинитовой проволоки до температуры более 950°С возникает вероятность оплавления медной оболочки, что также снижает качество платинитовой проволоки.
Нагретую в проходной печи платинитовую проволоку окисляют вначале в атмосфере. При этом окисление поверхности проволоки протекает по следующим реакциям:
2
2
2
4Cu+O=2CuО, 2Cu+О = 2CuO,
2
с образованием на ее поверхности закиси (CuO) и окиси (CuO) меди. Продолжительность высокотемпературного окисления проволоки в атмосфере регулируют длиной зоны окисления в зависимости от требуемой конечной толщины меднозакисной пленки, формируемой на поверхности платинитовой проволоки и обеспечивающей ее высокие потребительские свойства.
Затем окисленную платинитовую проволоку последовательно охлаждают в паровоздушной и пароводяной средах. При этом паровоздушную среду формируют в цилиндрической проходной камере. Парообразование в этой камере осуществляют путем погружения в воду нагретой до температуры 900-950°С окисленной платинитовой проволоки. Это позволяет на поверхности платинитовой проволоки одновременно осуществлять диссоциацию окиси меди по реакции:
2
2
4CuO=2CuO+O
и высокотемпературное окисление меди в присутствии паров воды:
2
2
2
2Cu+НО=CuО+H.
При этом наращивание толщины меднозакисного слоя до заданной величины регулируют уровнем воды в камере. Уменьшение уровня воды позволяет увеличить толщину меднозакисной пленки за счет увеличения времени окисления поверхности проволоки. И, наоборот, увеличение уровня воды в камере позволяет уменьшить толщину меднозакисного слоя за счет уменьшения времени окисления поверхности проволоки. Таким образом, применение паровоздушной среды на заключительной стадии высокотемпературного окисления обеспечивает формирование качественной оксидной пленки требуемого состава, структуры и заданной толщины с характерным глянцевым блеском поверхности.
Окончательно платинитовую проволоку охлаждают в пароводяной среде путем ее погружения в воду.
После этого платинитовую проволоку наматывают на катушку, после чего она готова к использованию.
Для обоснования преимуществ заявляемого способа изготовления платинитовой проволоки по сравнению с прототипом и выбора оптимальных технологических режимов были проведены лабораторные испытания.
В лабораторных испытаниях композиционную заготовку ⌀8,0 мм формировали из ферроникелевого (сплав марки 43Н) сердечника ⌀7,2 мм и медной (медь марки М0) ленты толщиной 0,40 мм. Заготовку нагревали в индукционной проходной печи (мощность печи 150 кВт) до температуры 900°С и в нагретом состоянии прокатывали в прокатном блоке, состоящем из двух двухвалковых приводных клетей со схемой калибровки валков овал - круг. Размер получаемой заготовки ⌀6,0 мм. Полученную таким образом катанку перетягивали на волочильных станах (сухое волочение до ⌀1,2 мм и мокрое волочение до ⌀0,35 мм).
Проволоку, промытую (с помощью протиров) в этиловом спирте и обработанную ПАВ, подвергали повторному нагреву до температур в диапазоне от 750 до 1050°С в специально изготовленной проходной печи длиной 600 мм и мощностью 750 Вт. Для нагрева использовали три варианта размеров керамических труб, применяемых в качестве муфеля: с внутренним диаметром 30 (режим 1), 10 (режим 2) и 2,5 мм (режимы 3-7). В качестве камеры с паровоздушной средой использовали керамическую трубку с внутренним диаметром 4 мм, погруженную одним концом в воду и имеющую возможность перемещения вдоль оси платинитовой проволоки.
Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице.
Из результатов, приведенных в таблице, видно, что заявляемый способ изготовления платинитовой проволоки по сравнению с прототипом позволяет формировать на медной поверхности проволоки дополнительный меднозакисный слой с регулируемой толщиной, равной 1,0-2,0 мкм и имеющей цвет от светло-коричневого до вишневого (в зависимости от толщины) с характерным глянцевым блеском (опыты 3-5). При этом состав, структура и толщина меднозакисного слоя отвечают повышенным требования, предъявляемым к качеству поверхностного слоя платинитовой проволоки.
Изготавливать платинитовую проволоку с режимами, выходящими за минимальные заявляемые режимы, нецелесообразно, так как на поверхности проволоки имеются бурые включения, являющиеся закисью меди (опыты 1 и 2), что снижает качество платинитовой проволоки. Изготавливать платинитовую проволоку с режимами выше заявляемого диапазона также нецелесообразно, так как в этом случае наблюдается увеличение толщины оксидной пленки и оплавление медной оболочки (опыт 6), что также снижает качество проволоки.
2
2
3
Таким образом, заявляемый способ изготовления платинитовой проволоки позволяет повысить ее качество за счет формирования на поверхности дополнительного меднозакисного слоя требуемых параметров: толщины, состава и структуры, что обеспечивает возможность ее использования в электронной промышленности, так как меднозакисный слой способствует повышению адгезии поверхности проволоки при спайке ее со стеклом. Сформированный на поверхности платинитовой проволоки оксидный слой при пайке взаимодействует с окислами структурной сетки стекла с образованием слоя, состоящего из кристаллов сложных соединений типа шпинелей: CuО·AlО, и получением гарантированного вакуум-плотного спая.
Таблица
Контролируемые параметры
Значения
Прототип
Режимы по заявляемому способу
1
2
3
4
5
6
Температура первичного нагрева, °С
900
900
900
900
900
900
900
Температура повторного нагрева, °С
-
750
800
900
930
950
1050
Парциальное давление, мм рт.ст.
-
95
35
6
7
9
7
Длина зоны окисления, мм
-
10
20
5
10
20
20
Толщина оксидной пленки, мкм
нет
0,5
1,5
1,0-1,5
1,0-2,0
1,5-2,0
2,2-2,5
Состав поверхностного слоя
медь
окись меди
закись окись
закись меди
закись меди
закись меди
закись меди
Цвет платинитовой проволоки
-
бурые включения
св.-коричн.
св.-вишнев.
вишневый
розово-коричн., оплавление меди