Способ пайки графита с алюминием

Своз СеветскикСоциалистическихРесвубаим ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТВЛЬСТВУ(23) ПриоритетОпубликовано 15,02,8). Бюллетень Мо 6Дата опубликования описания 15.02.81 В 23 К 1/04 Государственный квинтет СССР по делам нзобретеннй н открытнй(54) СПОСОБ ПАЙКИ ГРАФИТА С АЛЮМИНИЕМ Изобретение относится к пайке, вчастности к способам пайки графитовых деталей с алюминиевыми и можетбыть использовано для соединения графитовых анодов и катодов алюминиевых5и магниевых электролизеров к токоподводящим алюминиевым шинам, а также вэлектрометаллургии, авиационной иэлектротехнической промышленности.Известен способ соединения графита с алюминием, осуществляемый припомощи эвтектических сплавов оловосвинец, висмут-свинец (55-44,5 вес.Ъ)и последующей пропитки углеродом илихлористым углеводородом, например 15гексахлорбензолом 111,Этому способу присущ недостаток,связанный с наличием в паяном швелегкоплавкой эвтектики. Температурараспая паяного шва невелика составляет 183 и 125 С соответственно.Известен также способ соединенияграфита с алюминием, включающий стадий обезжнривания и очистки соединиеьаах поверхностей ; покрытия соединяемых поверхностей слоем меди;покрытия слоем никеля толщиной 0,005 мм;флюсования; покрытия слоем олова;нагрева соединяемых деталей до температуры расплавления олова (288-370 С) дО сдавливания соединяемых поверхностейс удельным давлением 55 кгс/см 2 иохлаждения ( 2).Недостатками этого способа являются низкая температура распая (232 ОС)и низкая жаропрочность паяного шва,Цель изобретения - повышение температуры распая и жаропрочности паяного соединения графита с алюминием,Поставленная цель достигается тем,что между соединяемыми графитовойи алюминиевой деталями располагаютметаллический пакет, состоящий из .последовательно расположенных от гра 1 фита прослоек малоуглеродистой сталимеди и алюминиевого эвтектическогосплава с ссютношением толщины прослоек (1 52 5) (4 55 5):(О 51,5), Соединяемые детали сдавливаюти нагревают до 1150-1200 С со сторооны графита и до 600-640 С со стороны алюминия,В качестве эвтектической прослойки могут быть применены сплавы алюминия с кремнием, нйкелем или кальцием.Применение трехслойного металлического пакета, состоящего из малоуг"леродистой стали, меди и алюминиевогоэвтектического сплава является необ 804267ходимым, так как пакет в целом икаждая из этих прослоек играют положительную роль. Прослойка из малоуглеродистой стали предназначена для соединения графита с медью. Известно,что углерод не растворяется нйвтвердой, ни в расплавленной меди ине образует с ней соединений. Наличие между графитом и медью стальнойпрокладки приводит при нагреве кконтактному плавлению как со стороныграфита, так и со стороны меди. Обра Оэующиеся при плавлении расплавы смачивают контактируемые поверхностии при охлаждении способствуют формированию прочного соединения, Крометого, термические коэффициенты линей" 5ного расширения (т,к,л,р,) образующихся в результате контактного плавления слоев и стальной прокладки,являются промежуточными между сильйоразличающимися в этом оношении 20т.к.л.р.графита (5-710 1/град) и меди(20-2210 1/град), Плавное изменение т.к.л.р. от графита к меди ослабляет термические напряжения, возникающие при нагреве и охлаждении спая.25Выбор прослойки из малоуглеродистой стали связан стем,что в жидкомсостоянии медь плохо перемешиваетсяс высокоуглеродистым расплавом железа. Медная прослойка является необходимым связующим элементом междусталью и алюминием. При отсутствиипрослойки меди в контакте сталь-алюминий при нагреве образуется интерметаллид .ГеА 1. Это соединение крис- З 5таллизуется в виде хрупких пластиноки игл и из-за существенной разницыт.к,л,р. соединяемых материалов вэтой зоне часто образуются трещины.Наличие между стальной и алюминиевойповерхностями слоя меди препятству Оет образованию интерметаллида Г еА 8 д,Образующиеся в результате контактногоплавления слои, и собственно слоймеди, являются более пластичными иимеют т.к.л,р,промежуточные по величине между сталью (10-210 1/град)и алюминием (24-26 10 1/град) . Этотакже способствует снижению уровняостаточных напряжений в паяном соединении. 50Наличие прослойки эвтектического алюминиевого сплава (А - 51,А 6 - М, А 1 - Са) уменьшает времяконтактного плавления, снижает эрозиюалюминиевой детали и способствует фор мированию более пластичного шва. Кроме того, эти сплавы имеют достаточновысокую температуру плавления и обеспечивают высокую жаропрочность паяного шва,Соотношение .толщины прослоек, составляющих металлический.пакет должно быть равным (1,5,.;2,5):(4,55.5) (0,51,5) . При этом должновыдерживаться определенное их расположение в зоне соединенияПри больших О и меньших соотношениях толщин прослоек распределение температурного поляпри электроконтактном нагреве таково, что в процессе пайки не обеспечиваются необходимые температуры в зоне соединения около графитовой и алюминиевой поверхностей,Процесс пайки проводят таким образом, чтобы плавление в контактах графит-малоуглеродистая сталь, малоуглеродистая сталь-медь, медь-алюминиевый эвтектический сплав, эвтектический сплав-алюминий происходит практически одновременно.Температура в контактах графитсталь должна быть равна 1150-1200 С,сталь-медь 1100-1150 С, медь-алюминиевый эвтектический сплав и алюминиевый эвотектический сплав-алюминий550"640 С. При больших температурахимеет место расплавление алюминиевойдетали, а при меньших не происходитконтактно-реактивного плавления встыках соединяемых материалов и образования прочного паяного соединения,Такое распределение температурыв зоне паяного соединения достигается регулированием мощности нагрева(плотности тока) и распределейиятеплового потока путем неодинаковогоохлаждения графитовой и алюминиевойдеталей за счет их различной теплопроводности и различной подачи охлаждающей воды.в пуансонах установки,между которыми закрепляются соединяемые деталиЭкспериментально установлено, чтодля того, чтобы происходило практически одновременное плавление в вышеперечисленных контактах, плотностьэлектрического тука должна быть равной 320-350 а/см , а скорость изменения температуры со стороны графитаи алюминия - 270-290 град/с, Такоераспределение теплового потока обеспечивает плавление в контактах ужечерез 5-10 с после включения электрического тока,П р и и е р 1 . Между графитовыии алюминиевым образцами в форме цилиндров ф 10 х 35 им располагают металлический пакет 9 10 мм, состоящийиз прослойки малоуглеродистой сталитолщиной 0,6 мм, меди 1,5 мм и силумина (АВ - 51 -сплав) 0,3 мм. Собранные под пайку графито-алюминиевыеобразцы размещают между пуансонамипресса горячего прессования и нагревают током плотностью 350 а/смф в течение 10 с. С помощью платино-платинорадиевой термопары измеряют температуру в зонах графита и алюминия,отстоящих от стыка на расстоянии 1 мм.Температура в графите составляет1150 С, а в алюминии " 600 С . УдельЮное усилие сдавливания деталей составляет 10 кгс/см . Пайка проводитсяна воздухе. С помощью третьей термопары, расположенной,в зоне эвтектической прослойки алюминиевого сплаваЗаказ 10773/20 Тираж 1159 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5ем еешшшщешееее е ш е Филиал ППП фПатентф; г, Ужгород, ул. Проектная, 4 измеряют температуру плавления наиболее легкоплавкой зоны соединения и считают ее температурой распая. Прочность паяных образцов составляет. 4770 кгс/см при 20 С и 1530 кгс/см при 300 С Температура распая образцов" 580 С.Аналогичные результаты получены щри использовании эвтектических сплавов АФ - М и А 1 - Са.Таким образом, предлагаемый спо соб пайки позволяет получить паяный . 10 шов с температурой распая не ниже 545 С, в то время как в известном споасобе температура распая шва составляет 230 С. Предел прочности при 20 С паяных графито-алюминиевых соедине ний, полученных по предлагаемому способу, в 2-3 раза выше по сравнению с соединениями, полученными известным способом. Паяные соединения, полученные по предлагаемому способу, жзро О прочны до 300 фС, в то время как соединения, сформированные с помощью гальванопокрытий меди и никеля и спаянные оловом жаропрочны только до 150 аС и расплавляется при 230 С,25формула изобретения1, Способ пайки графита с алюминием, включающий введение в паяемый зазор промежуточных прослоек, сдавливание соединяемых поверхностей и нагрев, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения температуры распая и жаропрочиости паяного соединения, в качестве промежуточной прос" лойки берут металлический пакет, состоящий из последовательно расположенных от графита прослоек малоуглеродистой стали, меди и алюминиевого эвтектического сплава с соотношением толщин прослоек (1,52,5):(4,555):(О, 51,5), а нагрев производят до 11501200 С со стороны графита и до 600640 С со стороны алю 0миния2, Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве эвтектической алюминиевой прослойки применяют эвтектические сплавы алюминия с кремнием, никелем или кальцием. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции 9 1.391.580,кл, В 01 К, 30.04.64.