СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ Российский патент 2010 года по МПК B23K20/16 

Изобретение относится к способам диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или армко-железа и может быть использовано при изготовлении узлов электровакуумных приборов (ЭВП), например полюсных наконечников, используемых в этих приборах в качестве магнитопроводов, или замедляющих систем.

Задачей изобретения является создание технологичного и надежного способа диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или железа в среде водорода или в вакууме, позволяющего обеспечить высокую механическую прочность и вакуумную плотность сварного соединения, минимальную деформацию полученных в результате сварки узлов и возможность их дальнейшей механической обработки.

Известен способ диффузионной сварки деталей из меди МБ и низкоуглеродистой стали (или армко-железа) в вакууме при температуре Т=900°С и удельном давлении Р=1 кг/мм² в течение времени t=20 мин [1]. Недостатком этого способа является значительная деформация поверхностей сварного узла, обусловленная высокой температурой, большим давлением и значительным временем выдержки в процессе диффузионной сварки, что ограничивает возможности применения этого способа для изготовления вакуумноплотных узлов ЭВП, в частности полюсных наконечников или замедляющих систем. Кроме того, наличие значительной деформации сварных узлов требует их дополнительной механической обработки.

Аналогичные результаты имеют место в известном способе диффузионной сварки меди МБ и стали Э (или армко-железа) в вакууме 10^-4 мм рт.ст. при температуре Т=900°С и удельном давлении Р=0,5 кг/мм² в течение времени t=20 мин [2]. Недостатком этого способа, как и предыдущего способа, является высокая степень деформации сварного узла (до 10-15%).

Известен способ низкотемпературной диффузионной сварки разнородных магнитных материалов (например, армко-железа и никеля НП2) через промежуточную прослойку в виде ленты толщиной 50 мкм, прокатанной из нанопорошков никеля [3]. Диффузионная сварка проводилась в вакууме 10^-4 мм рт.ст. при температуре Т=550°С и удельном давлении Р=1 кг/мм². Полученные этим способом сварные узлы имеют высокие прочностные характеристики соединения. Способ применим для многих сочетаний материалов соединяемых деталей. Однако существенным недостатком этого способа диффузионной сварки является отсутствие вакуумной плотности полученного в результате сварки соединения из-за большой пористости (до 50%) промежуточной прослойки (ленты), изготовленной из нанопорошков никеля, что препятствует применению этого способа диффузионной сварки при изготовлении вакуумноплотных узлов ЭВП.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом изобретения) является способ диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или армко-железа в среде водорода при температуре Т=950°С и удельном давлении Р до 1 кг/мм² в течение времени t=20 мин [4]. Выбор водорода в качестве среды при диффузионной сварке обусловлен требованиями повышения производительности технологического процесса, так как использование водорода в качестве среды при сварке позволяет сократить время охлаждения свариваемых узлов, по сравнению с вакуумной средой, в два раза. Однако, как показали эксперименты, при проведении в водороде диффузионной сварки меди непосредственно с армко-железом (или низкоуглеродистой сталью) сварное соединение получается недостаточно прочным. Снижение прочности диффузионного соединения обусловлено тем, что в процессе сварки среда водорода не обеспечивает полного восстановления окислов на поверхности соединяемых металлов, которые препятствуют развитию переходной зоны в соединении. Кроме того, железо и медь относятся к группе с незначительной взаимной растворимостью, что препятствует развитию в процессе диффузионной сварки объемного взаимодействия этих металлов. Эти факторы снижают прочность полученного диффузионного соединения. Поэтому в известном способе-прототипе диффузионную сварку железа и меди производят через промежуточный слой металла, способствующего образованию непрерывного ряда твердых растворов с обоими соединяемыми металлами (медью и железом). В качестве промежуточного слоя выбран слой никеля, химически нанесенного на один или оба соединяемых металла (в частности, никель наносился на железо). Никель обладает взаимной растворимостью с обоими соединяемыми металлами, что повышает механическую прочность сварного соединения железо-медь. Кроме того, при диффузионной сварке в среде водорода никель значительно более стоек к окислению, чем железо. Химическое никелирование проводят в смеси растворов гипофосфита натрия NaH₂PO₄·H₂O и сернокислого никеля NiSO₄·7H₂O, при этом никель выделяется на поверхности покрываемых деталей. В составе такого покрытия из химически нанесенного никеля всегда присутствует фосфор, процентное содержание которого достигает 8÷10%. Химическое никелирование позволило получить равномерный по толщине слой осажденного никеля с ровной поверхностью, при этом слой имеет малую толщину (порядка 3 мкм) и низкую пористость, что также повышает механическую прочность и вакуумную плотность сварного соединения.

Однако такой способ диффузионной сварки имеет существенные недостатки. При осуществлении диффузионной сварки при указанных выше режимах одновременно происходит плавление слоя никеля, так как никель с присадкой фосфора оплавляется при температуре Т=910÷925°С (в зависимости от содержания фосфора). При плавлении никель соединяется с фосфором и в области соединения свариваемых металлов образуется интерметаллид Ni-Р, который обладает высокой твердостью и его очень трудно обработать известными механическими способами. Кроме того, используемые в способе-прототипе жесткие режимы диффузионной сварки (высокая температура, значительное удельное давление и продолжительное время выдержки) приводят к существенной деформации (до 10-15%) сварного узла. Перечисленные недостатки ограничивают возможность применения этого способа диффузионной сварки при изготовления узлов ЭВП (в частности, полюсных наконечников, замедляющих систем).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение в результате диффузионной сварки механически прочного и вакуумноплотного сварного узла с меньшей деформацией и обеспечение возможности последующей механической обработки сварного узла известными механическими способами.

Предлагается способ диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или армко-железа, при котором сварку соединяемых материалов осуществляют через промежуточные слои никеля, предварительно нанесенного методом химического никелирования на поверхности соединяемых материалов, при этом поверхности соединяемых материалов после никелирования покрывают слоем гальванической меди и проводят диффузионную сварку соединяемых материалов при температуре 700-800°С и удельном давлении 0,2-0,5 кг/мм² в течение 5-10 мин. При этом сварку соединяемых материалов осуществляют в среде водорода или в вакууме.

Предлагаемый способ, как и способ-прототип, предусматривает покрытие поверхностей свариваемых материалов методом химического никелирования, при этом химическое никелирование также проводят в смеси растворов гипофосфита натрия NaH₂PO₄·H₂O и сернокислого никеля NiSO₄·7H₂O. Никель обладает взаимной растворимостью с обоими соединяемыми материалами и обеспечивает повышенную механическую прочность их соединения, полученного в результате диффузионной сварки.

В отличие от способа-прототипа в предлагаемом способе после никелирования соединяемые материалы покрывают слоем гальванической меди толщиной порядка 3-8 мкм. Толщина покрытия определяется необходимостью получения сплошного и равномерного покрытия поверхностей деталей различных размеров (чем больше размеры деталей, тем больше их неплоскостность и больше микронеровностей на их поверхности). Гальваническое покрытие медью имеет предпочтение перед другими способами нанесения меди, например перед способом вакуумного напыления меди, из-за более высокой скорости технологического процесса, и следовательно, его меньшей длительности при нанесении покрытия заданной толщины. Покрытие соединяемых материалов после их никелирования слоем гальванической меди приводит к следующим результатам. При нагревании приведенных в контакт соединяемых деталей при температуре порядка 700°С в области соприкосновения химически нанесенного слоя никеля и слоя гальванической меди начинается процесс образования легкоплавких соединений фосфора (присутствующего в слое никеля в виде присадки) с медью (из слоя гальванической меди) в виде низкотемпературных эвтектик [5], которые в результате выдержки при температуре, равной или превышающей 700°С, и приложенном удельном давлении, равном или превышающем 0,2 кг/мм², заполняют объем между соединяемыми деталями из меди и низкоуглеродистой стали (или армко-железа). При этих условиях происходит объемное взаимодействие системы медь-фосфор, то есть образовавшиеся низкотемпературные эвтектики смачивают поверхности соединяемых деталей, при этом происходит взаимодействие эвтектик с соединяемыми деталями, а также с никелем (из химически нанесенного слоя никеля), то есть начинается процесс диффузионной сварки. Для повышения интенсивности процесса диффузионной сварки ее можно проводить и при более высоких температурах и давлениях, но повышать температуру более 800°С и удельное давление выше 0,5 кг/мм² не желательно, так при этом начинается значительная пластическая деформация соединяемых деталей (особенно это касается детали из меди). Экспериментально установлено, что минимальное время выдержки при выбранных режимах диффузионной сварки, необходимое для полного смачивания поверхностей соединяемых деталей образовавшимися низкотемпературными эвтектиками и объемного взаимодействия системы медь-фосфор, должно быть не менее 5 мин. Однако увеличение времени выдержки более 10 мин не желательно, так как при этом также повышается пластическая деформация соединяемых деталей (особенно из меди). Таким образом, покрытие поверхности соединяемых материалов (после их никелирования) слоем гальванической меди позволяет проводить диффузионную сварку при менее жестких режимах (при пониженной температуре и более низких удельном давлении и времени выдержки), что приводит к существенному уменьшению деформации (до 1-2%) сварного узла. Например, при диффузионной сварке предлагаемым способом заготовок полюсных наконечников ЭВП (в виде дисков из меди и из низкоуглеродистой стали) практически отсутствует искажение линии соединения медного и стального дисков, то есть не происходит искажение формы магнитных силовых линий магнитопровода ЭВП.

В предлагаемом способе температура 700-800°С, при которой проводится диффузионная сварка, является недостаточной для плавления химически нанесенного на соединяемые материалы никеля и для его последующего соединения с фосфором, в результате чего в области соединения свариваемых материалов высокотвердый интерметаллид Ni-Р не образуется и сварные узлы легко обрабатываются известными механическими способами.

Пример 1.

Проводили диффузионную сварку дисков из низкоуглеродистой стали и меди МОб (для полюсных наконечников), предварительно покрытых слоем никеля толщиной 8 мкм методом химического никелирования в растворе, аналогичном раствору, использованному в прототипе, а затем слоем гальванической меди толщиной 5 мкм. Гальваническое покрытие медью производилось в гальванической ванне с цианистым электролитом. Сварка проводилась в среде водорода на установке диффузионной сварки при температуре 800°С, удельном давлении 0,5 кг/мм² в течение 10 мин. В результате сварки получено вакуумноплотное соединение меди со сталью, деформация которого составила менее 2%. Сварные узлы прошли токарную и фрезерную обработку, в результате чего изготовлены полюсные наконечники для СВЧ-прибора. Полученные узлы прошли испытания в условиях, соответствующих технологии изготовления СВЧ-прибора, то есть были нагреты в водородной печи до температуры Т=950°С, а затем после охлаждения - до температуры Т=800°С, после чего узлы прошли длительную откачку при температуре Т=550°С в течение 20 часов. Измерения показали, что после всех испытаний узлы остались вакуумноплотными без деформаций и разрушений.

Пример 2.

Производили диффузионную сварку дисков из армко-железа и меди МОб, предварительно покрытых слоем никеля толщиной 8 мкм и слоем гальванической меди толщиной 5 мкм. Сварка производилась в вакууме при указанных в Примере 1 режимах, после чего сварные узлы прошли аналогичную механическую обработку и были подвергнуты аналогичным температурным испытаниям в среде водорода, а затем на откачном посту. Измерения, проведенные после диффузионной сварки и после испытаний, показали, что узлы не претерпели разрушений, значительных деформаций и остались вакуумноплотными.

Аналогичные испытания прошли сварные узлы, полученные при других режимах диффузионной сварки, а именно: Т=700°С, Р=0,2-0,3 кг/мм², t=5 мин; Т=700°С, Р=0,2-0,3 кг/мм², t=10 мин; Т=700°С, Р=0,5 кг/мм², t=5 мин; Т=700°С, Р=0,5 кг/мм², t=10 мин; Т=750°С, Р=0,2-0,3 кг/мм², t=5 мин; Т=750°С, Р=0,2-0,3 кг/мм², t=10 мин; Т=750°С, Р=0,5 кг/мм², t=5 мин; Т=750°С, Р=0,5 кг/мм², t=10 мин; Т=800°С, Р=0,2-0,3 кг/мм², t=5 мин. После испытаний все образцы сварных узлов остались вакуумноплотными с минимальной величиной деформации (в пределах 1-2%).

Предлагаемый способ диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или железа позволяет при сохранении высокой вакуумной плотности и высокой прочности сварного соединения обеспечить низкую величину деформации (порядка 1-2%) и возможность дальнейшей механической обработки полученного сварного узла известными механическими способами, что позволяет широко применять заявленный способ диффузионной сварки при изготовлении узлов ЭВП, в частности полюсных наконечников, используемых в этих приборах в качестве магнитопроводов, или замедляющих систем.

Предлагаемый способ диффузионной сварки достаточно прост в осуществлении, не требует использования трудоемких технологических процессов и сложного оборудования, проводится при относительно легких энергосберегающих режимах и не требует использования прокладок из драгметаллов, что в комплексе обеспечивает его высокую технологичность.

Источники информации

1. Н.Ф.Казаков. Диффузионная сварка материалов. М.: «Машиностроение», 1976, с. 171.

2. Г.В.Конюшков, Ю.Н.Копылов. Диффузионная сварка в электронике. М., «Энергия», 1974, с. 71.

3. Патент РФ №2184019, МПК: B23K 20/16, опубл.27.06.2002, Люшинский А.В., Джанджгава Г.И., Ефанов А.А. Способ диффузионной сварки.

4. Е.А.Котюргин, П.И.Ястребков, Б.В.Маркин. Диффузионная сварка медно-железных диафрагм в водороде. «Электроника СВЧ», Сер.1, 1980, №10, с.44-45.

5. Диаграммы состояния двойных металлических систем, т.2, под ред. Лякишева Н.П., М., «Машиностроение», 1997.

Изобретение может быть использовано при изготовлении узлов электровакуумных приборов, например полюсных наконечников или замедляющих систем. На поверхности соединяемых материалов предварительно наносят слой никеля методом химического никелирования и покрывают слоем гальванической меди. Диффузионную сварку проводят в среде водорода или в вакууме при температуре 700-800°С и удельном давлении 0,2-0,5 кг/мм² в течение 5-10 мин. Изобретение позволяет получить механически прочный и вакуумноплотный сварной узел с меньшей деформацией и обеспечить возможность последующей механической обработки сварного узла известными механическими способами. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ диффузионной сварки меди и низкоуглеродистой стали или армко-железа, при котором сварку соединяемых материалов осуществляют через промежуточные слои никеля, предварительно нанесенного методом химического никелирования на поверхности соединяемых материалов, отличающийся тем, что поверхности соединяемых материалов после никелирования покрывают слоем гальванической меди и проводят диффузионную сварку соединяемых материалов при температуре 700-800°С и удельном давлении 0,2-0,5 кг/мм² в течение 5-10 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сварку соединяемых материалов осуществляют в среде водорода или в вакууме.