Развитие и совершенствование современного приборостроения, электронной, авиационной и других отраслей промышленности невозможно представить без применения новых конструкционных материалов на основе керамики, ситаллов, кварца, сапфира, ферритов и других неметаллических материалов. Эти материалы созданы на основе оксидов различных элементов и обладают уникальными физико-химическими свойствами. Их часто используют в сочетании с другими материалами, из них изготовляют элементы простой конфигурации, которые затем с помощью сварки соединяют в сложные конструкции.

Способы сварки плавлением, как правило, не пригодны для соединения металлов с керамическими материалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. В Советском Союзе выполнен ряд крупных научных исследований по соединению керамических материалов диффузионной сваркой, среди которых особое место занимают работы Н. Ф. Казакова, М. X. Шоршорова, Ю. Л. Красулина, Э. С. Каракозова, Г. В. Конюшкова, Ю. Н. Копылова, О. А. Бельтюкова, А. В. Козловского, И. И. Метелкина, М. А. Павловой и др. Несмотря на то, что исследованиями занимается большой круг ученых, в настоящее время еще нет полного представления о физико-химических процессах, протекающих в зоне соединения металлов с неметаллами.

Условия, необходимые для осуществления диффузионной сварки металлов, отличаются от условий сварки неметаллических материалов. Тип связей, возникающих в соединении, определяется природой самих соединяемых материалов, поэтому в зависимости от физико-химических свойств соединяемых пар могут изменяться условия и некоторые параметры сварки.

На механизм соединения металла со стеклом в разное время имелось несколько точек зрения. Так, теория механического соединения предполагала, что соединение образовывалось вследствие заполнения стеклом имевшихся в металле углублений. Дендритная теория объясняла образование соединения в результате роста дендритов выделившегося железа при разложении оксидов в процессе вплавления эмалевой фритты на железные пластины, а согласно электрохимической теории в расплаве стекла более благородные металлы вытесняются менее благородными, как это имеет место в насыщенных растворах.

Наибольшее число подтверждений получила теория оксидного соединения, которая объясняет механизм соединения стекла с металлом через слой оксида. В литературе опубликовано достаточно много результатов исследований, которые показали, что взаимодействие стекла с такими металлами, как W, Mo, Fe, Ni, Cr и их сплавами, осуществляется через оксидные слои, которые получены на этих металлах специальными способами. Объясняется это тем, что оксиды металла и стекла обладают ионной структурой, т. е. построены из ионов металла и кислорода. Поэтому между стеклом и оксидом металла образуется переходная структура, в которой ионы соединенного со стеклом металла постепенно, по мере приближения к стеклу, замещаются ионами кремния.

Несмотря на то, что теория оксидного соединения имеет наибольшее число сторонников, ее положения не являются всеобщими, так как присутствие оксида в некоторых случаях не является обязательным условием для образования соединения металлов с неметаллами. Например, платина является для соединения со стеклом благоприятным металлом, хотя при нагреве и не образует оксидной пленки.

В работах В. А. Преснова показано, что соединение керамики с металлом аналогично соединению металла со стеклом. При этом рассматривают две стадии процесса взаимодействия. На первой стадии происходят физическая адсорбция и смачивание, на второй образуется прочная связь между разнородными веществами в результате химических реакций и продолжительной диффузии. Прочное соединение обеспечивается кислотно-основным взаимодействием с образованием в переходном слое химического соединения. При этом кислотные оксиды являются акцепторами электронов, а основные - донорами электронов. Экспериментальные исследования соединений керамики с металлом и металла со стеклом показали наличие переходного слоя. Эти исследования позволяют выявить черты, характерные как для спая стекла с металлом, так и для спая керамики с металлом.

Однако эта теория все же не позволяет создать полную картину взаимодействия, особенно при образовании соединений керамики с такими активными металлами, как титан, цирконий, алюминий, магний и некоторыми другими.

Дальнейшее развитие теория образования соединений металлов с неметаллическими материалами при сварке в твердом состоянии получила в трудах Н. Ф. Казакова, Ю. Л. Красулина, Э. С. Каракозова, М. X. Шоршорова и других ученых. Работы этих авторов открыли широкие перспективы для исследований термодинамики и кинетики процессов образования соединений, а также построения моделей управления технологическим процессом сварки. Однако существует ряд нерешенных проблем, связанных с образованием физического контакта, зарождения и развития очагов взаимодействия и кинетики топохимических реакций при диффузионной сварке стекла и керамики с металлами. Сейчас с уверенностью можно утверждать, что на протекание топохимических реакций большое влияние оказывают микродефекты структуры и активационные процессы.

Процесс взаимодействия представлен тремя этапами. На первом этапе происходит сближение соединяемых поверхностей в результате пластической деформации одной или обеих соединяемых деталей до появления физических сил взаимодействия, обусловленных силами Ван-дер-Ваальса, т. е. образование физического контакта.

На втором этапе происходит активация поверхностей, следствием которой является образование активных центров и переход атомов из состояния физической адсорбции в состояние химической адсорбции. С образованием активных центров начинается заключительный этап взаимодействия, в результате которого развиваются процессы диффузии, которые в свою очередь придают развитию соединения объемный характер. Топохимическая реакция на заключительной стадии происходит не только по фронту взаимодействия, но и по телу зерна. При этом диффузионные процессы являются основополагающими, поскольку только они обеспечивают перенос вещества через продукты взаимодействия в зону реакции. Трехстадийный процесс взаимодействия может развиваться дискретно, т.е. в отдельных зонах одна стадия может опережать другую или независимо развиваться в нескольких очагах одновременно.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Твердофазное взаимодействие металлов с неметаллами. Структуры стекла и керамики и диффузионные процессы в них. Термодинамика твердофазных реакций.

Образование физического контакта. Создание активных центров и образование очагов взаимодействия. Механизм и кинетика топохимических реакций в зоне контакта.

Свойства стекол. Сварка кварцевых стекол с металлами. Сварка оптических и электротехнических стекол с металлами. Ситаллы и сварка их с металлами.

Свойства высокоглиноземистой керамики и способы ее получения. Сварка высокоглиноземистой керамики с металлами. Сварка ферритов с металлами. Сварка пьезокерамики с металлами.