Особую трудность представляет соединение стекла с металлом. Требуемая степень согласованности коэффициентов термического расширения а стекла и металла зависит от вида соединения, пластичности используемого металла и технологии отжига. Кроме того, представляет проблему получение вакуум-но-плотного соединения металла и стекла ввиду их плохой ко-гезии. Для преодоления этой трудности обычно поверхность металла предварительно оксидируют; в процессе пайки слой оксида металла до некоторой степени растворяется в стекле, улучшая когезию.

Для некоторых сочетаний стекло — металл слой оксида образуется в процессе соединения, так что не требуется предварительное оксидирование металла. Еще одним условием получения хорошего соединения является тщательное обезгаживание металла, иначе в стекле в месте соединения могут образоваться пузырьки воздуха, которые могут стать источником натекания газа в вакуумной системе.

В случае стеклометаллического соединения, работающего в широком диапазоне температур, необходимо рассматривать поведение кривых термического расширения используемых материалов во всей области температур — от комнатной до температуры размягчения стекла. Термическое расширение стекла изменяется практически линейно вплоть до точки отжига, где резко возрастает.

Для чистых металлов термическое расширение близко к линейному при любых температурах. Следовательно, некоторые чистые металлы можно соединять со стеклами, не опасаясь возникновения значительных напряжений, за исключением вольфрама и молибдена, для которых пригодны лишь специальные боросиликатные стекла. Вольфрам,  может соединяться с боро-силикатным стеклом марки 7720 или ему подобным, а молибден — со стеклом марки 7052, обладающим более низкой температурой плавления (см. табл. 2.1).

Спаи проволоки или стержней из этих металлов со стеклом не должны испытывать существенных напряжений сжатия. Поэтому пайку следует проводить с осторожностью, чтобы не переоксидировать металл, гак как и молибден, и вольфрам легко окисляются, а образующийся слой окисла обладает плохой когезией. Такие соединения предназначаются в первую очередь для сверхвысокого вакуума, особенно когда требуются немагнитные соединения.

Для получения термо-компенсированных (согласованных) соединений стекла с металлом используют специальные сплавы железа. За основу берется желе-зоникелевый сплав, а для которого можно подбирать в соответствии с сортом технического стекла за счет изменения содержания никеля (в пределах 35— 60%). Коэффициенты термического расширения а этих сплавов начинают быстро возрастать при температуре магнитного перехода (точка Кюри Тк), что достаточно хорошо согласуется с поведением стекла при температуре отжига. Типичные графики для коэффициента термического расширения сплавов этого типа, выпускаемых в Великобритании, представлены на рис. 2.12.

На этом же рисунке также представлены кривые термического расширения двух стекол, соответствующих выбранным сплавам, а в табл. 2.9 — составы сплавов и марки соответствующих стекол. Для железоникелевого сплава, не содержащего никаких специальных добавок, уменьшение содержания никеля приводит к снижению коэффициента термического расширения, но, к сожалению, при одновременном понижении температуры Кюри.

 

Таблица Марки железоникелевых сплавов и стекол для термокомпенсированных вакуумных соединений

Чтобы повысить герметичность и прочность соединения, в сплав часто добавляют небольшое количество хрома (0,8-^6%). Образующийся в процессе пайки оксид хрома хорошо растворяется в стекле и обладает хорошей когезией к металлу. Можно также покрывать сплав тонким слоем меди.

Для этого пруток из основного сплава 42Ni—58Fe покрывается медью и затем вытягивается. Образующаяся после вытягивания проволока покрывается слоем расплавленной буры (бората), под действием которой в процессе впайки проволоки в стекло образуется красный оксид меди, который обеспечивает хорошее соединение стекла с медью.

Несмотря на то что коэффициент термического расширения сплава Ni—Fe значительно ниже, чем для большинства мягких стекол, высокая когезия оксида и пластичность меди позволяют получать хорошее соединение даже со свинцовым стеклом.

Добавление кобальта к железоникелевому сплаву или частичное замещение никеля кобальтом приводит к повышению температуры Кюри без существенного изменения а (рис. 2.12). Такие сплавы используются при соединении с твердыми стеклами и представляют наибольший интерес для вакуумной техники.

Первым сплавом, разработанным для соединения со стеклом, был ковар, состоящий из 54% Fe, 29% Ni и 17% Со.  Ковар дает термокомпенсированные соединения с боросиликатным стеклом типа 7052. В настоящее время во многих странах выпускаются аналогичные сплавы под различными названиями, например вакон-12, телкосил-1 и нило-К. Эти высокочистые сплавы обычно изготовляются методом вакуумной плавки, а готовые для соединения элементы предварительно прокаливаются в вакууме. Как правило, перед соединением со стеклом сплав предварительно оксидируется, но в некоторых случаях (особенно для стекол, изготовленных методом спекания) предварительного окисления не требуется. В условиях низких температур ковар следует использовать с осторожностью, поскольку при 720 К изменяется его структура, вследствие чего повышается а. При низких температурах применяют специальные сплавы.

Если трубки из стекла и из нержавеющей стали соединяются коваровым переходником, то минимальная длина коваро-вой трубки, необходимая для предотвращения концентрации напряжений в стекле, определяется по формуле

где а — радиус и h — толщина стенки трубки.

В любой высоковакуумной системе число элементов из ко-вара, образующих высоковакуумную оболочку, должно быть минимально ввиду относительно высокой газопроницаемости ковара по отношению к водороду.

Другим сплавом, используемым для соединения с мягким стеклом, является сплав железа с хромом. Он широко применяется в электровакуумном производстве, во-первых, вследствие того, что не может быть переоксидирован и поэтому допускает более свободные технологические режимы изготовления соединения, и, во-вторых, благодаря его жесткости, которая позволяет вводить свинцовую проволоку непосредственно в разъем.

Термонекомпенсированные соединения могут быть изготовлены из пластичных металлов типа платины или меди, так что напряжения, возникающие в зоне соединения, с изменением температуры будут релаксировать за счет деформации металла. Для этого профиль стенки медной трубки в месте соединения со стеклом значительно утончают, делая его подобным профилю стального пера (так называемое соединение типа Хаускипера). Удается получить аналогичные соединения даже с нержавеющей сталью [44]. Альтернативные соединения, называемые соединениями с термокомпрессионной связью, выполняются с помощью прокладок из мягкого металла (индия или золота), помещаемых между соединяемыми металлом и стеклом.

Вследствие высокой пластичности золото и индий частично поглощают напряжения, возникающие в результате несоответствия коэффициентов термического расширения соединяемых деталей. Этот метод усовершенствован применительно к соединению стекла с более твердыми металлическими материалами, такими, как ковар, при температурах ниже то чки размягчения. Соединение осуществляется за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия Такое соединение требует особой чистоты поверхностей и их полировки с высокой степенью точности.