ДЕТАЛИ С ПОКРЫТИЕМ ИЗ СПЛАВА АЛЮМИНИЯ С КРЕМНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК B23K1/00 B23K35/363 

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия из сплава алюминия с кремнием на алюминий или алюминиевые сплавы, а также к полученным этим способом деталям и способу пайки.

Методы пайки деталей из алюминия или алюминиевых сплавов хорошо известны. При пайке детали соединяют между собой с помощью твердого припоя и флюса при нагреве. При этом можно либо применять отдельно добавляемый твердый припой, либо использовать детали, уже плакированные твердым припоем. В качестве флюса преимущественно применяют фторалюминат калия и/или фторалюминат цезия.

В патенте US 1906307 описан способ соединения пайкой деталей из алюминиевого сплава. При этом применяют плакированные припоем детали с флюсом, в состав которого входит от 70 до 90 мас.% гексафторсиликата калия и от 30 до 10 мас.% трифторида алюминия, с добавлением фторида лития и фторида натрия. Из заявки ЕР-А 0810057 известны флюсы для пайки алюминия, в состав которых может входить до 20 мас.% фторсиликата металла (наряду с фторалюминатным комплексом, например тетрафторалюминатом калия). Помимо этого пайку можно осуществлять без припоя при использовании фторсиликатов некоторых щелочных металлов при определенных массовых соотношениях компонентов.

В заявке DE 19636897 описан не требующий применения припоя способ соединения пайкой алюминиевых деталей при условии использования при этом флюса, который содержит от 6 до 50 мас.% гексафторсиликата калия, а также фторалюминат калия.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой способ нанесения покрытия из сплава алюминия с кремнием на алюминий или алюминиевые сплавы (или на соответствующие детали, изготовленные из таких материалов) без необходимости плакирования твердым припоем, наносимым навальцовкой. Еще одна задача изобретения состояла в разработке способа соединения пайкой деталей из алюминия или алюминиевых сплавов, в котором не требовалось бы отдельно добавлять твердый припой. Указанные задачи решаются с помощью предлагаемого в изобретении способа и получаемых при его осуществлении деталей.

В предлагаемом в изобретении способе изготовления алюминия или алюминиевого сплава с покрытием из сплава алюминия с кремнием предусмотрено нанесение на алюминий или алюминиевый сплав гексафторсиликата щелочного металла и нагрев до образования сплава алюминия с кремнием.

Предпочтительными гексафтросиликатами щелочных металлов являются гексафторсиликат калия, гексафторсиликат цезия или их смеси, наиболее предпочтителен гексафторсиликат калия.

Фторсиликат щелочного металла наиболее предпочтительно наносить с удельным расходом в пересчете на единицу площади в пределах от 30 до 60 г/м². С этой целью можно использовать, например, электростатическое нанесение сухого порошкового гексафторсиликата или осаждение из водной фазы (раствора или суспензии силиката). При меньших значениях удельного расхода, отнесенного к единице площади, образуется более тонкий, а при больших значениях - более толстый слой сплава. Образование сплава, обеспечивающего соединение деталей, наблюдается уже при удельном расходе, отнесенном к единице площади, от 5 г/м². Для большинства областей применения более предпочтительны значения удельного расхода, отнесенного к единице площади, от по меньшей мере 20 до 60 г/м², поскольку при этом для получения надежного паяного соединения (прочного паяного шва) деталей соответственно имеется больший запас сплава.

Исходный материал наносят при этом в виде суспензии в воде или в органических растворителях либо в виде пасты. Оптимальное содержание гексафторсиликата в подобных суспензиях составляет от 15 до 75 мас.%. Помимо воды можно применять также органические жидкости, прежде всего спирты, такие как метанол, этанол, пропанол или изопропанол, или полиолы. К числу других органических жидкостей, которые можно применять согласно изобретению, относятся простые эфиры, например монобутиловый эфир диэтиленгликоля, кетоны, такие как ацетон, эфиры одноатомных спиртов, диолов или полиолов. Примером связующего для применения в виде пасты служит этилцеллюлоза. Гексафторсиликат можно наносить на деталь с помощью пленкообразователей, которые обычно представляют собой полимеры, растворимые в органических растворителях, таких как ацетон. После испарения растворителя подобные материалы образуют прочно сцепленную с основой пленку. В качестве примера, пригодных для применения в указанных целях, полимеров можно назвать акрилаты или метакрилаты.

Для мокрого нанесения флюса наиболее пригоден материал с высокодисперсным гранулометрическим составом. В отличие от этого материал с более грубым гранулометрическим составом наиболее пригоден для сухого нанесения флюса. Материал с требуемым высокодисперсным, соответственно более грубым гранулометрическим составом можно получать известными методами. Обычно при этом используют растворы едкой щелочи с гексафторкремниевой кислотой (можно также использовать их предшественники, например карбонат щелочного металла). В данной области техники хорошо известны методы, позволяющие регулировать крупность частиц при их получении. Более мелкие кристаллы образуются при более низкой температуре реакции, более высокой скорости протекания реакции, более быстрой сушке и более интенсивном перемешивании реакционной смеси. Более крупные кристаллы образуются при более высокой температуре, отстаивании маточного раствора, менее интенсивном движении реакционной смеси и более медленном перемешивании реагентов.

Для сухого нанесения флюса наиболее целесообразно использовать гексафторсиликат, соответственно содержащие его смеси, состоящие в основном из частиц крупностью от 8 до менее 20 мкм, например до 18 мкм. Так, например, на практике удалось получить K₂SiF₆ с Х_D10=2,04 мкм, X_D50=6,94 мкм и X_D90=12,35 мкм при среднем диаметре частиц 6,94 мкм. Другой полученный продукт был еще более тонкодисперсным с X_D50=4,6 мкм. Это значение крупности частиц относится к среднему диаметру 50% всех частиц (Х_D50), определенному методом дифракции лазерных лучей. Флюсы, в состав которых в основном входят частицы крупностью от 1 до 12,5 мкм, наиболее пригодны для применения в виде суспензии в воде или в органических жидкостях для метода мокрого нанесения флюса.

С целью обеспечить образование сплава алюминия с кремнием алюминий или алюминиевый сплав предпочтительно нагревать до температуры в пределах от 400 до 610°С, более предпочтительно от 540 до 610°С. При применении гексафторсиликата калия предпочтителен нагрев до температуры в пределах от 570 до 600°С.

Стадии нанесения покрытия и пайки можно осуществлять за одну технологическую операцию. При этом сначала образуется сплав, а затем происходит пайка. Вместе с тем стадии нанесения покрытия и пайки можно также разнести во времени. При этом сначала на детали наносят покрытие. После этого деталям обычно дают остыть и в этом состоянии они находятся до повторного нагрева при пайке. Очевидно, что в этом случае стадии нанесения покрытия и пайки могут быть также пространственно отделены одна от другой. Таким образом, подобный способ отличается высокой гибкостью.

Было установлено, что детали из алюминия или алюминиевых сплавов, на которые согласно изобретению нанесено покрытие из сплава алюминия с кремнием, можно паять без добавления припоя, например по методу газопламенной пайки или печной пайки, при условии, что с момента нанесения покрытия до момента пайки не должно проходить столь много времени, в течение которого происходит старение поверхности соединяемых пайкой деталей или мест пайки. Если же с момента нанесения предлагаемым в изобретении способом покрытия до последующего процесса пайки истекло столько времени, что успел произойти процесс старения поверхности, то можно использовать флюс, например, на основе фторалюмината калия или фторалюмината цезия. Достигаемое при этом преимущество заключается в том, что удельный расход флюса в пересчете на единицу площади можно поддерживать при необходимости на исключительно низком уровне, составляющем, например, от 2 до 30 г/м².

Согласно одному из вариантов, предлагается использовать чистый гексафторсиликат щелочного металла. При этом речь может идти о смеси гексафторсиликатов щелочных металлов.

В соответствии с другим вариантом флюс на основе фторалюмината, например фторалюмината калия и/или фторалюмината цезия, можно наносить одновременно с гексафторсиликатом щелочного металла либо после получения покрытия из сплава. При условии проведения процесса по этому варианту максимальное количество фторалюмината составляет не более 15 мас.% в пересчете на использованный гексафторсиликат щелочного металла, предпочтительно не более 10 мас.%, прежде всего не более 5 мас.%. Подобная смесь также является объектом настоящего изобретения.

Понятие "детали из алюминия или алюминиевого сплава" в контексте настоящего изобретения относится к деталям, которые после нанесения на них покрытия предлагаемым в изобретении способом соединяют между собой прежде всего пайкой в сборочные группы (узлы). Под "деталями" понимаются также полуфабрикаты, соответственно заготовки, например алюминиевые листы, алюминиевые профили, алюминиевые трубы или изделия из алюминия или алюминиевых сплавов иных форм, из которых при последующей обработке получают детали, которые в свою очередь впоследствии можно соединить пайкой в сборочные группы (узлы). При этом речь идет, например, о деталях, которые после их соединения пайкой образуют элементы конденсаторов (холодильников), теплообменников или испарителей.

Еще одним объектом изобретения являются изготовленные предлагаемым способом детали из алюминия или алюминиевого сплава с покрытием из сплава алюминия с кремнием.

Такие изготовленные предлагаемым в изобретении способом детали из алюминия или алюминиевых сплавов можно соединять пайкой, необязательно с применением паяльного флюса, например фторалюмината калия, фторалюмината цезия или их смесей. Подобный процесс пайки осуществляют известным способом, например, в паяльной печи или газопламенной пайкой, при температуре от 400 до 610°С в зависимости от применяемого флюса.

Преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в возможности сразу же соединять пайкой детали, изготовленные предлагаемым способом, без применения флюса. Если же впоследствии для пайки потребуется использовать флюс, то его можно наносить с минимальным удельным расходом на единицу площади поверхности. Слой фторалюмината щелочного металла, образующийся наряду со слоем сплава, обеспечивает эффективную защиту от вторичного окисления.

Пример 1

Изготовление алюминиевой детали с покрытием из сплава алюминия с кремнием

На алюминиевую пластину (размером 25 × 25 мм) наносили K₂SiF₆ с удельным расходом 40 г/м² и равномерно распределяли по поверхности с помощью изопропанола. После испарения растворителя пластину нагревали в печи в атмосфере азота до 600°С (пайка твердым припоем в контролируемой атмосфере). По завершении этого цикла термообработки (нагрева) и последующего охлаждения пластину извлекали из печи. При этом на пластине образовался слой сплава алюминия с кремнием с характерным металлическим блеском.

Пример 2

Соединение пайкой алюминиевых деталей с покрытием из Al-Si-сплава

На изготовленную согласно примеру 1 пластину наносили фторалюминат калия в качестве флюса с расходом 5 г/м² (продукт Nocolok®, товарный знак фирмы Alcan Corp., поставщик: Solvay Fluor und Derivate GmbH) и равномерно распределяли по поверхности с помощью изопропанола. Затем на пластину накладывали алюминиевый уголок, этот сборочный узел помещали в паяльную печь и повторно обрабатывали аналогично примеру 1. По завершении процесса пайки пластину с уголком извлекали из печи. При этом уголок на 100% припаялся к пластине с образованием прочного и однородного паяного шва.

Пример 3

Одностадийная пайка без использования твердого припоя

На пластину из алюминия (размером 25×25 мм) наносили K₂SiF₆ с расходом 40 г/м² и равномерно распределяли по поверхности с помощью изопропанола. На подготовленную таким путем поверхность помещали алюминиевый уголковый профиль с углом при вершине 90° общей длиной 40 мм. Затем этот сборочный узел нагревали в печи в атмосфере азота до 600°С (пайка твердым припоем в контролируемой атмосфере). По завершении этого цикла термообработки (нагрева) и последующего охлаждения пластину извлекали из печи. При этом между обеими отдельными деталями образовался прочный замкнутый по всему периметру паяный шов.

Изобретение может быть использовано при пайке деталей из алюминия и его сплавов. Покрытие получают нанесением и нагревом гексафторсиликата щелочного металла. При этом используют чистый гексафторсиликат щелочного металла или смесь гексафторсиликата щелочного металла со фторалюминатом в количестве максимально 5 мас.% в пересчете на используемый гексафторсиликат щелочного металла. Покрытие наносят на деталь методом сухого или мокрого нанесения флюса, необязательно вместе со связующим или пленкообразователем. Благодаря одновременно образующемуся коррозионностойкому слою фторалюмината калия обеспечивается эффективная защита сплава от вторичного окисления. 5 н. и 7 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления детали из алюминия или алюминиевого сплава с покрытием, которое содержит гексафторсиликат щелочного металла или состоит из него, при этом используют чистый гексафторсиликат щелочного металла или смесь гексафторсиликата щелочного металла со фторалюминатом в количестве максимально 5 мас.% в пересчете на используемый гексафторсиликат щелочного металла, и на деталь методом сухого или мокрого нанесения флюса наносят гексафторсиликат щелочного металла, необязательно вместе со связующим или пленкообразователем.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что применяют гексафторсиликат калия, гексафторсиликат цезия или их смеси.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что фторсиликат щелочного металла наносят с удельным расходом в пересчете на единицу площади в пределах от 30 до 60 г/м³.4. Способ изготовления детали из алюминия или алюминиевого сплава с покрытием, которое содержит сплав алюминия с кремнием, при этом используют чистый гексафторсиликат щелочного металла или смесь гексафторсиликата щелочного металла со фторалюминатом в количестве максимально 5 мас.% в пересчете на используемый гексафторсиликат щелочного металла, и на деталь методом сухого или мокрого нанесения флюса наносят гексафторсиликат щелочного металла, необязательно вместе со связующим или пленкообразователем, после чего деталь нагревают до образования сплава алюминия с кремнием.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что применяют гексафторсиликат калия, гексафторсиликат цезия или их смеси.6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что фторсиликат щелочного металла наносят с удельным расходом в пересчете на единицу площади в пределах от 30 до 60 г/м³.7. Способ по п.4, отличающийся тем, что для образования сплава алюминия с кремнием алюминий или алюминиевый сплав нагревают до температуры в пределах от 540 до 610°С.8. Детали из алюминия или алюминиевого сплава с покрытием, изготовленные способом по любому из пп.1-7.9. Способ соединения деталей из алюминия или алюминиевых сплавов, заключающийся в том, что детали, изготовленные способом по любому из пп.1-7, соединяют пайкой, необязательно с применением флюса.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что пайку проводят без применения флюса, прежде всего без применения фторида алюминия или фторалюминатов щелочных металлов.11. Смесь для использования в способе по любому из пп.1-7, содержащая фторсиликат щелочного металла и фторалюминат щелочного металла в количестве максимально 5 мас.% в пересчете на указанный фторсиликат щелочного металла.12. Смесь по п.11, отличающаяся тем, что в качестве щелочного металла использован калий (К) или цезий (Cs).