Припой для высокотемпературной пайки

 

Использование: высокотемпературная пайка меди, никеля и их сплавов, стали, чугуна и их сочетаний. Сущность изобретения: припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: медь - основа, цинк 13 - 30, фосфор 5 - 7, никель 5 - 10, элемент из группы "германий, цирконий" 0,02 - 1,0. В состав припоя дополнительно могут входить один или более из указанных ниже элементов, мас. %: бор 0,01 - 0,5; кремний 0,01 - 0,5, алюминий 0,05 - 0,15. В припой может быть дополнительно введен также марганец 0,2 - 1,0 мас.%. 2 з. п.ф-лы, 7 табл.

Изобретение относится к составам припоев, в частности к составу бессеребряного припоя для высокотемпературной пайки меди, никеля и их сплавов, стали, чугуна и их сочетаний. Известна группа припоев для высокотемпературной пайки перечисленных материалов, которые содержат в своем составе серебро. Из-за высокой дефицитности серебра припои эти ограниченно применимы. Известен бессеребряный припой для пайки цветных и черных металлов, содержащий, мас.%: фосфор 6-8; сурьму 1-3; олово 0,1-1,0; в припой может быть введен литий 0,01-0,5; медь - остальное. Однако паяные соединения из черных металлов и их сочетаний с цветными имеют низкие характеристики при работе в динамических условиях, что также сдерживает его применение в производстве. Известен также бессеребряный припой для пайки изделий из цветных и черных металлов состава, мас.%: цинк 10-30; фосфор 3-7; никель 4-6; алюминий (титан) 0,2-0,5; медь - остальное. Недостатком данного припоя является узкий интервал пластичности при высоких температурах, что затрудняет технологию обрабатываемости давлением (горячего прессования) и сдерживает его внедрение на заводах-изготовителях. Кроме того, припой имеет невысокие технологические характеристики при пайке разнородных соединений стали и чугуна с медью, ее сплавами, никелем и его сплавами. Ударная вязкость медно-стальных паяных соединений равна нулю. Цель изобретения - повышение пластичности припоя при температурах прессования. Кроме того, целью изобретения является повышение технологических свойств припоя при пайке разнородных металлов, а также повышение ударной вязкости паяных соединений. Для достижения поставленной цели разработан припой для высокотемпературной пайки, содержащий медь, цинк, фосфор, никель, в который, согласно изобретению, дополнительно введен элемент из группы "германий, цирконий" при следующем соотношении компонентов, мас.%: Медь Основа Цинк 13-30 Фосфор 5-7 Никель 5-10 Германий 0,02-1,0 В состав припоя дополнительно могут быть введены один или более из указанных ниже элементов, мас.%: бор 0,01-0,5; кремний 0,01-0,5; алюминий 0,05-0,15. В припой может быть дополнительно введен также марганец от 0,2 до 1,0%. Предлагаемый припой имеет температуру ликвидуса от 630 до 780^оС, что близко к температуре плавления припоев с содержанием от 30 до 70% серебра. В научно-технической и патентной литературе не обнаружено технических решений, содержащих признаки, аналогичные отличительным от прототипа признакам предлагаемого технического решения. При введении в систему медь-никель-цинк-фосфор германия способствует улучшению ее эвтектической структуры. Включения сложных фосфидов равномерно распределяются в матрице твердого раствора и приобретают округлую форму, что повышает пластичность сплава и его обрабатываемость давлением. В системах, содержащих цинк, при нагреве газовым пламенем или в печах в воздушной среде, как правило, происходит испарение цинка, что приводит к кипению металла, ухудшению растекаемости припоя по паяемой поверхности, снижаются технологические свойства припоя при пайке. Введение в систему медь-цинк-фосфор-никель одного из указанных ниже элементов: бора, кремния, алюминия способствует образованию на поверхности жидкого расплава припоя защитной окисной пленки, предотвращающей испарение цинка и кипение припоя. При этом расплав очищается от кислорода. Все это в значительной степени повышает растекаемость припоя по паяемому металлу. Технологические добавки могут вводиться отдельно или в сочетании друг с другом в указанных пределах. Марганец способствует измельчению структуры металла шва и в сочетании с бором, кремнием и алюминием или по крайней мере одним из них повышает ударную вязкость паяного соединения. Основой припоя является четвертая система медь-цинк-фосфор-никель. Роль цинка в этой системе - снижение резкого влияния изменения концентраций фосфора и никеля на изменение температуры плавления припоя, что делает более стабильным качеством выплавляемого припоя. Снижение содержания цинка в сплаве < 13% повышает температуру плавления припоя. Введение в сплав > 30% цинка снижает пластичность припоя и паяных соединений. Присутствие фосфора в припое оказывает значительное влияние на температуру плавления системы медь-цинк-фосфор-никель. При содержании фосфора < 5% резко повышается температура плавления припоя. При повышении содержания фосфора > 7% пластичность припоя и паяных соединений резко падает. Наличие никеля в припое помимо образования легкоплавкой эвтектики в сплаве и влияния на его температуру плавления способствует повышению механической прочности на границе соединения металл шва - сталь (или чугун). При отсутствии никеля в сплаве на границе сталь - припой образуется хрупкая прослойка фосфида железа, и прочность паяного соединения становится незначительной. Введение в припой от 5 до 10% никеля способствует качественному изменению фазового состава образующейся на границе припой - сталь (чугун) диффузионной зоны. Диффузионная прослойка при этом обогащается никелем, что упрочняет соединение на границе с черными металлами. При введении < 5% никеля эффект упрочнения незначителен, при содержании > 10% никеля резко повышается температура плавления припоя. Германий способствует улучшению пластических характеристик припоя при температурах прессования (500-600^оС). Однако при содержании < 0,02% его влияние на характеристики удлинения и сужения сплава становится незначительным. При содержании > 1% германий способствует охрупчиванию сплава при комнатной температуре, что отрицательно сказывается и на прочности паяных соединений. При содержании бора < 0,01%, кремния < 0,01% и алюминия < 0,05% отсутствует их положительное влияние на технологические свойства припоя при пайке. Содержание бора и кремния > 0,5%, и алюминия > 0,15% в припое увеличивает его вязкость, что снижает растекаемость припоя по паяемому материалу. Марганец повышает ударную вязкость паяных соединений, если его содержание в припое не ниже 0,2%. Наличие в припое > 1% марганца снижает растекаемость припоя по паяемому материалу. Плавка припоя производится в открытых индукционных печах, разливка сплава производится при температуре 850-900^оС. Из отливок методом горячего прессования изготавливают прутки ⊘ 2-3 мм. Методом высокоскоростной закалки из расплава можно получать ленту, проволоку, методом распыления - порошки. Пайка может осуществляться газовыми горелками, световым лучом, в печах, токами высокой частоты, в ваннах и т.п. Примеры конкретного выполнения. Были выплавлены 5 сплавов медь-цинк-фосфор-никель, легированных германием, составы которых приведены в табл.1. В табл.2 приведены механические свойства припоев в литом состоянии при высоких температурах. Были выплавлены также припои с аналогичным сплавом NN 1-5 содержанием меди, цинка, никеля и фосфора, легированные цирконием, для повышения пластичности при высоких температурах. Составы их приведены в табл.3. В табл.4 приведены механические свойства припоев в литом состоянии при высоких температурах. В табл.5 представлены составы исследованных композиций с технологическими добавками бора, алюминия и кремния. Введение технологических добавок бора, алюминия и кремния, улучшая растекаемость припоя по паяемому металлу, не снижает достигнутой введением германия в систему медь-цинк-никель-фосфор пластичности припоя при высоких температурах (табл.6). Влияние марганца на ударную вязкость паяных соединений меди со сталью приведено в табл.7. Введение марганца от 0,2 до 1,0% в припои, содержащие медь-цинк-никель-фосфор-германий (N 3-5), а также в припои, дополнительно легированные бором, кремнием, алюминием (N 4-23), ни в коей мере не снижает ни пластичности при высоких температурах, которая не ниже значений, приведенных в таблице, ни растекаемости припоев по паяемым материалам, значения которой близки к значениям, представленным в таблице. Механические характеристики заявляемого припоя в литом состоянии позволяют изготавливать из него методом горячего прессования прутки ⊘ 1,6 - 3,0 мм. Температура нагрева заготовок 580±20^оС. Припоями с флюсом ПВ209 была произведена опытная пайка. Нагрев осуществляли газопламенным методом. Результаты испытаний приведены в акте испытаний, прилагаемом к настоящей заявке (см.приложение 4).

Формула изобретения

1. ПРИПОЙ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ изделий из меди, никеля и их сплавов, стали, чугуна и сочетаний разнородных металлов, содержащий медь, цинк, фосфор, никель, отличающийся тем, что, с целью повышения пластичности припоя при температурах горячего прессования, он дополнительно содержит элемент, выбранный из группы: германий, цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Медь - Основа Цинк - 13 - 30 Фосфор - 5 - 7 Никель - 5 - 10 Элемент, выбранный из группы: германий, цирконий - 0,02 - 1,0 2. Припой по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения технологических свойств припоя при пайке разнородных металлов, он дополнительно содержит по крайней мере один из указанных элементов, мас.%: бор 0,01 - 0,5; кремний 0,01 - 0,5; алюминий 0,05 - 0,15. 3. Припой по пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения ударной вязкости паяных соединений, он дополнительно содержит 0,2 - 1,0 мас.% марганца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---