Способ соединения материалов

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительное к авт, свил-ву Своз Советскик Сфциалистическик Респубики(22) Заявлено 1704,76 (21) 2350713/25-27с присоединением заявкиГосударственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088, 8) Опубликовано 15.06.80. Бюллетень Эй 26 Дата опубликования описания 15.06.80(54) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ 10 б И зо брет ение отн осит с я к т ехнологии нераэъемного соединения преимущественно тугоплавких и разнородных материалов. Оно может быть использовано в различных областях техники, где требуется создание работоспособных в условиях высоких температур и вибраций неразъемных соединений материалов тига металл -металл (например, молибден с молибденом, титан с ниобием, нержавеющая сталь с ниобием), материалов типа металл - неметалл (например нержавеющая стачь с графитом) или материалов типа неметалл - неметалл (например графит с графитом). Известен =пособ соединения тугоплавких и разнородных материалов методом диффузионной сварки, зак- Э) лючающийся в том, что свариваемые материалы соединяют непосредственно или через металлическую прослойку в .вакууме. При этом изделия прогревают до заданой .температуры, после чего 25 ,прикладывают усилие прижатия (0,2- 10 кгс/мм ) и выдерживают при заданных параметрах (температура; давление, вакуум) в течение единиц или десятков минут т 14, 30К недостаткам, присущим диффузионной сварке, относят значительную трудоемкость и большое вспомогательное время (длительность процесса измеряется десятками минут, требуется тщательная подготовка соединяемых поверхностей, наличие вакуума,(10 - 10 мм рт. ст.).Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ соединения термоэлектрических элементов, заключающийся в том, что экзотермическую смесь, содержащую один иэ металлов (Ч, Ч,Ч периодов Периодической системы и один из не- металлов - теллур, селен или серу, вместе с соединяемыми деталями, между которыми помещена названная смесь, подвергают нагреву в печи до 300"570 оС в атмосфере водорода при давлении сжатия 0,03 кгс/ьи. При этом в шве происходит синтез сульфидов, теллуридов или селенидов. Температура в зоне шва за счет самораэогрева при реа" гировании не превышает 600 оС.Наиболее существенными недостатками указанного способа является невозможность соединения тугоплавких материалов, а также низкая производительность, связанная с длительностьюнагревания и особенностями протекания экзотермических реакций в нагревательных печах, а также неработоспособность сварного соединения ва,грессивных средах, так как образуемые в шве интерметаллические соединения не обладают стойкостью к кислотам и щелочам.Цель изобретения - устранениеуказанных недостатков,Поставленная цель достигается тем,что в качестве экзотермической смеси используют смеси металлов И,групп Периодической системы с боромили углеродом, Соединяемые деталиВместе с экзотермической смесью,помещенной в зазоре, подвергают нагреву со скоростью, обеспечивающейсамовоспламенение экзотермическихсмесей при температурах на 50-1000 Свыше критической температуры теплового взрыва,Скорость протекания химическойреакции в экзотермических смесях,как правило, выражается экспоненциальной зависимостью. Поэтому для 25каждой та кой сме си суще ст вует минимальная критическая температура,выше которой тепловыделение существенно превосходит теплоотвод в окружающую среду пуч ем теплопроводности, и синтез тугоплавкого соединения из элементов (металл - неметалл) протекает в режиме теплового взрыва. Критическая температуратеплового взрыва является константой, характеризующей каждую экзотермическую смесь и зависит от пяда причин: от размера частиц, соотношенияисходных компонентов, наличия примесей и т .д.Нагревание в печах экзотермичес- фких смесей проводится при температурах ниже критической температурытеплового нзрыва, часть выделившегося тепла отводится в окружающуюсреду, и химическая реакция при печном нагреве сопроваждается плавным,сравнительно небольшим саморазогревом,Поэтому необходимым условием получения максимального саморазогрева опри использовании экзотемических смесей является проведение реакции притемпературах, по крайней мере, нениже критической температуры теплового взрыва. Качественное соединениотугоплавких и разнородных материалов можно осуществить только, если в зоне шва синтезированное тугоплавкое соединение будет в жидкомсостоянии, т,е. начальная температура исходной смеси в сумме с темпера турой саморазогрева, вследствие теплового эффекта реакции синтеза должны быть не ниже температуры рлавления синтезированного в зоне шватугоплавкого соединения. 65 Синтез тугопланких соединений изметаллов Ч и Ч групп Периодическойсистемы с боромили углеродом притемпературах, близких к критическимтемпературам самовоспламенения, протекает в твердой фазе, Поэтому для получения плавленных карбидов или боридов металлов 1 Ч игрупп Периодической системы необходимо нагрев исходной шихты вестисо скоростью, обеспечивающей самовоспламенение ее при температурахна 50-1000 С выше критической температуры теплового взрыва, т.е, скорость нагрева исходной шихты должна существенно превышать скоростьтепловыделения при температурах близких к критической. Исходная начальная температура и скорость нагревав каждом конкретном случае рассчитывается или подбирается эксперимен -тальным путем с учетом особенностейисходной экзотермической смеси исоединяемых материалов.Прелагаемый способ осуществленв случае нагрева соединяемых материалов и помещаемой между ними экзотермической смеси пропусканием через них электрического тока от сварочного трансформатора,П р и м е р. Сварка нержавеющейстали с ниобием.Проводят соединение цилиндрических образцов из нержавеющей сталии из ниобия с площадью контакта вместе соединения 60 мм , высотой об 2разцов по 20 мм, Между предварительно обезжиренными поверхностями помещают гетерогенную смесь в виде слоятолщиной 0,1-0,5 мм, состоящую изпорошкообразных киобия и углеродав стехиометрическом отношении. Противоположные концы образцов вводятв контакт с теплопроводящими блоками, выполненными один из графита,другой из меди, для устранения послесварочных деформаций и созданиянеобходимого градиента температур .Причем более тугоплавкий графитовыйблок вводят в контакт с ниобием,Графитовый блок вводят в контактс ниобием,а медный-с кержавеющей сталью . К торцам блоков подводят электроды от сварочного трансформатораи полученную сборку сжимают усилием 10-30 кг до получения электрического контакта. Описанную сборку взащитной атмосфере аргона нагревают пропусканием электрического токаот сварочного трансформатора. Приэтом поток мощности через место контакта деталей составляет 100-300 вт/мм,Ток 500-700 А подают 6-8 с. За этовремя экзотермическая смесь и прилегающие к ней поверхности ниобняи стали прогреваются до начальнойтемпературы порядка 900 С, после чего смесь практически мгновенно саморазогревается вследствие возниккове747661 ния теплового взрыва, обусловленногосамоускоряющейся химической реакциейобразования карбида ниобия. Саморазогрев сопровождается ярким белымсвечением с температурой, превышающей 2400 С (температура плавления ниообия) . Критическая температура смесиниобия с углеродом в зависимости от,размера частиц и соотношения компонентов 600-670 С,Вследствие высокой начальной температуры и тепла, выделяющегося присинтезе карбида ниобия, последний расплавляется и частично выдавливаетсяиз зазора в виде небольших капель-8 90 Ниобийуглерод Теплопроводящие элементы медь сграфитом б ер жавеющсталь 36-484 9,80 480 Работоспособность при2000 оС Графитфит угле Графит-нержавеющаясталь 0 436-484,5 Теплопроводящие элементы медь с графитом 50 18-2 Тита угле Работоспособностьпри 1500 С 900 436-48 рафит. - таль 4 Титан+ углеро 436-484 17 0 1 е плопров оящие элеенты медь срафитом Молибден+нержавеющасталь Титан углер 00 436-484 45 00 итан глер Нержавеющая сталь нержавеющая сталь 2 00-67 8 140 Работоспособность при 1200 оС Бор+циркон Вольфрам- нержавеющая сталь(ат) ентов экзот ческого состава 50-5 оотношение ком эких и туго в осу ыделе разъемное соединен разнородных материа 65 ся эа счет как тепл ствляетя от внерафит-нер- Ниобии+авеющая углерод 650 14- таль В отличие от известных способов сварки с применением экзотермической смеси в предлагаемом способе н диаметром 0,5 мм, Поверхности свариваемых деталей, прилегающие к реакционной экзотермической смеси, частично подплавляются. Вследствие этого,оставшийся в зазоре жидкий карбид фниобия образовывает прочное соединение свариваемях торцов металлических цилиндров. Шов работоспособенпри температуре до 1200 ОС; По аналогии с описанным в примере полученыдругие соединения с площадью контакта в месте соединения 60 нч . Результаты испытаний на разрывприведены в таблице.Заказ 4308/5 Тираж 1160 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д; 4/5Филиал ППП фПатент, г, ужгород, ул . Проектная, 4 шнего источника, например джоулевого тепла, выделяющегося в зоне шва при пропускании электрического тока, так и за счет тепловложения энергии, выделившийся при экзотермической реакции взаимодействия смеси в режиме теплового взрыва. В результате в зоне соединения имеет место синтез высокотемпературных соединений, таких как бориды переходных металлов, Благодаря этому удается осуществить сое- о динение тугоплавких материалов.Соединения по предлагаемому способу содержать карбиды, бориды или кар" бобориды и в отличие от интерметаллИдов работоспособны при высоких температурах (1000-2000 оС) и обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и щелочей.Высокая экономическая эффективность предложенного способа обусловлена малыми временами технологическо го цикла, использованием стандартных сВарочных трансформаторов, простотой обслуживания, недефицитностью исходных компонентов экзотермических смесей, 25 Формула изобретения Способ соединения материалов сразмещением в зазоре экзотермической смеси, содержащей металлы ЮЧ групп Периодической системы и неметалл, и нагревом ее, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности при соединении тугоплавких материалов,в качестве неметалла смеси используют борили углерод, а нагрев экзотермической смеси проводят со скоростью,обеспечивающей ее самовоспламенениеи расплавление образующегося в процессе синтеза тугоплавкого соединения при температуре выше критическойтемпературы теплового взрыва смеси,2; Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что нагрев осуществляют преимущественно пропусканием электрического тока.3. Способ по пп, 1 и 2,о т л и ч аю щ и й с я тем, что с целью соединения разнородных материалов, используют теплопроводящие блоки с различной теплопроводностью, напримерграфит, медь.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме.М Машиностроение,1968.2, Патент США 9 3808670, кл, 29473, 1, опубл. 1974 (прототип) .