Способ пайки графита с алюминием Советский патент 1981 года по МПК B23K1/04 

(54) СПОСОБ ПАЙКИ ГРАФИТА С АЛЮМИНИЕМ

Изобретение относится к пайке, в частности к способам пайки графитовых деталей с алюминиевыми и может быть использовано для соединения гра фитовых анодов и катодов алюминиевых и магниевых электролизеров к токопод водящим алюминиевым шинам, а также в электрометаллургии, авиационной и электротехнической промышленности. Известен способ соединения графита с ёшюминием, осуществляемый при помощи эвтектических сплавов оловосвинец, висмут-свинец (55-44,5 вес.% и последующей пропитки углеродом или хлористым углеводородом, например гексахлорбензолом IlJ. Этому способу присущ недостаток, связанный с наличием в паяном шве легкоплавкой эвтектики. Температура распая паяного шва невелика составля ет 183и соответственно. Известен также способ соединения графита с гшюминием, включ ающий стадий обезжиривания и очистки соедини еьшх поверхностей ; покрытия соединя емых поверхностей слоем меди;покрытия слоем никеля толщиной 0,005 мм; флюсования; покрытия слоем олова;нагрева соединяемых деталей до температуры расплавления олова (288-370 С сдавливания соединяемых поверхностей с удельным давлением 55 кгс/см и охлаждения 2, Недостатками этого способа являются низкая температура распая (232°С) и низкая жаропрочность паяйого-шва. Цель изобретения - повьвиение температуры распая и жаропрочности паяного соединения графита с алюминием. Поставленная цель достигается тем, что между соединяемыми графитовой и алюминиевой-деталями располагают металлический пакет, состоящий из . последовательно расположенных от графита прослоек малоуглеродистой стали меди и алюминиевого эвтектического сплава с соотношением-толщины прослоек (i,5...2,5) i(4,5...5,5) :(0,5... 1,5). Соединяеьвле детали сдавливают и нагревают до 1150-1200 С со стороны графита и до 600-640 с со стороны алюминия. В качестве эвтектической прослойки могут быть применены сплавы алюминия с кремнием, никелем или кальцием. Применение трехслойного металлического пакета, состоящего из малоуглеродистой стали, меди и алюминиевого эвтектического сплава является необходимым, так как пакет в целом и каждая из этих прослоек играют положительную роль. Прослойка из малоугл родистой стали предназначена для сое динения графита с медью. Известно что углерод не растворяется ни в твердой, ни в расплавленной меди и не образует с ней соединений. Нали ие между графитом и медью стальной прокладки приводит при нагреве к контактному плавлению как со стороны графита, так и со стороны меди. Обра зующиеся прд плавлении расплавы смачивают контактируемые поверхности и при охлаждении способствуют формированию прочного соедине 1ия. Кроме того, термические коэффициенты линей ного расширения (т.к.л.р.)у образующихся в результате контактного плавления слоев и стальной прокладки,являются промежуточными между сильно различающимися в этом омошении т.к .л.р. графита (.град) и ме Т20-22-Ю 1/град) . Плавное изменение т.к.л.р. от графита к меди ослаб ляет термические напряжения, возникающие при нагреве и охлаждении спая Выбор прослойки из малоуглеродистой стали связан с тем,что в жидком состоянии медь плохо перемешивается с высокоуглеродистым расплавом железа. Медная прослойка является необходимым связующим элементом между сталью и алюминием. При отсутствии прослойки меди в контакте сталь-алюминий при нагреве образуется интерме таллид FeA-f. Это соединение кристаллизуется в виде хрупких пластинок и игл и из-за существенной разницы т. к.л.р. соединяелялх материалов в этой зоне часто образуются трещины. Наличие между стальной и алюминиевой поверхностями слоя меди препятствует образованию интерметаллидаFeA j, Образукндиеся в результате контактног плавления слои, и собственно слой меди, являются более пластичными и имеют т.к.л,р.промажуточные по величине между сталью (10-1210 1/град) и алюминием (24-26- 10 1/град) . Это также способствует снижению уровня остаточных напряжений в паяном соединении. Наличие прослойки эвтектическоалюминиевого сплава (А - Si , N, А - Са) уменьшает время контактного плавления, снижает эрози алюминиевой детали и способствует фо мированиго более пластичного шва. Кро ме того, эти сплавы имеют достаточно высокую температуру плавления и обеспечивают высокую жаропрочность паяного шва. Соотношение толщины прослоек, сое тавляющих металлический. naifeT должно быть равншл (1,5...2,5):(4,5... 5.5)j(0,5,,.1,5). При этом должно ввдерживаться определенное их расположение в зоне соединения-. При больших меньщих соотношениях толщин прослок распределение температурного поля ри электроконтактном нагреве таково, что в процессе пайки не обеспечиваются необходимые температуры в зоне соединения около графитовой и алюиниевой поверхностей. Процесс пайки проводят таким образом, чтобы плавление в контактах графит-малоуглеродистая сталь, малоуглеродистая сталь-медь, медь-алюминиевый эвтектический сплав, эвтектический сплав-алюминий происходит практически одновременно. Температура в контактах графитсталь должна быть равна 1150-1200 С, сталь-медь 1100-1150 0, медь-алюминиевый эвтектический сплав и алюминиевый эвтектический сплав-алюминий 550-640 С. При больших температурах имеет место расплавление алюминиевой детали, а при меньших не происходит контактно-реактивного плавления в стыках соединяемых материалов и образования прочного паяного соединения. Такое распределение температуры в зоне паяного соединения достигается регулированием мощности нагрева (плотности тока) и распределения теплового потока путем неодинакового охлаждения графитовой и алюминиевой деталей за счет их различной теплопроводности и различной подачи охлаждающей воды.в пуансонах установки, между которыми закрепляются соединяeNMe детали. Экспериментально установлено, что для того, чтобы происходило практически одно-временное плавление в вышеперечисленных контактах, плотность электрического тока должна быть равной 320-350 а/см , а скорость изменения температуры со стороны графита и алюминия - 270-290 град/с. Такое распределение теплового потока обеспечивает плавление в контактах уже через 5-10 с после включения электрического тока. Пример 1 . Между графитовым и алюминиевым образцами в форме цилиндров 9 10x35 мм располагают металлический пакет 0 10 мм, состоящий из прослойки Малоуглеродистой стали толщиной 0,, меди 1,5 мм и силумина (А - S -сплав) 0,3 мм. Собранные под пайку графито-алюминиевые образцы pasMetaiuoT между пуансонами пресса горячего прессования и нагревают током плотностью 350 а/см в течение 10 с. С помощью платино-платинорадиевой термопары измеряют температуру в зонах графита и гшюминия, : отстоящих от стыка на расстоянии 1мм. Температура в графите составляет 1150® С, а в алюкшнци - 600 С. Удельное усилие сдавливания детешей составляет 10 кгс/см , Пайка проводится на воэдухе, С помощью третьей термопары, расположенной; в зоне эвтектической прослойки алк1миниевого сплава измеряют температуру плавления наиболее легкоплавкой зоны соединения и считают ее температурой распая. Прочность паяных образцов составляет. 47.., 70 кгс/см при и 15... 30 кгс/см при , Температура распа.я образцов- 580 С. Аналогичные результаты получены |ПРИ использовании эвтектических сплавов А -NH At - Са. Таким образом, предлагаемый способ пайки позволяет получить паяный шов с температурой .распая не ниже , в то время как в известном с собе .температура распая шва составл ет 230°С. Предел прочности при паяных графито-алюминиевых соединений, полученных по предлагаемому сп собу, в 2-3 раза выше по сравнению соединениями, полученными известным способом. Паяные соединения, получе ные по предлагаемому способу, жаропрочны до , в то время как сое динения, сформированные с помощью гальванопокрытий меди к никеля и сп янные оловом жаропрочны только до и расплавляется при 230с. f Формула изобретения 1. Способ пайки графита с алюминием, включающий введение в паяе1« 1й зазор промежуточных прослоек, сдавливание соединяемых поверхностей н нагрев, отличающийся тем, что, с целью повышения температуры распая и жаропрочности паяного соединения, в качестве промежуточной прослойки берут металлический пакет, состоящий из последовательно расположенных от графита прослоек малоуглеродистой стали, меди и алюминиевого эвтектического сплава с соотношением толщин прослоек (1,5...2,5):(4,5... )(О,5...1,5), а нагрев производят до 1150...1200°С со стороны графита и до 600... со стороны алюминия. 2. Способ по п. 1, отличающ и и с я тем, что в качестве эвтектической алюминиевой прослойки применяют, эвтектические сплавы алюминия с кремнием, никелем или кальцием. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Франции № 1.391.580, кл. В 01 К, 30.04.64. 2.Патент. США 2.920.385, кл. 29-472.7, 08.02.56.