Способ пайки

(56) 1. Вереников 0.И., Зеленов А.Н. Пастообразные припои и технологические особенности широкозазорной пайки. Сб. "Повышение качества и эффективности сварочногопроизводства на предприятиях г. Москвы", М., МДНТП им, Ф.Э, Дзержинского, 1980, с. 13 б,2. Патент США В Зб 9 б 500,кл. 29-487, опублик. 10. 10.72.3, Японская заявка В 109188,кл. В 23 К 35/22, опублик. 31.08.81(54) (57) СПОСОБ ПАЙКИ некапиллярныхсоединений, 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, о т л и ч а ю щ и й с я . тем, что, с целью повышения жаролрочнос" ти соединений путем приближения состава шва к составу паяемого материала, в качестве легкоплавкой фракции берут порошок, по химическому составу соответствующий составу ликвата наяемого материала, имеющегонаименьшую температуру плавления, а в качестве тугоплавкой фракции - порошок, соответствующий составу основной фазы.твердого раствора паяемого материала. РИзобретение 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 11.Известен также способ пайки жаропрочных сплавов, при котором в качестве припоя используют сплав, соответствующий составу ликвата паяемого металла, имеющего наименьшую температуру плавления 2 .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 сбо 50 5 10 15 20 25 30 35 40 рочных зазорах более 0,1 мм время,необходимое для выравнивания химического и фазового состава шва при отжиге, вследствие малой скорости диффузии в твердой фазе настолько уве-.личивается, что процесс становитсятехнологически неприемлемымВведение в некапиллярные зазоры0,1-1 мм порошков чистых тугоплавких металлов или паяемых сплавовпри известных способах пайки композиционными припоями 1 приводитк образованию столь неоднороднойструктуры, что гомогенизироватьее невозможно ни увеличением выдержки при пайке, ни последующей термической обработкой, Неоднородностьструктуры некапиллярных паяных соединений резко снижает их механические свойс- ва, особенно структурночувствительные, такие как сопротивление ползучести (жаропрочность)и ударная вязкость. Так, например,длительная прочность при 1000 Сопаяных соединений никелевых сплавов, выполненных композиционнымиприпоями, в 5-6 раз меньше прочности основного материала.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является способ пайки некапиллярных соединений,при котором в зазоре размещают смесьтугоплавкого и легкоплавкого металлических порошков, производят нагрев до температуры выше температуры плавления легкоплавкой фракциипорошковой смеси, но ниже температуры плавления паяемого материала, ипроизводят растворение тугоплавкойфракции в расплаве. Данный способпозволяет получить однородный паяныйшов при более низкой температурепайки, чем при пайке цельнолитымприпоем 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 тем3 184пературы выше температуры плавленияматериала легкоплавкой фракции, нониже температуры плавления паяемогоматериала и производят растворениетугоплавкой фракции в расплаве, Йкачестве легкоплавкой Фракции берутпорошок, по химическому составу соответствующий составу ликвата паяемого материала, имеющего наименьшуютемпературу плавления, а в качестве Отугоплавкой фракции - порошок, соответствующий составу основной фазытвердого раствора паяемого материала.Использование припоя, содержащего 1в виде отдельных компонентов ликвати твердый раствор паяемого металла,позволяет получить паяный шов, максимально родственный этому металлупо химическому составу и структуре. рбВ предлагаемом способе в качестве.припоя используют сам паяемый металл, предварительно разделенныйна отдельные компоненты; ликват итвердый раствор. При этом целесообразно использовать ликват с наименьшей температурой плавления, чтобыснизить температуру пайки и не допустить нежелательных структурныхпревращений в основном материале.. Проведение пайки при температуре, обеспечивающей диффузионноевзаимодействие компонентов припояв твердожидком состоянии, позволяет резко уменьшить время, необходи 35мое для образования равновеснойструктуры, поскольку скорость диффузии в жидкой фазе (ликвате) нанесколько порядков выше, чем притвердофазном взаимодействии.Как показала экспериментальнаяпроверка данного способа для пайкисплавов на никелевой основе, выдержка при температуре пайки 1520 мин достаточна для полного растворения тугоплавкого компонентаприпоя (порошка твердого растворапаяемого-металла) в жидком легкоплавком компоненте (ликвата паяемого металла) и изотермической кристаллизации аяного шва,Характерная для паяных соединений зональная неоднородность структуры шва при этом полностью отсутствует. Локальная неоднородность, 55 образовавшаяся в паяном шве при кристаллизации в результате концентрационного и термического переох 94 4лаждения, устраняется относительнонепродолжительным (8-14 ч) гомогенизирующим отжигом,Полученная в результате применения данного способа однородная литая структура паяного шва в сочетании с широкими переходными зонами,имеющими, практически одинаковыйхимический состав и твердость спаяемым материалом, обеспечиваетвысокие механические свойства паяного соединения, в .частности сопротивление высокотемпературной ползучести и ударную вязкость.Жаропрочность некапиллярныхнахлесточных и тавровых соединений,полученных известными способамипайки, как правило, в несколько разменьше жаропрочности паяемого ма"териала, что объясняется суммарнымвлиянием концентрации напряженийв местах перехода от одной деталик другой и неоднородностью структуры соединения, имеющего несколькозон, различных по составу и твердости: паяемый металл, переходные зоны, зоны твердого раствора в швеи ликвационные прослойки. Предлагаемый способ позволяет предельновыровнять все структурные зоны некапиллярного паяного изготовляютпо составу и твердости, и тем самым исключит отрицательное влияние зональной неоднородности на механические характеристики соединения. Жаропрочность паяныхсоединений, полученных данным способом, всего на 30"403 ниже, чемпаяного металла, т,е. паяное соединение работает как монолитный металл, имеющий лишь конструктивныйконцентратор напряжений.П р и м е р . Производят пайкунахлесточных соедйнений из жаропрочного никелевого сплава ЭП 648-ВИ, Ж:С 0,1," Сч 34; Тз. 1, АТ 1; У 5,Мо 3; Ре 3,5; Я 0,4; Ип 0,5; НЬ 1 ф,В 0,03; Ы остальное. Толщина листовых образцов 1,5-1,8 мм, ширинашва 10 мм, длина нахлестки 3 мм. Всоответствии с результатами химического и Фазового анализа отливок изсплава ВХ 4 Л (литейного аналога сплава ЭП 648) устанавливают составы наиболее легкоплавкого ликвата и наиболее тугоплавкой фазы твердогораствора паяемого металла (табл. 1) .Компоненты припоя, соответствующие по составу табл 1, изготовятТаблица Температура Компонент плавления,СРе 81 Мп МЬ Юз, Сг Т А 1 У Мо 0,4 Ос- 1,5 1,8 - 7-9 - 2,5 2- таль 2,6 ное 1210 Ликват Тугоплавкаяфаза твердого раст- вора Ос- О, б О, 6 5-6 - 4-5 -- 1,2тальное 1520 в ниде порошков, смесь которых при соотношении 1:3 служит припоем. Порошок припоя в виде пасты помещают в сборочные зазоры величина которых зафиксирована в пределах 0,2" 0,6 мм, Пайку производят в камерной электропечи в среде аргона с добавкой трехфтористого бора при 1220- 1230 С. Выдержка при пайке 15- 18 мин. После пайки производят гомогенизирующий отжиг соединений при 900 С, 14 ч,После пайки и термической обработки соединения испытывают на длительную прочность при статическом растяжении на машине АИМА-1. Тем- пература испытаний,1000 оС. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Для сравнения представлены данные по жаропрочности паяемо" го металла (сплава ЭП 648) и его паяных соединений, вьполненных жаропрочным композиционным припоем ВПр 3-20 Н 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% по етношению к паяемому металлу.П,р и м е р 2. Производят пай 184946ку стыковых соединений жаропрочного никелевого сплава ЭП 99, %:С 0,1, Сг 19, Со 7 Т 1,3, А 1 3;У 7, Мо 4; Ге 4; Мп 0,4, Б 3. 0,5;5 В 0,05; М остальное. Диаметробразцов 5 мм, величина сборочногозазора 0,03-0,08 мм. В соответствиис результатами химического и фазового анализа специально сделаннойотливки были установлены составынаиболее легкоплавкого ликватаи основной фазы твердого растворасплава (табл. 3).Смесь порошковых компонентов при поя при соотношении 1:3 служит припоем. Пайку производят в вакууме10Па при 1190-1200 С. Выдержкапри пайке 15-20 мин. После пайкипроизводят гомогенизирующий отжиг 20 соединенгд при 900 С 10 ч.Соединения были испытаны на длительную прочность при статическомрастяжении. Температура испытаний950 С. Была достигнута 100-часоваяодлительная прочность 35-38 ИПа, паяемый сплав ЭП 99 имеет соответственно48-55 МПа. Паяные швы имеют однородную литую структуру без зональной ликвации и крупных включений 30 интерметаллидов.Таким образом, предлагаемый способ пайки повышает структурную од"неродность паяных соединений, механические свойства паяных соединений, особенно жаропрочность, в2-2,5 раза производительность трудаиз-за сокращения времени термическойобработки после пайки.8 1118494 Т а б л н ц а 2 Напряжение ИПа Образцы 20 384 1000 Паяемый металл 179 25 100 30 йредлагаемым способом 1000 100 69 30 пайкой композиционнымприпоем ВПр 3-20 Н 1000 6-8 20 0,5 30 Таблица 3Температура плавления, И Компонент Сг Яо 1170 Ликват Остальное 0,8 3,8 8-9 3,5 1,6/ 224 10 05 Остальное Продолжение табл. 3 Температураплавления,Компонент А 1 Мо 2,0 7,6 Ликват г,а 0,8 ВНИИПИ Заказ 7333/10 Ти в 1036 Повписное Филиал ЩШ Яатеит, г. Ужгород, ул.Проектиая,4 Паяные соединения, изготовленные: Основная фазатвердого раствора 1560 Основная фазатвердого раствора 1560 Температураиспытаний,оС