ПРИПОЙ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 1998 года по МПК B23K35/30 C22C19/05 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при изготовлении паяных деталей и узлов авиационных и корабельных турбин, тонкостенных радиаторов, металлических блоков- носителей катализатора в системах нейтрализации выхлопных газов и в других случаях при пайке изделий, работающих в условиях высоких температур.

Анализ технической и патентной литературы показывает, что для пайки жаростойких сплавов находят широкое применение припои на никелевой основе.

Известен припой на никелевой основе, содержащий следующие компоненты в мас. %: хром 18 - 22; кремний 6 - 11; кобальт до 2; железо 19 - 22; молибден 8 - 11; никель остальное (патент США, 3542543 (GENERAL ELECTRIC CO), 1970, B 23 K 35/30). К недостаткам данного припоя можно отнести то, что он не обеспечивает требуемой капиллярности и смачивающей способности (по отношению к паяемому материалу), что особенно необходимо при пайке тонкостенных паяных конструкций. Кроме того, отсутствие в припое алюминия и титана не обеспечивает жаростойкости паяных соединений тонких лент из сплавов системы железо-хром-алюминий, в частности металлоблоков - носителей катализатора на уровне жаростойкости паяемого материала.

Наиболее близким жаростойким из известных припоев на никелевой основе является припой G981 (Хряпин В.Е., Справочник паяльщика. - М.: Машиностроение, 1981, с. 67, табл. 139), содержащий 19% хрома и 10% кремния и применяющийся для пайки многих жаростойких, жаропрочных и нержавеющих сталей, который является наиболее близким аналогом припоя согласно изобретению.

Данный припой имеет недостатки, проявляющиеся, в частности, при пайке изделий из жаростойких сплавов на железо-хромовой основе, в том числе содержащих алюминий:
1) повышенная эрозионная способность по отношению к паяемому материалу, что вызывает большие трудности при пайке тонкостенных конструкций из-за сквозного проплавления стенок;
2) температура плавления сплава, заполняющего зазоры и представляющего собой припой с частично растворенным в нем основным материалом, составляет ~ 1050^oC. При пайке тонкостенных деталей, когда размеры соединительных галтелей соизмеримы с толщиной основного материала, а иногда и превосходят ее, диффузионное взаимодействие припоя с основным материалом не может привести к повышению температуры плавления припоя в галтелях. Поэтому температура изделий при эксплуатации не может быть выше 1000^oC, и применение данного припоя, например, при пайке сотовых конструкций из лент сплавов железо - хром - алюминий, используемых в качестве подложек катализатора в конверторах выхлопных газов автомобилей, будет затруднительно, поскольку в настоящее время наблюдается тенденция повышения температуры выхлопных газов до 1000^oC и выше;
3) пониженная жаростойкость паяных соединений тонкостенных деталей из сплавов Fe-Cr-Al вследствие диффузионного перехода алюминия из паяемого металла в зону, занимаемую припоем, что отрицательно скажется на ресурсе работы, например, сотового металлоблока каталитического нейтрализатора выхлопных газов.

Целью изобретения является создание припоя на основе никеля с пониженной эрозионной способностью, образующего паяные соединения с повышенными жаростойкостью и рабочей температурой.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в состав известного припоя, содержащего никель (основа), 19% хрома и 10% кремния, дополнительно вводят железо, алюминий, ниобий, молибден, кобальт и титан при следующем соотношении компонентов (мас.%): хром 19,2 - 40; железо 8 - 28; кремний 3 -7,5; алюминий 1,1 - 5,0; молибден 1,0 - 7,9; ниобий 0,5 - 7,5; кобальт 0,5 - 6,0; титан 0,5 - 7,4. При этом суммарное содержание неизбежных примесей, таких как кислород, азот, углерод, сера, марганец, или содержание каждого из указанных компонентов не должно превышать 1 мас.%.

В припое хром необходим для обеспечения жаростойкости паяных соединений на уровне основного металла. При содержании хрома менее 19% понижается жаростойкость припоя и паяного соединения, а при увеличении содержания более 40% ухудшается растекаемость припоя и повышается температура пайки, что может в некоторых случаях привести к рекристаллизации паяемого материала и, вследствие этого, уменьшению его коррозионной стойкости и прочности.

При увеличенном содержании хрома, молибдена и титана необходимо уменьшение содержания кремния (по сравнению с прототипом). При содержании кремния менее 3% ухудшается растекаемость припоя, при содержании выше 8% увеличивается эрозия припоем основного материала.

Железо вводится в припой главным образом для уменьшения растворения основного материала и повышения прочности и пластичности паяных соединений. Молибден также понижает эрозионную способность и к тому же повышает растекаемость припоя и жаростойкость паяных соединений. При содержании железа и молибдена соответственно 8 и 1 мас.%. припой растворяет основной материал при прочих равных условиях в 3 раза меньше, чем прототип, что и взято за критерий уменьшения эрозионной способности припоя.

Увеличение содержания железа более 28 мас.% ухудшает смачиваемость припоем поверхности паяемого материала и растекаемость припоя. При содержании молибдена более 7,9% температура ликвидуса сплава припоя становится ниже 1100^oC, что понижает рабочую температуру паяных соединений.

Алюминий в припое повышает жаростойкость паяных соединений, что особенно важно при пайке тонкостенных деталей, тонких лент из сплавов системы Fe-Crl-Al. Жаростойкость этих сплавов помимо хрома определяется также содержанием алюминия, благодаря формированию защитной пленки из окиси алюминия. Таким образом, наличие в припое хрома и алюминия в оптимальном диапазоне концентраций обеспечивает жаростойкость припоя и паяных соединений на уровне основного материала.

При содержании в припое алюминия менее 1% окисная пленка на поверхности паяного соединения не будет обладать такими же защитными свойствами, как на паяемом сплаве. К тому же произойдет понижение жаростойкости прилегающих к паяному шву участков лент вследствие уменьшения в них содержания алюминия из-за его частичного перехода в зону паяного соединения.

Увеличение содержания алюминия более 5% вызывает повышение температуры плавления припоя и ухудшение его технологических свойств (смачивание, растекаемость).

Кобальт способствует смачиванию жаростойких сплавов, содержащих алюминий, а также уменьшению температурного интервала плавления припоя и способности растворять основной материал. При содержании кобальта 0,5% обеспечивается удовлетворительное смачивание фехралей, содержащих ≤ 1% алюминия. Для сплавов, легированных алюминием до 5%, необходимо ввести в припой примерно 6% кобальта.

Ниобий необходим для повышения жаропрочности припоя благодаря связыванию углерода в карбиды и кремния - в силициды (при этом уменьшается объем хрупких силицидов). При содержании ниобия менее 0,5% эффект повышения прочности паяных соединений при повышенных температурах незначителен. Увеличение содержания ниобия более 7,5% ухудшает смачивающую способность и капиллярность припоя.

Титан вводится в припой для обеспечения требуемой температуры пайки и повышения жаростойкости паяных соединений. При содержании титана менее 0,4% повышается температура ликвидуса, а при содержании более 7,5% - понижается температура солидуса.

Пример конкретного выполнения вариантов припоя.

Было выплавлено 4 состава припоя, включая прототип. Плавку проводили в тигле объемом 7 см³ в потоке аргона. Испытания на жаростойкость проводились на образцах, вырезанных из слитков припоев, по ГОСТ 21910-76.

Эрозионную способность припоев оценивали при взаимодействии со сплавом Х23Ю5. Испытания на растворение припоем основного материала проводились по ГОСТ 21549-76 "Глубина общей химической эрозии при пайке".

Температурный интервал плавления припоев определяли методом дифференциального термического анализа (на установке ДТА-7).

Результаты сравнительных испытаний припоев приведены в таблице.

Как следует из приведенных результатов, предлагаемый припой отличается от прототипа следующими улучшенными характеристиками:
растворение основного материала уменьшилось ≈ в 10 раз;
жаростойкость повысилась ≈ в 3 раза;
рабочая температура паяных соединений может быть повышена на 50^oC.

Изобретение относится к припоям на никелевой основе и может найти применение при изготовлении паяных деталей и узлов авиационных и корабельных турбин, тонкостенных радиаторов и в других случаях при пайке изделий, работающих в условиях высоких температур. Задачей изобретения является получение припоя с пониженной эрозионной способностью, образующего паяные соединения с повышенными жаростойкостью и рабочей температурой. Припой содержит следующие компоненты в мас.%: хром 19,2 - 40,0; кремний 3,0 - 7,5; алюминий 1,1 - 5,0; кобальт 0,5 - 6,0; железо 8,0 - 28,0; молибден 1,0 - 7,9; ниобий 0,5 - 7,5; титан 0,5 - 7,4; никель - остальное. 1 табл.

Припой на никелевой основе, содержащий хром, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, кобальт, железо, молибден, ниобий, титан при следующем соотношении компонентов, %:
Хром - 19,2 - 40,0
Кремний - 3,0 - 7,5
Алюминий - 1,1 - 5,0
Кобальт - 0,5 - 6,0
Железо - 8,0 - 28,0
Молибден - 1,0 - 7,9
Ниобий - 0,5 - 7,5
Титан - 0,5 - 7,4
Никель - Остальноер