ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ И ПАЙКИ Российский патент 1994 года по МПК B23K35/30 

Изобретение относится к сварочному производству и металлургии, может найти применение при сварке и пайке различных изделий, в том числе работающих в атмосфере особо чистого водорода, например диффузионных элементов, изготавливаемых из сплавов на основе палладия. Областями применения является цветная и черная металлургия, химическое и точное машиностроение, приборостроение, электронная промышленность.

Существует множество изделий, часть которых изготавливается из сплавов благородных металлов, а другая - из более дешевых конструкционных материалов типа сталей, никелевых или медных сплавов. К ним относятся всевозможные приборы, датчики, мембранные катализаторы и диффузионные элементы для получения особо чистого водорода. Последние работают в чрезвычайно сложных условиях: водородосодержащая среда, температура до 700^оС, давление до 30 МПа. При этом к герметичности сварных и паяных соединений диффузионных элементов предъявляются исключительно высокие требования, в том числе в условиях колебаний давления и температуры. Иначе не может быть обеспечена требуемая чистота особо чистого водорода: > 99,999%. Поэтому очень важным является правильный выбор присадочного материала для разнородных соединений указанных диффузионных элементов.

Известны сплавы палладия с медью, причем сплав 60% Pd, 40% Cu имеет температуру плавления около 1200^оС. Однако из-за повышенного содержания палладия этот сплав является дорогим.

В американском сплаве (патент США N 3098743) концентрация палладия снижена до 3-8 мас.% и кроме того сплав содержит, мас.%: Cr 3-8; Ge 16-25; Cu 4-22, никель остальное. Однако этот сплав предназначен для пайки сплавов на основе никеля и не пригоден для диффузионных элементов из-за наличия германия, который приводит к пористости швов.

Сплав [1] содержит, мас.%: Cu 20; Pd 40-60; Si 4-8; никель остальное. Наличие кремния снижает температуру плавления этого сплава до 1100^оС, однако ухудшает смачиваемость и растекаемость при сварке и пайке.

Наиболее близким по составу к заявляемому присадочному материалу является припой для пайки сталей и жаропрочных сплавов, содержащий, мас.%: никель 12-21; медь 36-65; хром 6-12; палладий 17-31. Однако из-за недостаточного содержания никеля этот сплав не может быть рекомендован для сварки и пайки диффузионных элементов, работающих в атмосфере особо чистого водорода, поскольку применение его не исключает пористости швов, нарушающей герметичность элементов.

Целью изобретения является обеспечение высокого качества разнородных соединений при работе в атмосфере особо чистого водорода и снижение стоимости присадочного материала.

Цель достигается тем, что присадочный материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: медь 45-53; никель 22-30; палладий остальное.

Предлагаемый сплав создан на базе мельхиора МНЖ Мц 30-1-1, в котором части меди или никеля заменены на палладий. Тем самым достигнута невысокая стоимость данного присадочного материала, поскольку в нем содержатся лишь малые добавки серебра.

Без учета микродобавок железа, серебра, марганца и алюминия, которые оказывают модифицирующее действие, были выплавлены несколько опытных сплавов. Среди них сплав, содержащий, мас. %: Cu 50, Ni 30, Pd 20, а также сплав, включающий, мас.%: Cu 66,7; Ni 20 и Pd 13,3. Несмотря на то, что 6 партий этих сплавов обладали примерно одинаковыми показателями твердости Нв (кг/мм²): 146,3; 135,5; 140,9 - 1-й сплав и 158; 161; 161 - 2-й сплав), последний оказался заметно менее технологичным. Из условий лучшей паяемости на базе 1-го сплава были определены пределы содержания в присадочном материале всех компонентов.

В результате был предложен технологичный и дешевый сплав с температурой плавления Т_пл = 1200-1250^оС, ρ = 8,9 г/см³. Важным является то, что этот сплав можно отжигать (при 800^оС 30 мин) и охлаждать на воздухе.

После отжига сплав обладает высокой пластичностью, а прочность его (57,3 кг/мм²) примерно соответствует прочности сплавов палладия типа В-1 и В-3, которые применяются как мембранные материалы в диффузионных элементах для получения особо чистого водорода. Удельное электросопротивление сплава практически не зависит от температуры отжига сплава.

В табл.1 приведены примеры выполнения сплавов наряду с прототипом.

Компоненты сплавов Pd-Cu-Ni образуют непрерывный ряд твердых растворов друг в друге. Однако лишь те сплавы, в которых содержится 45-53 мас.% Cu и 22-30 мас.% никеля, пригодны для получения разнородных соединений в диффузионных элементах для получения особо чистого водорода.

В табл.2 приведены свойства сплавов, выполненных в соответствии с табл. 1.

Производили качественную оценку таких эксплуатационных характеристик сплавов, как смачиваемость, жидкотекучесть, пористость, в процессе пайки диффузионных элементов с помощью микроплазменной дуги, горящей в смеси аргона с 4-6% водорода (по объему). Ток дуги составлял 1,5-3,5 А, а время выполнения кольцевого соединения трубки из железо-никелевого сплава с фольгой на основе палладия - марки В-1 составляло 3-9 с.

Анализ табл.2 показал, что оптимальным составом предложенного является сплав, содержащий, мас. % : медь 45-53; никель 22-30; палладий остальное. Заниженное содержание никеля приводит к пористости швов, а завышенное - к нестабильной смачиваемости. Первое нарушает герметичность, а второе - термоциклическую стойкость разнородных соединений.

Предложенный сплав был использован при изготовлении 60 диффузионных элементов плоского тип для диффузионного блока УДВА-150 Синарского трубного завода. В течение полутора лет работы диффузионные элементы не имели нарушений герметичности.

Применение предлагаемого изобретения за счет экономии палладия и серебра может дать значительный экономический эффект. Точные размеры его определить трудно. Можно ориентироваться на предполагаемый выпуск диффузионных элементов - 12000-16000 шт. в год.

Расчет показывает, что на пайке одного элемента предложенным присадочным материалом расход палладия в присадочном материале снижается на 15-25%, а по абсолютной величине - не менее, чем на 0,3 г.

Использование: пайка и сварка сплавов палладия со сплавами на основе железа, никеля или меди. Сущность изобретения: присадочный материал содержит следующие компоненты, мас.%: медь 45 - 53; никель 22 - 30; палладий остальное. 2 табл.

ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ И ПАЙКИ сплавов палладия со сплавами на основе железа, никеля или меди, содержащий медь, никель, палладий, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соединения при работе в атмосфере особо чистого водорода, он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Медь 45 - 53
Никель 22 - 30
Палладий Остальное