СПОСОБ ПАЙКИ АЛЮМИНИЯ С ЖАРОПРОЧНЫМИ СТАЛЯМИ И СПЛАВАМИ Российский патент 1998 года по МПК B23K1/19 B23K103/18 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пайке алюминия с жаропрочными сталями и сплавами, для изготовления изделий, обладающих высокой прочностью, коррозионной стойкостью и работающих в условиях вибрации.

Паяные изделия из биметаллов, содержащие алюминий, чаще всего используются в качестве теплообменников, где требуются высокие коррозионная стойкость и плотность паяных соединений.

Известен, например, способ соединения труб теплообменника, выполненных из алюминия и меди (патент Японии N 49 675, заявленный 03.07.69г. опубликованный 09.01.74, аннотация его представлена в Р.Ж.Сварка,1974 N 10,10.63.424П). В соответствии с описанной технологией пайки предложено вначале на паяемую поверхность алюминиевой трубы нанести хлорид меди, нагреть ее до температуры разложения хлорида меди и получить слой меди толщиной 3 мкм. Затем их покрывают флюсом, соединяют, в зазор помещают свинцово-оловянистый припой и осуществляют низкотемпературную пайку.

Наличие на поверхности алюминиевой трубы защитного медного покрытия обеспечивает хорошую растекаемость припоя и заполнение капиллярного зазора. Однако силы физического сцепления медного покрытия с подложкой оказываются недостаточно прочными при механических воздействиях на паяемое соединение и могут привести к появлению в нем дефектов. Кроме того, известный способ невозможно применить при пайке алюминия с жаропрочными сталями и сплавами, поскольку при ней не исключается вероятность образования окисной пленки на поверхности детали из этих сплавов.

Известен способ пайки теплообменников, выполненных из алюминия и стали (патент Российской Федерации N 2043885, кл. B 23 K 1/00, 1995). Технология включает нанесение на паяемую поверхность алюминиевой детали плакированного слоя из сплава алюминий кремний, а на поверхность стальной детали - защитного слоя из алюминия, сборку деталей, нанесение флюса и нагрева ее до температуры, достаточной для частичного оплавления плакирующего и защитного слоев в течение времени, необходимого для образования из этих слоев интерметаллического соединения. Пайку осуществляют сначала в вакууме, затем в потоке азота. Температуру повышают постепенно и проводят несколько кратковременных выдержек. Окончательная температура 600^oC.

При использовании известного способа достигается высокая коррозионная стойкость изделия за счет наличия защитного слоя на паяемой поверхности стальной детали.

Известный способ может быть использован при пайке теплообменников, в которых одна из деталей выполнена из жаропрочного сплава, например, на основе никеля.

Однако теплообменники, изготовленные по известной технологии, не могут длительное время работать при значительных механических нагрузках, например, вибрациях, поскольку образующееся в результате пайки интерметаллическое соединение по своей природе достаточно хрупкое и, кроме того, недостаточно прочно соединено с подложкой из-за отсутствия их физико-химического (диффузионного) взаимодействия.

Задача изобретения создание технологии пайки алюминия с жаропрочными сталями и сплавами, обеспечивающей изготовление изделий, работоспособных при повышенных механических нагрузках и в агрессивных средах.

Задача решена за счет того, что на паяемую поверхность детали из алюминия наносят слой медного покрытия толщиной 7 15 мкм с последующей термической обработкой в вакууме при 430 470^oC и выдержке при ней в течение 40 60 мин, а на паяемую поверхность другой детали наносят слой покрытия металла, выбранного из группы никель, медь, толщиной 7 15 мкм и после установки припоя и сборки паяют при температуре на 50 70^oC выше температуры плавления припоя.

Технический результат повышение прочности и плотности паяных соединений изделий, работающих в условиях агрессивных сред и вибрации.

Способ осуществляют следующим образом.

Паяют изделие, содержащее ребристую пластину из алюминия и пластину из жаропрочного сплава. Предварительно паяемую поверхность ребристой пластины из алюминия обрабатывают электрокорундом под давлением. Далее ее подвергают электролитическому меднению. Наносят слой медного покрытия толщиной 7 15 мкм. При нанесении слоя менее 7 мкм возможно исчезновение свободной меди в поверхностном слое детали после термообработки, что нежелательно при процессе пайки. Нанесение слоя более 15 мкм нежелательно по технологическим соображениям. Деталь, покрытую защитным медным слоем,подвергают термообработке в вакуумной печи при 430 470^oC в течение 40 60 мин при достижении вакуума 1•10^-2 мм рт.ст. Указанный интервал температур является оптимальным для протекания диффузионного процесса взаимодействия меди с алюминием и достижения прочного сцепления покрытия с подложкой.

Была проведена проверка на адгезионную прочность алюминиевых образцов, покрытых электролитической медью в соответствии с изобретением. Механические испытания в атмосфере влажного воздуха отслоений покрытия не выявили.

На паяемую поверхность пластины из жаропрочного сплава, например легированной стали или сплава на основе никеля, после ее предварительной обработки наносят слой никеля гальваническим методом из сернокислого раствора или слой меди из ее сернокислого раствора толщиной 7 15 мкм. Нанесение никелевого или медного покрытий указанных толщин является оптимальным для полного смачивания паяемой поверхности сплава в процессе пайки. Никель и медь одинаково хорошо смачивают поверхность жаропрочного сплава.

На одну из деталей паяемой конструкции устанавливают припой. В качестве припоя может быть использован свинец или сплав на его основе или какой-либо другой сплав, но температура плавления которого должна быть меньше температуры плавления алюминия. Далее осуществляют пайку в защитной среде. Ее проводят в вакуумной печи в атмосфере инертного газа аргона или с помощью паяльника под флюсом. Температуру плавления выбирают на 50 70^oC выше температуры плавления припоя, выдержка при ней 3 5 мин.

Изделия, спаянные по указанной выше технологии, были подвергнуты механическим испытаниям и металлографическому анализу. Результаты показали отсутствие пор и других дефектов в паяном соединении и высокую прочность изделия при вибрации.

Пример 1. Паяли теплообменник, содержащий пластину с ребристой поверхностью из алюминия и пластину из жаропрочной стали марки ВНС-25. Предварительно пластину из алюминия толщиной 2 мм со стороны ребер обрабатывали электрокорундом, затем на эту поверхность из сернокислого раствора осаждали слой гальванического медного покрытия толщиной 7 мкм и подвергали термообработке в вакуумной печи в атмосфере аргона, подаваемого в печь на проток, при 470^oC в течение 40 мин. На паяемую поверхность стальной пластины наносили из сернокислого раствора слой никелевого покрытия толщиной 15 мкм. На пластину из алюминия устанавливали свинцово-оловянистый припой и после сборки изделие помещали в печь. Пайку осуществляли в атмосфере аргона при 240^oC в течение 5 мин. После охлаждения изделие подвергали контролю. Испытания на воздействие вибрации показали отсутствие разрушения паяного соединения, а металлографический анализ не выявил в нем пор и других дефектов.

Пример 2. Паяли теплообменник, содержащий те же пластины, что и в примере 1. После предварительной обработки на пластину из алюминия гальваническим методом наносили слой медного покрытия толщиной 15 мкм и подвергали термообработке в печи при 430^oC в течение 60 мин. На паяемую поверхность стальной пластины наносили из сернокислого раствора слой медного покрытия толщиной 7 мкм. Использовали тот же припой, что и в примере 1. Пайку осуществляли под флюсом (канифоль) с помощью паяльника при 250^oC. Испытания показали отсутствие дефектов в паяном шве и его удовлетворительную прочность при вибрации.

Пример 3. Паяли теплообменник, содержащий ребристую пластину из алюминия и пластину на никелевой основе марки ЭП-202. На паяемую пластину из алюминия после механической обработки наносили слой медного покрытия толщиной 15 мкм и подвергали термообработке в вакуумной печи при достижении вакуума 1•10^-2 мм Hg при 470^oC в течение 60 мин. На паяемую поверхность пластины из сплава ЭП-202 наносили слой никелевого покрытия толщиной 15 мкм. После размещения припоя, аналогичного в примерах 1, 2, собранное изделие паяли в печи в атмосфере аргона при 260^oC в течение 5 мин. Испытания показали отсутствие дефектов в паяном соединении и его удовлетворительную прочность при вибрации.

Способ может быть использован при пайке алюминия с жаропрочными сталями и сплавами. На ребристую поверхность пластины из алюминия наносят слой медного покрытия толщиной 7-15 мкм. Проводят термообработку в вакуумной печи при 430-470^oC в течение 40-60 мин. На паяемую поверхность пластины из жаропрочного сплава наносят слой гальванического никелевого или медного покрытия толщиной 7-15 мкм. На одну из пластин устанавливают свинцово-оловянистый припой. Проводят пайку в защитной среде при температуре на 50-70^oC выше температуры расплавления припоя. Пайку можно осуществлять как в вакуумной печи, так и с помощью паяльника под флюсом. Повышает прочность и плотность паяных соединений изделий, работающих в условиях агрессивных сред и вибрации.

Способ пайки алюминия с жаропрочными сталями и сплавами, включающий нанесение на паяемые поверхности деталей защитных покрытий, их сборку и пайку в защитной среде, отличающийся тем, что на паяемую поверхность детали из алюминия наносят слой медного покрытия толщиной 7 15 мкм с последующей термической обработкой в вакууме при 430 470^oС и выдержке при ней в течение 40 60 мин, на паяемую поверхность другой детали наносят слой покрытия металла, выбранного из группы никель, медь, толщиной 7 15 мкм, устанавливают припой, а пайку производят при температуре на 50 70^oС выше температуры плавления припоя.