СПОСОБ ПАЙКИ АЛЮМИНИЯ, ПЛАКИРОВАННОГО СИЛУМИНОМ, И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПЛАКИРОВАННЫХ СИЛУМИНОМ Российский патент 2009 года по МПК B23K1/20 B23K103/10 C23C22/34 

Изобретение относится к области пайки алюминия, плакированного силумином. Пайка обеспечивается равномерным и тонким слоем фторалюминатов щелочных металлов близкого к эвтектическому состава, который образуются на поверхности паяемых деталей из алюминиевых сплавов в результате химической реакции между поверхностью паяемого алюминиевого сплава и водным раствором фтористоводородной кислоты и фторида щелочного металла.

Известен способ химической обработки поверхности детали из алюминия и сплавов на его основе (RU 2207401 С1, С23С 22/67, С23С 22/78, 2003.06.27), включающий подготовку поверхности детали путем обезжиривания, травления в кислом растворе, оксидирования в водном растворе, содержащем хромовый ангидрид и натрий кремнефтористый, с дополнительным введением в него фосфата хрома и фосфата бария.

Известный способ обработки позволяет получить покрытия на поверхности алюминиевых деталей с повышенными защитными свойствами, обеспечивающими долговечность этих деталей, но не предполагает дальнейшую пайку этих деталей при температуре 600°С.

Известен состав для удаления продуктов коррозии на деталях из алюминиевых сплавов (RU 2157425 С1, C12G 1/12, С23С 22/24, 2000.10.10), содержащий фосфорную кислоту, окись хрома, воду, окись кремния, азотнокислый цинк и тринатрийфосфат.

Данный состав позволяет обеспечить хорошее удаление продуктов коррозии с деталей алюминиевых сплавов, но образование на поверхности деталей тонкой химически пассивной пленки оксидов и фосфатов алюминия препятствует пайке.

Известен также способ пайки деталей из алюминия и его сплавов (RU 2116173 С1, В23К 1/08, В23К 103:10, 1998.07.27), включающий погружение и выдержку деталей из алюминия или его сплавов в припой с температурой плавления 50-100°С, находящийся под слоем щелочи, что дает возможность за короткий промежуток времени удалить с поверхности детали жировую и окисную пленки, с последующей пайкой.

Данный способ не применим для тонкостенных изделий и изделий, имеющих сложную форму, вследствие разъедания поверхности алюминия щелочью.

Известны также способы пайки с подготовкой поверхности алюминия и алюминиевых сплавов перед пайкой, описанные в литературе (Лашко Н.Ф. и др. Пайка металлов. - М.: Машиностроение, 1977, с.246), заключающиеся в очистке поверхности от слоя окиси алюминия путем травления в растворах едкого натра и растворах азотной кислоты, либо азотной и плавиковой кислот.

Недостатком данных способов пайки, включающим подготовку поверхности алюминия и алюминиевых сплавов к пайке, является то, что после травления поверхность алюминия остается покрытой окисью алюминия, хотя и меньшей толщины, поэтому пайку с применением флюсов необходимо проводить практически сразу после травления, во избежание увеличения толщины слоя окиси алюминия. При использовании в процессе обработки поверхности плавиковой кислоты, на поверхности алюминия наряду с окислами алюминия образуется гидратированный фторид алюминия, который в процессе пайки при 600°С, подвергается гидролизу и теряет фтор, а оставшаяся на поверхности алюминия окись препятствует пайке. Кроме того, при травлении кислотами алюминий и его сплавы постепенно растворяются.

Задачей настоящего изобретения является создание способа пайки алюминия, плакированного силумином и алюминиевых сплавов, плакированных силумином, обеспечивающего пайку в среде инертных газов без дополнительного применения флюсов, независимо от времени выдержки после обработки поверхности.

Технический результат достигается за счет формирования на поверхности алюминия, плакированного силумином, и алюминиевых сплавов, плакированных силумином, слоя фторалюминатов щелочных металлов, состава близкого к эвтектическому, либо состава, содержащего некоторый избыток фтористого алюминия, который подвержен сублимации при температуре пайки, в результате чего состав фторалюминатного слоя становится близким к эвтектическому и после плавления хорошо растворяет окись алюминия при пайке.

Задача решается тем, что в способе пайки алюминия, плакированного силумином, или алюминиевых сплавов, плакированных силумином, включающем очистку паяемой поверхности путем обезжиривания или обезжиривания и травления, ее сушку и последующую пайку, после очистки поверхность алюминия и алюминиевых сплавов обрабатывают в водном растворе фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла со следующей концентрацией компонентов в растворе, вес.%:

Фтористоводородная кислота 1-35,0 Фторид щелочного металла 0,2-22,0 Вода остальное

Способ может быть осуществлен с использованием водного раствора фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла, имеющего состав: MeF·1HF, и/или MeF·2HF, и/или MeF·3HF.

Способ может быть осуществлен с использованием смеси, содержащей в качестве фторида щелочного металла фтористый калий, и/или фтористый рубидий, и/или фтористый цезий.

Способ может быть осуществлен с использованием смеси, дополнительно содержащей фторид натрия и/или фторид лития в количестве не более 3 вес.% от содержания фторида щелочного металла.

Возможность использования фтористого калия, и/или фтористого рубидия, и/или фтористого цезия в качестве фторида щелочного металла обусловлена тем, что каждая из солей в смеси с фторидом алюминия, который образуется в результате реакции между фтористоводородной кислотой и поверхностью паяемого алюминия или его сплава, образуют эвтектики с температурой плавления порядка 560°С, при этом ликвидусы для систем, состоящих из фторидов всех щелочных металлов и фторида алюминия имеют аналогичный характер (Справочник по плавкости солевых систем. Том 1. - М.: Издательство АН СССР, 1961, с.92, 100). Применение фторида рубидия и цезия для пайки может ограничиваться только высокой стоимостью солей рубидия и цезия. Комбинированное использование фторидов щелочных металлов, а также смеси, содержащей фторид натрия и/или фторид лития, в заявляемых количественных соотношениях, не ухудшает качество пайки, и позволяет создать большое количество вариантов фторалюминатных флюсов, пригодных для пайки алюминия или его сплавов.

Способ пайки алюминия, плакированного силумином, и алюминиевых сплавов, плакированных силумином, осуществляют следующим образом. Поверхность алюминия или его сплавов подвергают обезжириванию органическим растворителем или обезжириванию и травлению, путем обработки их в растворах любой из сильных кислот (азотной, серной, фосфорной и пр.), либо в смеси растворов сильных кислот, либо последовательной обработки в растворах щелочи и сильной кислоты. Затем поверхность алюминия или его сплавов промывают в воде и далее помещают в водный раствор фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла со следующим содержанием компонентов: фтористоводородная кислота 1-35,0; фторид щелочного металла 0,2-22,0; вода - остальное. После выдерживания в растворе поверхность алюминия или его сплавов вновь промывают. Обработанную таким образом поверхность алюминия просушивают. В результате химической реакции между алюминием, смесью фтористоводородной кислоты, фторидом щелочного металла и последующей сушки на поверхности алюминия образуется слой различных по составу фторалюминатов щелочного металла, которые слаборастворимы в воде. Слой фторалюминитов защищает поверхность алюминия и алюминиевого сплава от дальнейшего растворения в кислоте. После обработки детали из алюминия или его сплавов, поверхность которых покрыта слоем фторалюминатов щелочных металлов, можно хранить несколько дней, это не отражается на качестве пайки. При нагреве до температуры пайки в среде инертного газа слой фторалюминатов на поверхности паяемого алюминиевого сплава плавится и растворяет окись алюминия, покрывающую алюминиевый сплав, что обеспечивает качественную пайку.

Способ пайки иллюстрируется конкретными примерами выполнения, в которых пайку осуществляли с предварительной обработкой перед пайкой поверхности алюминия, плакированного силумином и сплавов алюминия, плакированного силумином, в водной смеси раствора фтористоводородной кислоты и фторида щелочного металла (фторида калия) с варьированием компонентного состава в рамках заявляемых интервалов. Результаты пайки при различных условиях выполнения способа приведены в таблице.

Примеры 1-8.

Между двумя плоскими пластинами из алюминия, плакированного силумином, размером 30×85×0.5 мм, предварительно обезжиренного органическим растворителем (ацетоном), размещают гофрированную пластинку из сплава АМЦ толщиной 0.15 мм и размером 30×55 мм. Полученную конструкцию временно фиксируют и помещают в раствор, соответствующий примерам 1-8, и выдерживают до тех пор, пока поверхность не покроется слоем фторалюминатов, что определяется в конкретных примерах визуально, по уменьшению выделения водорода с поверхности металла. Затем конструкцию промывают в воде, сушат при 110-120°С и помещают в печь для пайки в среде инертного газа. Обработку поверхности деталей, входящих в конструкцию, в заявляемом растворе, можно осуществить до сборки, и после промывки и сушки собрать в конструкцию из двух плоских и одной гофрированной пластины. После прогрева конструкции до 600-620°С ее выдерживают при этой температуре несколько минут и охлаждают в токе инертного газа. Конструкция полностью спаивается.

Все приведенные в таблице составы растворов являются оптимальными для обработки поверхности алюминия, плакированного силумином, и алюминиевых сплавов, плакированных силумином, и обеспечивают образование на поверхности паяемого алюминия слоя фторалюминатов, эвтектического по составу, т.е. с содержанием KF - 46%, AlF₃ - 54%.

Количество фтористоводородной кислоты в растворе должно быть достаточным для образования слоя фторалюминатов, имеющего эвтектический состав, либо состав, содержащий избыточное в сравнении с эвтектическим количество фтористого алюминия. Чрезмерное количество фтористоводородной кислоты приводит к травлению поверхности алюминиевого сплава. Минимально необходимые концентрации фтористоводородной кислоты, приведенные в таблице 1, определяются исходя из условия получения качественной пайки. При увеличении концентрации фторида калия выше заявляемого предела образуются высокоплавкие фторалюминаты, которые не являются флюсами.

Изобретение позволяет подготовить поверхность алюминия, плакированного силумином, и сплавов алюминия, плакированных силумином, к пайке в среде защитного газа без дополнительного применения флюсов, независимо от времени выдержки после обработки поверхности.

Слой фторалюминатов щелочных металлов, нанесенный предлагаемым способом, имеет практически одинаковую толщину, так как образуется в результате химической реакции между поверхностью алюминиевого сплава и водным раствором фтористоводородной кислоты и фторида щелочного металла, с прекращением реакции после образования плотного слоя малорастворимых фторалюминатов, вследствие диффузионных ограничений по поступлению реагентов к поверхности алюминия.

Состав смеси для обработки поверхности алюминия, плакированного силумином, или алюминиевых сплавов, плакированных силумином, обеспечивающий пайку. № примера HF (вес.%) KF (вес.%) Вода (вес.%) 1 35,0 22,0 33,0 2 30,0 20,6 49,4 3 23,7 10,8 63,5 4 20,0 6,9 73,1 5 19,7 7,8 72,5 6 14,1 3,9 89,5 7 4,9 1,0 94,1 8 1,0 0,2 98,5

Изобретение может быть использовано при высокотемпературной пайке алюминия и его сплавов, плакированных силумином. Производят очистку паяемой поверхности путем обезжиривания или обезжиривания и травления. Затем поверхность обрабатывают в водном растворе фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла со следующей концентрацией компонентов в растворе, вес.%: фтористоводородная кислота 1,0-35,0, фторид щелочного металла 0,2-22,0, вода - остальное. Проводят сушку поверхности и последующую пайку в среде инертных газов без дополнительного применения флюсов независимо от времени выдержки после обработки поверхности. Слой полученных на паяемой поверхности алюминатов имеет практически одинаковую толщину и обеспечивает высокое качество пайки. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ пайки алюминия, плакированного силумином, или алюминиевых сплавов, плакированных силумином, включающий очистку паяемой поверхности путем обезжиривания или обезжиривания и травления, ее сушку и последующую пайку, отличающийся тем, что после очистки поверхность обрабатывают в водном растворе фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла со следующей концентрацией компонентов в растворе, вес.%:
Фтористоводородная кислота 1-35,0 Фторид щелочного металла 0,2-22,0 Вода Остальное

2. Способ пайки по п.1, отличающийся тем, что используют водный раствор фтористоводородной кислоты в смеси с фторидом щелочного металла, имеющий состав: MeF·1HF и/или MeF·2HF, и/или MeF·3HF.

3. Способ пайки по п.1, отличающийся тем, что используют смесь, содержащую в качестве фторида щелочного металла фтористый калий и/или фтористый рубидий, и/или фтористый цезий.

4. Способ пайки по п.3, отличающийся тем, что используют смесь, дополнительно содержащую фторид натрия и/или фторид лития в количестве не более 3 вес.% от содержания фторида щелочного металла.