Способ пайки

 

СПОСОБ ПАЙ1Ш некапшшярных соединений, пру котором в зазоре размещают смесь тугоплавкого и легкоплавкого металлических порошков, производят нагрев до температл выше температуры плавления легкоплавкой фракций порошковой смеси, но ниже температуры плавления паяемого материала, и щхшзводят растворение тугоплавкой фракции в расплаве , отл ич ающий с я тем, что, с целью повышения жаропрочности соединений путем приближения состава шва к составу паяемого материала , в качестве легкоплавкой фракции берут порошок, по химическому соЬтаву соответствукщий составу ликвата паяемого материала, имеющего наименьшую температуру плавления, (О a в качестве тугоплавкой фракции порошок , соответствукщий составу с основной фазы твердого раствора паяемого материала. §

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С0ЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУЬЛИН ая} (1}) g }} В 23 К 1/00 (21) 3511947/25-27 (22) 18.11.82 (46) 15.10.84. Бюл. N 38 (72) А.Е. Шапиро (53) 621.791.3(088.8) (56) 1. Березников }О.И., Зеленов А.Н. Пастообразные припои и технологические особенности широкозазорной пайки. Сб. "Повышение качества и эффективности сварочного производства на предприятиях г. Москвы", Y. МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, 1980, с. 136-143.

2. Патент США N - 3696500, кл. 29-487, опублик. 10. 10.72.

3. Японская заявка N 109188, кл. В 23 К 35/22, опублик. 31.08.81 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ПАЙКИ некапиллярных соединений, при котором в зазоре размещают смесь тугоплавкого и легкоплавкого метаплических порошков, производят нагрев до температуры выше температуры плавления легкоплавкой фракции порошковой смеси, но ниже температуры плавления паяемого материала, и производят растворение тугоплавкой фракции в расплаве, отличающийся . тем, что, с целью повышения жаролрочности соединений путем приближения состава шва к составу паяемого материала, в качестве легкоплавкой фракции берут порошок, по химическому составу соответствующий составу ликвата - анемого материала, имеющего Щ наименьшую температуру плавления, а в качестве тугоплавкой фракции— порошок, соответствующий составу основной фазы.твердого раствора паяемого материала. O

1118494 2

45

55

Изобретение относится к пайке металлов и может быть использовано в машиностроении для изготовления соединений с некапиллярными сборочными зазорами узлов двигателей и транспортных машин.

Известен способ пайки соединений с широкими (некапиллярными) сборочными зазорами, при котором в .качестве припоя используют порошковые смеси двух металлических компонентов: тугоплавкого, заполняющего зазор и нерасплавляющегося во время пайки, и легкоплавкого, расплавляющегося во время пайки и соединяющего при последующей кристаллизации паяемые детали с частицами тугоплавкого порошка. При этом в качестве тугоплавких компонентов используют порошки. чистых металлов или сплавов; иэ которых изготовлены паяемые детали, а в качестве легкоплавких компонентов — сплавы, избыточно легированные элементами, снижающими температуру плавления, например, кремнием и бором (1). . Известен также способ пайки жаропрочных сплавов, при котором в качестве припоя используют сплав, соответствующий составу ликвата паяемого металла, имеющего наименьшую температуру плавления f2) .

Этот способ из-за использования припоя, родственного по составу основному металлу, обеспечивает образование паяного соединения, имеющего однородную с основным металлом структуру и близкие механические свойства. Однако однородную структуру паяного шва можно получить этим способом только при наличии весьма малых сборочных зазоров, чтобы обеспечить достаточную полноту протекания процесса взаимной диффузии между припоем и основным металлом. Растворение в припое основного металла в первые же минуты взаимодействия приводит к насыщению тугоплавкими элементами, достаточному для изотермической кристаллизации шва. Поэтому выравнивание концентраций и образование однородной структуры соединения производят, главным образом, в твердой фазе путем длительного диффузионного отжига при высоких температурах. При толщине шва менее 0,05 мм время диффузионного отжига 12-20 ч. При сборочных зазорах более 0,1 мм время, необходимое для выравнивания химического и фазового состава шва при отжиге, вследствие малой скорости диффузии в твердой фазе настолько увеличивается, что процесс становится технологически неприемлемым..

Введение в некапиллярные зазоры

0,1-1 мм порошков чистых тугоплавких металлов или паяемых сплавов при известных способах пайки композиционными припоями j1J приводит к образованию столь неоднородной структуры, что гомогенизировать ее невозможно ни увеличением выдержки при пайке, .ни последующей термической обработкой. Неоднородность структуры некапиллярных паяных соединений резко снижает их механические свойс- ва, особенно структурно чувствительные, такие как сопротивление ползучести (жаропрочность) и ударная вязкость. Так, например, длительная прочность при 1000 С о паяных соединений никелевых сплавов, выполненных композиционными припоями, в 5-6 раз меньше прочности основного материала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ пайки некапиллярных соединений, при котором в зазоре размещают смесь тугоплавкого и легкоплавкого металлических порошков, производят нагрев до температуры выше температуры плавления легкоплавкой фракции порошковой смеси, но ниже температуры плавления паяемого материала, и производят растворение тугоплавкой фракции в расплаве. Данный способ позволяет получить однородный паяный шов при более низкой температуре пайки, чем при пайке цельнолитым припоем (3) .

Недостатком способа является отличие состава шва от основного материала, что приводит к снижению жаропрочности соединений.

Цель изобретения — повышение жаропрочности соединений путем приближения состава шва к составу паяемого материала.

Поставленная цель достигается. тем, что согласно способу пайки некапиллярных соединений, при котором в зазоре размещают смесь тугоплавкого и легкоплавкого металлических порошков, производят нагрев до тем40

3 11184 пературы выше температуры плавления материала легкоплавкой фракции, но ниже температуры плавления паяемого материала и производят растворение тугоплавкой фракции в расплаве, Й качестве легкоплавкой фракции берут порошок, по химическому составу соответствующий составу ликвата паяемого материала, имеющего наименьшую температуру плавления, а в качестве 10 тугоплавкой фракции — порошок, соответствующий составу основной фазы твердого раствора паяемого материала.

Использование припоя, содержащего в виде отдельных компонентов ликват и твердый раствор паяемого металла, позволяет получить паяный шов, максимально родственный этому металлу по химическому составу и структуре. ро

В предлагаемом способе в качестве припоя используют сам паяемый металл, предварительно разделенный на отдельные компоненты: ликват и твердый раствор. При этом целесооб- р5 разно использовать ликват с наименьшей температурой плавления, чтобы снизить температуру пайки и не допустить нежелательных структурных превращений в основном материале. . Проведение пайки при температуре, обеспечивающей диффузионное взаимодействие компонентов припоя в твердожидком состоянии, позволяет резко уменьшить время, необходи35 мое для образования равновесной структуры, поскольку скорость диффузии в жидкой фазе (ликвате) на несколько порядков вышее, чем при твердофазном взаимодействии.

Как показала экспериментальная проверка данного способа для пайки сплавов на никелевой основе, выдержка при температуре пайки 1520 мин достаточна для полного растворения тугоплавкого компонента припоя (порошка твердого раствора паяемого-металла) в жидком легкоплавком компоненте (ликвата паяемого металла) и изотермической кристаллизации паяного msa.

Характерная для паяных соединений зональная неоднородность структуры шва при этом полностью отсутствует. Локальная неоднородность, у образовавшаяся в паяном шве при кристаллизации в результате концентрационного и термического переох94

4 лаждения, устраняется относительно непродолжительным (8-14 ч) гомогенизирующим Отжигом °

Полученная в результате применения данного способа однородная литая структура паяного шва в сочетании с широкими переходными зонами, имеющими, практически одинаковый химический состав и твердость с паяемым материалом, обеспечивает высокие механические свойства паяного соединения, в .частности сопротивление высокотемпературной ползучести и ударную вязкость.

Жаропрочность некапиллярных нахлесточных и тавровых соединений, полученных известными способами пайки, как правило, в несколько раз меньше жаропрочности паяемого материала, что объясняется суммарным влиянием концентрации напряжений в местах перехода от одной детали к другой и неоднородностью структуры соединения, имеющего несколько зон, различных qo составу и твердости: паяемый металл, переходные зоHbI зоны твердого раствора в шве и ликвационные прослойки. Предлагаемый способ позволяет предельно выровнять все структурные зоны некапиллярного паяного изготовляют по составу и твердости, и тем самым исключит» отрицательное влияние зональной неоднородности на механические характеристики соединения. Жаропрочность паяных соединений, полученных данным способом, всего на 30-40Х ниже, чем паяного металла, т.е. паяное соединение работает как монолитный металл, имеющий лишь конструктивный концентратор напряжений.

Пример . Производят пайку нахлесточных соедйнений из жаропрочного никелевого сплава ЭП648-ВИ, Ж:

С 0,1," Cv 34; Ti 1, АТ 1; W 5

Мо 3; Fe 3,5; Si 0,4; Ип 0,5; Nb 1, В 0,03; Ni остальное. Толщина листовых образцов 1,5-1,8 мм, ширина шва 10 мм, длина нахлестки 3 мм. В соответствии с результатами химического и фазового анализа отливок из сплава ВХ4Л (литейного аналога сплава ЭП648) устанавливают составы наиболее легкоплавкого ликвата и наиболее тугоплавкой фазы твердого раствора паяемого металла (табл. 1) .

Компоненты припоя, соответствующие по составу табл 1, изготовят

Таблица

Температура

Компонент плавления, С

Fe Si Ип Nb

Ni Сг Ti AI У Мо

0,4 Ос- 12- 1,5 1,8 - 7-9 - 2,5 2таль- 15 2,6 ное

1210

Ликват

Тугоплавкая фаза твердого раствора

Ос- 30- О, б О, 6 5-6 — 4-5 — — 1, 2 таль- 35 ное

1520

s ниде порошков, смесь которых при соотношении 1:3 служит припоем. Порошок припоя в виде пасты помещают в сборочные зазоры„ величина которых зафиксирована в пределах 0,20,6 мм, Пайку производят в камерной электропечи в среде аргона с добавкой трехфтористого бора при 1220-1

1230 С. Выдержка при пайке 1518 мин. После пайки производят гомогенизирующий отжиг соединений при

900 Cô 14 I °

После пайки и термической обработки соединения испытывают на длительную прочность при статическом растяжении на машине АИМА-5-1. Температура испытаний,1000оС. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Для сравнения представлены данные по жаропрочности паяемоrd металла (сплава ЭП648) и его паяных соединений, выполненных жаропрочным композиционным припоем

ВПр3-20Н с такой же термообработкой.

Металлографическим анализом установлено, что паяные швы имеют однородную литую структуру без ликвационных прослоек и крупных включений интерметаллидов. Изучение химического состава и микротвердости показало практически равномерное распределение элементов и твердости в сечении паяного соединения.

Максимальные отклонения средних концентраций основных элементов в паяном шве 12%, а твердости- 18% по етношению к паяемому металлу.

П.р и м е р 2. Производят пай18494

6 ку стыковых соединений жаропрочного никелевого сплава ЭП99, %:

С 0,1, Cr 19, Со 7 Ti 1,3, AI 3;

M 7, ifo 4; Fe 4; Nh 0,4, Ы 0,5;

В 0,05; Ni остальное. Диаметр образцов 5 мм, величина сборочного зазора 0,03-0,08 мм. В соответствии с результатами химического и фазового анализа специально сделанной отливки были установлены составы наиболее легкоплавкого ликвата и основной фазы твердого раствора сплава (табл. 3).

Смесь порошковых компонентов при15 поя при соотношении 1:3 служит припоем. Пайку производят в вакууме

10 Па при 1190-1200 С. Выдержка при пайке 15-20 мин. После пайки производят гомогенизирующий отжиг

20 соединенг, при 900 С 10 ч.

Соединения были испытаны на длительную прочность при статическом растяжении. Температура испытаний

950 С. Была достигнута 100-часовая о длительная прочность 35-38 ИПа, паяемый сплав ЭП99 имеет соответственно

48-55 NfIa. Паяные швы имеют однородную литую структуру без зональной ликвации и крупных включений

ЗО интерметаллидов.

Таким образом, предлагаемый способ пайки повышает структурную од" неродность паяных соединений, механические свойства паяных соединений, особенно жаропрочность, в

2-2,5 раза производительность труда из-за сокращения времени термической обработки после пайки.

1118494

Та блн ца 2

Напряжение

ИПа

Образцы

384

1000

Паяемый металл

179

100

30 предлагаемым способом 1000

100

69

30 пайкой композиционным припоем ВПр3-20Н

1000

6-8

0,5

Таблица 3!

Температура плавления, Ni

ОС

Компонент

ТС @

Cr Eo

1170

Ликват

Остальное 0,8 3,8 8-9 3 5 1,6

224 10 05

Остальное

Продолжение табл. 3

Температура плавления, С

Компонент

Fe

Мо

2,0

7,6

1170

Ликват г,а

0,8

ВНИИПО Заказ 7333/10 Ти аа 1036 Иоузисное

Филиал ЩШ Яатеит, г. Уагород, ул.Проектиаа,4

Паяные соединения, изготовленные:

Основная фаза твердого раствора 1560

Основная фаза твердого раствора 1560

Температура испытаний, Ос

18-20

24-27

Время до разрушения, ч