КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СПАЕВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL FOR METAL-TO-CERAMIC SEALS AND METHOD OF OBTAINING THEREOF

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам для металлокерамических спаев.
Известны композиционные материалы, содержащие вольфрам, молибден, медь, никель, кобальт, бор (1, 2, 3, 4), которые используют для спаев с керамикой.
Недостатком этих материалов является недостаточная согласованность по тепловому расширению с керамиками из оксида алюминия и оксида бериллия, широко применяемыми в электронной промышленности.
Известны способы получения композиционных материалов, включающие смешивание исходных порошков, прокатку смеси порошков в полосы, спекание, прокатку спеченных полос и термообработку (5, 6).
Недостатком этих способов является ограниченность диапазона толщины полос и существенное различие физико-механических свойств в плоскости полосы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является композиционный материал для металлокерамических спаев (7) следующего состава, мас.%:
Вольфрам
30-35
Молибден
30-35
Кобальт
0,3-0,7
Бор
0,03-0,07
Медь
остальное,
выдерживая при этом соотношение вольфрама и молибдена, равное 1:1.
Недостатком данного материала является большое значение коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) в поперечном направлении проката полосы, существенно отличающееся от КЛТР керамики, что после спая приводит к возникновению опасных механических напряжений в паяном шве, а из-за недостаточной пластичности материала при прокатке после спекания по боковым кромкам полос появляются трещины, являющиеся причиной повышенного отхода материала.
Наиболее близким способом получения композиционного материала является способ получения композиционного материала для металлокерамических спаев, включающий смешивание исходных порошков, прокатку смеси в полосы, пересыпание полос алундовым порошком, спекание в среде водорода при 1200°С и прокатку спеченных полос (7).
Данный способ получения композиционного материала позволяет получать полосы с широким диапазоном толщин, но при термообработке имеет место расслоение полос, а после прокатки спеченного пакета возникает анизотропия физико-механических свойств полученного материала.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение композиционного материала без расслоения, с достаточной пластичностью и изотропными физико-механическими свойствами в плоскости полосы, с КЛТР, близким к КЛТР керамики.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается тем, что в состав композиционного материала, включающий вольфрам, бор и медь, дополнительно введены марганец, никель, литий и кремний при следующих соотношениях компонентов мас.%:
Вольфрам
69-71
Бор
0,05-0,15
Марганец
0,1-0,3
Никель
0,2-0,3
Литий
0,03-0,14
Кремний
0,2-0,3
Медь
остальное
В заявляемом способе получения композиционного материала, включающем смешивание исходных порошков, прокатку смеси в полосы, полосы из прокатанной смеси спекают и прокатывают, после чего их собирают в пакет с чередованием полос вдоль направления прокатки и поперек направления прокатки, сжимают до сплошного соприкосновения соединяемых поверхностей полос во время нагрева и нагревают до температуры 1200-1300°С.
Технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать выводы о соответствии заявленных технических решений критерию новизны.
Композиционный материал с достаточной изотропностью свойств в плоскости полосы, без внутренних расслоений и согласованный по КЛТР с керамикой получен благодаря введению в его состав новых компонентов, а именно марганца, никеля, лития и кремния в заявленных соотношениях, которые в комплексе связывают выделяемые при нагревании газообразные продукты в устойчивые тугоплавкие окислы и интерметаллидные соединения.
Некоторые элементы, введенные в заявляемый материал, известны в аналогах, например никель, бор, марганец. Однако их применение без сочетания с другими компонентами в заявленных соотношениях не обеспечивает получение материала со свойствами, которые обеспечиваются в заявленном решении.
Введение в состав шихты материала уменьшенного количества марганца, никеля, карбоната лития и кремния не обеспечивает надежного соединения пакета полос материала при термообработке, т.к. количества указанных компонентов недостаточно для перевода выделяемых газообразных соединений в окислы и интерметаллиды.
Введение в состав материала повышенного количества марганца, никеля, карбоната лития и кремния не приводит к заметному снижению способности соединения полос в пакете и изменению КЛТР, но снижает электропроводность и теплопроводность материала.
Достижению технического результата также способствует то, что в заявленном способе получения композиционного материала перед сборкой пакета полос полосы прокатанной смеси спекают, прокатывают, затем пакет собирают с чередованием направления полос вдоль проката и поперек проката, сжимают его до сплошного соприкосновения соединяемых поверхностей полос и нагревают до температуры 1200-1300°С.
Спекание и прокатка полос прокатанной смеси перед сборкой пакета увеличивает плотность и снижает КЛТР композиционного материала, а сборка пакета полос с чередованием направления полос вдоль проката и поперек проката обеспечивает практически одинаковые значения КЛТР по всем направлениям в плоскости спеченного пакета.
Нагрев собранного пакета полос до температуры ниже 1200°С приводит к появлению частичного расслоения материала. Нагрев собранного пакета полос до температуры выше 1300°С не приводит к заметному улучшению качества соединения полос в пакете, увеличивая в то же время массоперенос паров меди, что может привести к обеднению в поверхностных слоях содержания меди и недопустимому повышению КЛТР в них.
Тем самым, новая совокупность признаков позволяет сделать заключение о соответствии заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Пример. Полосы из композиционных материалов с составами, приведенными в таблице, получали методом прокатки на стане с горизонтальным расположением валков. Порошки смешивали в шаровой мельнице и прокатывали до толщины полос 1,2±0,1 мм. Затем полосы спекали при температуре 1250°С, прокатывали до толщины 0,5±0,04 мм и собирали в пакеты из четырех полос с чередованием направления полос вдоль проката и поперек проката. После сжатия пакетов до сплошного соприкосновения соединяемых поверхностей полос их нагревают до температуры 1100°С, 1200°С, 1250°С, 1300°С и 1400°С в течение 30 минут.
В п.1 таблицы приведен материал, соответствующий по составу и способу получения композиционному материалу-прототипу.
Из полученного материала были вырезаны пластины толщиной 2 мм с размерами 20×30 мм, которые спаяли с пластинами толщиной 1,5 мм из алюмооксидной керамики ВК 94-1 припоем на основе серебра при температуре 820°С. На пяти спаянных образцах были замерены величины прогибов внешней поверхности композиционного материала. Кроме того, были измерены значения КЛТР на пяти образцах композиционного материала каждого состава. Результаты измерений приведены в таблице.
-6
-1
-6
-1
Из таблицы следует, что композиционный материал, полученный по предлагаемому способу, не имеет расслоений, анизотропия КЛТР в сравнении с прототипом уменьшилась с 2,2·10 град до 0,1·10 град, а величина прогиба образца материала с напаянной керамикой уменьшилась с 0,06 мм до 0,003 мм.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. А.С. СССР №655739, кл. С22С 27/04, 1978.
2. А.С. СССР №905305, кл. С22С 27/04, 1982.
3. Патент Японии №49-20691, кл. 10q 51, 1974.
4. Патент Японии №56-4618, кл. С22С 9/100, 1981.
5. Пономарев В.А., Хозиков B.C., Гетманский Ю.Е. Получение молибдено-медных псевдосплавов методом прокатки порошка. Электронная техника. Сер. Технология, организация производства и оборудование. 1974, вып.4, с.128-132.
6. Пономарев В.А., Шмелев Л.С., Хозиков B.C. Освоение производства лент из молибдено-медных псевдосплавов прокаткой порошка. Порошковая металлургия. Сер. Обмен опытом и информацией. №3, Киев. 1981, с.101-103.
7. А.С. СССР №1336592, кл. С22С 30/02, 1987.
Таблица
№ п/п
Содержание компонентов, мас.%
Температура нагрева пакета, °С
КЛТР, °С
Дефекты
Величина прогиба образца спаянного с керамикой, мм
Наличие трещин на керамике
W
Мо
В
Mn
Ni
Li
Si
Cu
Вдоль полосы
Поперек полосы
Вдоль полосы
Поперек полосы
1
32,5
32,5
-
-
-
-
-
Остальное
1200
6,3
8,5
Имеются между слоями полости до 30 см<sup>2</sup>
0,01
0,06
есть
2
68
-
0,03
0,05
0,05
0,02
0,1
1100
6,7
6,8
Имеются между слоями полости до 15 см<sup>2</sup>
0,005
0,005
нет
3
69
-
0,05
0,1
0,1
0,03
0,2
1200
6,6
6,7
нет
0,003
0,003
нет
4
70
-
0,1
0,2
0,2
0,1
0.3
1250
6,5
6,6
нет
0,004
0,003
нет
5
71
-
0,15
0,3
0,3
0,14
0,4
1300
6,5
6,6
нет
0,005
0,003
нет
6
72
-
0,2
0,4
0,4
0,2
0,5
1300
6,5
6,6
нет
0,004
0,002
нет