Наполнитель для некапиллярных паяльных зазоров при автовакуумной пайке стали Советский патент 1990 года по МПК B23K35/24 

Изобретение относится к пайке, в частности к составу наполнителя, используемого для заполнения некапиллярных паяльных зазоров при автовакуум- - ной пайке стали.

Цель изобретения - получение равнопрочного паяного соединения при пайке среднеуглеродистых сталей и повышение стабильности распределения наполнителя по всему сечению шва.

Наполнитель имеет следующий состав, мас.%:

Никель 21-25

Углерод 0,02-0,15

Кислород 0,01-0,06

Кремний 0,02-0,5

Марганец 0,1-0,5

Железо Остальное

Никель, находящийся в сплаве на основе железа, растворяется в припое менее активно. Поэтому на стадии заполнения зазора с наполнителем припой несущественно изменяет свой состав. При изотермической выдержке ч наполнителя в расплаве припоя на медной основе медь из расплава диффундирует в частицу наполнителя. Размер атома меди имеет значительно больше размеров атомов железа, никеля, поэтому в частицах наполнителя образуется поверхностный слой со значительно искаженной решеткой. Кроме того, диффузия меди повышает скорость диффузии вакансий. Поверхность частицы яв-, ляется безграничным источником .вакансий. Вакансия в решетке сплава создаЭ

ет искажение с увеличением размера ее параметров. В результате в поверхностном слое создается напряженное состояние вследствие увеличения его объе- ма. Медь активно диффундирует и по границам зерен. В сферической частице на границе зерен возникают растяги вгющие напряжения, что в свою очередь способствует вследствие эффекта Ребиндера проникновению меди в глубь частицы. Частицы диспергируются на отдельные зерна и блоки, Образовавшиеся мелкодисперсные частицы насыщаются элементами расплава и достигают равновесного состава. Диффузионные процессы и массоперенос в жидкой фазе приводят к сфероидизации мелкодисперсных частиц. Таким образом, частицы наполнителя с размером 0,2-0,5 мм преобразуются в частицы размером 5-20 мкм. В результате формируется металл шва, состоящий из легированной железом и никелем матрицы, армированной мелкодисперсными сфероидами наполнителя. Такая структура обеспечивает высокую прочность и пластичность металла шва по всему сечению.

Содержание компонентов наполнителя обусловлено следующим.

Для вакуумной пайки стали применяются припой системы медь-цинк и медь-марганец, температура пайки выбирается в пределах 960-1000°С. При пайке в матрице припоя растворяется 9-11% никеля. Для этого в наполните- ле его содержание должно быть 21-25% Увеличение его содержания не изменяет механических свойств соединения и экономически нецелесообразно, сниже- ние приводит к уменьшению прочности матрицы шва.

Содержание углерода оказывает значительное влияние на процесс диспер- гации наполнителя. Скорость диффузии меди, определяющей диспергацию, максимальна в безуглеродистом железони- келевом сплаве. С повышением содержания углерода скорость диффузии меди уменьшается, а следовательно, уменьшается и скорость диспергации. При содержании углерода 0,15-0,2% скорость диспергации наполнителя уменьшается почти вдвое по сравнению с наполнителем, содержащим 0,02- 0,05% углерода. Это требует двукрат- ного увеличения времени пайки. Однако вывести углерод из состава наполнителя нельзя(так как углерод являет

, щ 15 0 5

5

0

0

5

0

ся активным раскислителем на стадии узготовления наполнителя с применением распыления расплава азотом, а также восстановителем окисной пленки на поверхности частиц на стадии нагрева в паяльном зазоре до температуры пайки. Окисная пленка образуется на частицах при хранении наполнителя в атмосферных условиях и при взаимодействии с адсорбированными газами в паяльном зазоре при нагреве. Толщина окисной пленки на железсникелевом сплаве может достигать 100-200 А . Для ее восстановления достаточно содержания углерода в наполнителе 0,02%. Повышение содержания углерода более 0,15% недопустимо ввиду снижения скорости диспергации. Содержание углерода в пределах 0,02-0,15% стабильно обеспечивается при изготовлении порошка распылением в промышленных условиях.

Определяющим качество паяного соединения является содержание кислорода в составе наполнителя. В порошке из железоникелевого сплава кислород находится в основном в окисной пленке на поверхности частиц. При наличии углерода в составе сплава происходит восстановление окислов с образованием газообразных СО и COj., которые непре-1 рывно отводятся при автовакуумной пайке из зоны реакции за счет их поглощения сорбентом. При значительном содержании кислорода, т.е. при значительной окисленности порошка, весь углерод может быть реализован раньше завершения реакции восстановления. Для ее завершения необходимо соблюдение соотношения реагентов С/О 0,75. Однако восстановление в зазоре не- эффективно, так как газы СО и С0г из лабиринтов, образованных частицами порошка, откачиваются медленно. Это обусловливает неполное восстановление . окислов и пористость металла шва. Поэтому содержание кислорода в порошке необходимо ограничивать на стадии его изготовления. Верхний предел содержания кислорода составляет 0,06%; при его увеличении снижаются механические свойства соединения. Снижение содержания кислорода 10,01% целесообразно, однако технологически трудно выполнимо.

Кремний в наполнителе имеет противоречивое влияние на свойства соединения. С одной стор ой, располагаясь

51

преимущественно на границах зерен частиц наполнителя, он увеличивает их неоднородность и способствует ускорению диспергации. С другой стороны, располагаясь на границах зерен кристаллизующейся матрицы шва, он снижает ее прочность. Содержание кремния в пределах 0,02-0,5% обусловливается как механическими свойствами металла шва, так и технологическими требованиями при изготовлении порошка. В пределах до 0,5% он выполняет роль активного раскислителя расплава перед его распылением. Снижение кремния ,02% уменьшает скорость диспергации.

Введение марганца в наполнитель обусловлено двумя обстоятельствами.Основным для автовакуумной пайки стали является припой системы медь-марганец. Введение марганца в наполнитель уменьшает скорость растворения его частиц на стадии заполнения зазора ,припоем, что способствует формированию швов больших размеров. Кроме тог марганец является необходимым элементом - раскислителем на стадии выплавки сплава. Верхний предел содержания марганца определяется его влиянием н скорость диспергации частиц наполнителя (марганец снижает ее), поэтому установлен равным 0,5%. При содержании 0,1% марганец не снижает ско- .рость растворения наполнителя.

Наполнитель изготавливается распылением расплава чистым азотом. Частицы имеют сферическую форму с блестящей металлической поверхностью,- Для автовакуумной пайки стали применяетс порошок грануляции 0,16-0,4 мм.

Испытание наполнителя в лабораторных условиях при пайке стали Д5 припоем медь-марганец: зазор размером 2 мм заполняют наполнителем, к зазор присоединяют питатель с припоем и сорбционный насос с металлическим ге ером; после соответствующих технологических операций (проверка герметич -ности сварных швов, удаление из зазо

ра инертных газов, заполнение полости питателя газов и др.) технологичес- кие отверстия герметизируют и образцы нагревают в печи до 1000 С, выдерживают 60 мин; после пайки образцы термообрабатывают разрезают и подвергают испытаниям на растяжение и ударную вязкость.

В таблице даны примеры выполнения наполнителя и результаты испытаний паяных соединений.

Как видно из данных таблицы, оптимальным является наполнитель, содер- 5 жащий, мас.%: никель 22; углерод 0,03; tкислород 0,02; кремний 0,04; марганец 0,03; железо - остальное (вредные примеси - не более 0,03 каждой). ,

Газовыделение такого наполнителя при нагреве до 1000°С в вакууме 0,007 см/г.

Таким образом, применение наполнителя, изготавливаемого методом распыления расплава азотом, позволяет получать ст.абильные высокие механические свойства паяных соединений конструкционных сталей.

Формула изобретения

Наполнитель для некапиллярных паяльных зазоров при автовакуумной пай- ке стали, состоящий из гранул никеля, высокоуглеродистой и низкоуглеродистой стали, содержащей углерод, кремний, Марганец, кислород, железо, отличающийся тем, что, с целью получения равнопрочного паяного соединения при пайке среднеуглеродис- тых сталей и повышения стабильности распределения наполнителя по всему сечению шва, он содержит компоненты в виде.сплава в следующем соотношении, мас.%:

Никель 21-25

Углерод 0,02-0,15

Кремний 0,02-0,5

Марганец 0,1-0,5

Кислород 0,01-0,06

Железо Остальное

Заказ 2926

Тираж 645

Подписное

Изобретение относится к пайке, в частности к составу наполнителя, заполняющего некапиллярный зазор при автовакуумной пайке стали. Цель изобретения - получение равнопрочного паяного соединения при пайке среднеуглеродистых сталей и повышение стабильности распределения наполнителя по всему сечению шва. Наполнитель имеет следующий состав, мас.%: никель 21...25

углерод 0,02...0,15

кислород 0,01...0,06

кремний 0,02...0,5

марганец 0,1...0,5

железо - остальное. Наполнитель изготавляется распылением расплава чистым азотом с размером частиц 0,16-0,4 мм, он используется при пайке стали 45 с зазором под пайку 2 мм с припоем системы медь- марганец при температуре 1000°С и выдержке 60 мин. После пайки образцы термообрабатываются. Прочность паяного соединения составляет 570 МПа, а ударная вязкость 55 Дж/см 2. 1 табл.

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.Ужгород, ул. Гагарина,101