СПОСОБ ПАЙКИ ДВУХСЛОЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК B23K1/00 

Изобретение относится к пайке, в частности к технологии контактно-реактивной пайки двухслойных изделий из разнородных материалов, содержащих мартенситно-стареющую сталь и работающих в условиях криогенных температур.

Контактно-реактивная пайка изделий широко используется в различных отраслях машиностроения с получением прочных паяных соединений (см."Справочник по пайке", М. Машиностроение, 1975). В этой книге на стр. 52 указано на использование контактно-раективной пайки для соединения пайки для соединения сплавов меди со сталями с применением в качестве припоя серебряного покрытия. Получают соединения при 800^oC в атмосфере инертного газа с относительно высокими характеристиками прочности и пластичности.

Однако при пайке двухслойных изделий, содержащих мартенситно-стареющую сталь, не удается получить достаточно прочного и пластичного соединения ввиду наличия в нем напряжений, возникающих при охлаждении изделий после пайки.

Проблема пайки двухслойных изделий из разнородных материалов, содержащих мартенситно-стареющую сталь с достаточно прочным и плотным швом, решена в технологическом процессе, описанном в [1] Согласно этой технологии проводили контактно-реактивную пайку двухслойного узла с внутренней стенкой из бронзы БрХ08 и наружной стенкой из мартенситно-стареющей стали серебряным припоем при 970±10^oC. Предварительно полость между стенками вакуумировали, а снаружи узла (в печи) создавали давление потоком инертного газа-аргона. При охлаждении после пайки осуществляли изотермическую выдержку при 750-800^oC в течение 10-30 мин. При этой термообработке происходило снятие напряжений в паяном соединении. Далее осуществляли охлаждение до комнатной температуры.

Однако при использовании этого способа не удалось получить стабильную структуру паяного соединения и основного металла стали. После охлаждения до комнатной температуры в структуре содержится около 20% аустенита. Такая структура не стабильна, поскольку в ней продолжают протекать процессы превращения аустенита в мартенсит. Это приводит к искажению кристаллической решетки, а значит и к нарушению структуры паяного соединения и основного металла, влекущее за собой изменение их механических свойств. Особенно это проявляется при работе конструкции в условиях криогенных температур. Таким образом, наличие нестабильности структуры материала, из которого изготовлено паяное изделие, может заметно снизить его работоспособность при эксплуатации.

Задача изобретения создание режима пайки двухслойных изделий, содержащих мартенситно стареюшую сталь, приводящего к получению стабильной структуры паяного соединения и основного металла.

Задача решена за счет того, что охлажденные паяные изделия до температуры минус 65-70^oC с последующим нагревом до 250±10^oC и выдержкой 20-30 мин при ней. При пайке изделий с ограниченным (жестким) контактом паяемых поверхностей, например, сопл нагрев до температуры пайки осуществляется с изотермической выдержкой при 700 750^oC в течение 10-30 мин.

Технический результат повышение однородности структуры паяного соединения и основного металла, обеспечивающее повышение механических свойств, а значит и работоспособности изделий при эксплуатации.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Проводили контактно-реактивную пайку биметаллических двухслойных конструкций с наружной стенкой из мартенситно стареющей стали и внутренней стенкой из бронзы БрХ08. Припой, содержащий медь и серебро, наносили на паяемые поверхности конструкции в виде гальванического покрытия. Собранное изделие помещали в индукционную вакуумною печь. Из печи и из пространства между наружной и внутренней стенками конструкции откачивали воздух до получения вакуума 1•10^-2мм Hg а затем в рабочую зону печи подавали инертный газ аргон под давлением. Нагрев печи осуществляли до температуры пайки 970±10^oC. Выдержка при ней составляла 30 40 мин в зависимости от толщины стенок изделия. В случае пайки изделий с ограниченным (жестким) контактом паяемых поверхностей, например, сопл проводили изотермическую выдержку при нагреве при 700 750^oC в течение 10 30 мин. Эта выдержка необходима для выборки зазора в местах, где между паяемыми поверхностями возможно их недостаточное прилегание. По окончании процесса пайки изделия охлаждали до 750 800^oC и выдерживали при ней 10 30 мин для снятия напряжений в структуре паяного соединения и основного металла. Далее изделия охлаждали в атмосфере инертного газа до комнатной температуры и вынимали из печи.

Охлажденные изделия до комнатной температуры помещали в установку - термостат, где они охлаждались до минус 65 70^oC. После выдержки 2 4 ч их вынимали из термостата и помещали печь, где нагревали на воздухе до 250±10^oC и выдерживали при ней в течение 20 30 мин. Далее изделия охлаждали до комнатной температуры.

В процессе охлаждения изделий до минус 65 70^oC происходит стабилизация структуры материалов паяного соединения и основного металла. Оставшийся в ней (около 7%) аустенит равномерно распределяется в основной фазе структуры мартенсите. Далее аустенит уже не подвергается превращению. При изотермической выдержке при 250±10^oC происходит снятие напряжений в изделии.

Степень однородности структуры паяного соединения и основного металла контролировали методом металлографического анализа. Механические свойства определяли с помощью образцов на прочность и пластичность, а работоспособность по времени испытаний изделий при 196 250^oC.

Пример 1. Паяли двухслойный цилиндр, наружная стенка которого выполнена из мартенситно стареющей стали ВНС 25, а внутренняя из бронзы БрХ08. На паяемые поверхности деталей конструкции гальваническим методом наносили припой, содержащий серебро в виде покрытия толщиной 5 10 мкм. Собранную конструкцию помещали в печь и создавали в ней и в пространстве между стенками вакуум 1•10^-2 мм Hg. Затем в рабочую зону печи подавали аргон под давлением на проток. Пайку осуществляли при 980^oC в течение 30 мин с последующим охлаждением до 750^oC в течение 30 мин. Охлажденный цилиндр до комнатной температуры подвергали охлаждению до 65^oC и выдерживали при ней в течение 4 ч. Далее изделие нагревали до 260^oC и выдерживали 20 мин.

Металлографический выявил наличие однородной структуры паяного соединения и основного металла: небольшое количество аустенита равномерно распределено в мартенситной фазе. Прочность паяного соединения конструкции достигла прочности бронзы и составила 20 25 кгс/мм², а прочность наружной стенки из стали ВНС-25 более 95 кгс/мм². Работоспособность изделия в интервале температур от -196 до +250^oC составила 120с за один цикл.

Пример 2. Паяли двухслойное сопло, выполненное из текже материалов, что и в примере 1. Толщина покрытия припоя, содержащего серебро, на паяемой поверхности составляла 8^oC10 мкм. Собранную конструкцию нагревали в печи до 700 750^oC при ней в течение 20±10 мин. Далее осуществляли пайку при 960^oC в течение 40 мин, охлаждение до 800^oC с выдержкой при ней в течение 10 мин. Обработку холодом проводили при -70^oC и выдерживали при ней в течение 2 ч. Последующий нагрев осуществляли до 240^oC с выдержкой в течение 30 мин.

Металлографический анализ так же, как и в примере 1, выявил наличие однородной структуры в паяном соединении и в основном металле. Характеристики прочности и работоспособности такие же, как в примере 1.9

Использование: при контактно-реактивной пайке двухслойных изделий из разнородных материалов, содержащих мартенситно-стареющую сталь. Сущность изобретения: проводили контактно-реактивную пайку биметаллических двухслойных конструкций с наружной стенкой из мартенситно-стареющей стали и внутренней - из бронзы. Сбоку осуществляли с припоем, содержащим серебро. Пайку проводили в атмосфере аргона при 970±10^oC в течение 30-40 мин. Изделия охлаждали сначала до 750-800^oC, выдерживали при ней в течение 10-30 мин, затем до комнатной и далее до -65-70^oC с выдержкой при ней 2-4 ч. Нагрев осуществляли до 250±10^oC с выдержкой 20-30 мин. Перед процессом пайки при нагреве возможна изотермическая выдержка при 700-750^oC в течение 10-30 мин. Технический результат-повышение однородности структуры паяного соединения и основного металла, обеспечивающее повышение механических свойств и работоспособности изделий при эксплуатации. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ пайки двухслойных изделий, выполненных из разнородных материалов, содержащих мартенситно-стареющую сталь, включающий сборку изделий с припоем, содержащим серебро, нагрев в атмосфере инертного газа до температуры пайки, охлаждение до температуры изотермической выдержки, изотермическую выдержку и последующее охлаждение до комнатной температуры, отличающийся тем, что пайку производят при (970±10)^oC, охлаждение - до 750 800^oС, изотермическую выдержку при этой температуре проводят в течение 10-30 мин, причем при температуре пайки изделия выдерживают в течение 30-40 мин, а охлажденные до комнатной температуры изделия подвергают дальнейшему охлаждению до -65 70^oС с последующим нагревом до (250±10)^oС и выдержкой при этой температуре в течение 20-30 мин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев до температуры пайки осуществляют с изотермической выдержкой при 700 750^oС в течение 10 30 мин.