Сплав 24НК

Сплав 24НК — прецизионный деформируемый сплав системы железо–кобальт–никель, относящийся к группе III по ГОСТ 10994-74 — сплавам с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Главное функциональное назначение: изготовление вакуумноплотных металлокерамических спаев с керамиками типа «поликор» (≥ 99% Al₂O₃), «22ХС» (стеатит) и монокристаллическим корундом (лейкосапфир) с применением высокотемпературных активных припоев с температурой плавления 800–1000 °С.

Назначение и принцип работы металлокерамического спая

Вакуумноплотное металлокерамическое соединение держится только при близком совпадении ТКЛР соединяемых материалов в рабочем диапазоне температур. Если расхождение велико, при термоциклировании в керамике возникают растягивающие напряжения, которые при превышении порога ~10 МПа приводят к растрескиванию и потере герметичности.

Поликор (Al₂O₃ 99,7%) имеет ТКЛР порядка 7,5–8,0 × 10⁻⁶ К⁻¹ в диапазоне 20–400 °С; стеатитовая керамика 22ХС — около 8,5 × 10⁻⁶ К⁻¹. Состав сплава 24НК подобран именно под эти значения. Это принципиальное отличие от сплава 29НК (ковар), ТКЛР которого (~5,5 × 10⁻⁶ К⁻¹) согласован с боросиликатным стеклом, но не подходит для высокоглинозёмистой керамики и лейкосапфира.

Область применения сплава 24НК: электровакуумная и СВЧ-техника, рентгеновские трубки, герметичные корпуса высоковольтных вводов, изоляторы, оптические окна на основе лейкосапфира, приборы специального и научного приборостроения.

Химический состав и расшифровка марки

Обозначение марки по ГОСТ 10994-74 строится по принципу «цифра + буква = содержание элемента»: «24Н» означает ~24% никеля, «К» — кобальт. Железо составляет основу и в марке не указывается. Примеси строго ограничены, поскольку хром, молибден и другие легирующие элементы нарушают форму кривой ТКЛР, что недопустимо для спаесочного применения.

Повышенное содержание кобальта (~28%) в сравнении с 29НК (~17% Co) принципиально изменяет характер кривой ТКЛР и обеспечивает согласование с более «жёсткими» в тепловом отношении высокоглинозёмистыми керамиками. Принадлежность к прецизионным сплавам означает, что химический состав контролируется при каждой плавке, а не периодически.

Физические свойства

Выплавка и требования к чистоте сплава

Сплав 24НК выплавляется в вакуумных индукционных печах. Вакуумный передел обязателен: атмосферная выплавка не обеспечивает необходимый контроль газов и примесей, влияющих на точность ТКЛР. Посторонние элементы (хром, молибден, медь, алюминий) нежелательны и нормируются ГОСТ 10994-74 через таблицу допустимых примесей.

Подготовка к пайке со стеклом и керамикой

Перед сборкой спая детали из сплава 24НК проходят отжиг в атмосфере влажного водорода при температуре 800–900 °С для снятия наклёпа и удаления загрязнений поверхности. После этого в контролируемых условиях (температура и время выдержки на воздухе) формируют оксидную плёнку нужной толщины. Плёнка состоит преимущественно из оксидов кобальта и никеля и необходима для смачивания расплавленным активным припоем и адгезии к керамике. Качество оксидной плёнки критично: слишком тонкая — плохое смачивание, слишком толстая — механически слабый слой.

Для пайки применяют высокотемпературные активные припои с температурой ликвидуса 800–1000 °С. Флюсы при пайке с поликором и лейкосапфиром, как правило, не используются — пайка выполняется в вакууме или в контролируемой атмосфере.

Формы поставки

Сплав 24НК поставляется в виде прутков (горячекатаных, кованых, шлифованных), листов, ленты и проволоки. Конкретный сортамент, допуски на размеры и состояние поставки определяются технической документацией на конкретную металлопродукцию. Поверхность не должна иметь трещин, рванин, раскатанных пузырей.

Нормативная документация

Сплав 24НК производится в соответствии с ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки», группа III — сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.