книги / Справочник по пайке
..pdfники для ядерной энергетики. При этом оребрение труб проволокой производится индукцион ной пайкой с использованием германиевых при поев ПЖГ-22 и ПГ-17Н. Пайку труб с трубны ми решетками производят в вакуумных печах.
ПАЙКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Титан по совокупности физико-механи ческих свойств является одним из важнейших современных конструкционных материалов. Он почти в 2 раза легче, чем углеродистые стали и многие цветные сплавы, его плот ность равна 4,5 г/см3 Титан - высокопрочный (ав = 300 600 МПа) и пластичный (5 = 25 50 %) металл; его коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред превосходит коррози онно-стойкие стали. Титан довольно широко распространен в природе; его в 10 раз больше, чем Мп, Сг, Си, Zn, V, Ni, Со, W и Nb вместе взятых. Эти и ряд других ценных свойств от крывают большие возможности для широкого применения титана в промышленности.
На поверхности титана всегда имеется альфированный слой, насыщенный атмосфер ными газами. Перед пайкой этот слой необхо димо удалить пескоструйной обработкой или
травлением в растворе |
следующего состава: |
|
20 |
30 мл H2N 0 3, 30 |
40 мл НС1 на литр |
воды. Время травления 5 |
10 мин при 20 °С. |
После такой обработки на поверхности титана все же остается тонкая оксидная пленка, пре пятствующая смачиванию его поверхности припоем. Поэтому иногда пытаются паять ти тан с применением специальных флюсов, по составу аналогичных флюсам для пайки алю миния. Но соединения титана, паянные с при менением таких флюсов, не отличаются высо ким качеством. Обычно пайку титана и его сплавов ведут в вакууме или аргоне, который тщательно очищен от примесей кислорода, азота и паров воды^ТЪлько в такой чистой ат мосфере или в вакууме оксидная и нитридная пленки на титане растворяются в металле при условии, что температура пайки выше 700 °C j Поэтому процесс пайки титана ведут обычно при температуре 800 900 °С, что способст вует быстрой очистке поверхности титана и хорошему смачиванию его припоями. Пайку титановых сплавов при более высоких темпе ратурах производят довольно редко (особенно печную), так как при его длительном нагреве при температурах выше 900 °С отмечаются склонность к росту зерна и некоторое сниже
ние пластических свойств. Поскольку предел прочности основного металла при этом прак тически не снижается, то в отдельных случаях соединение титановых сплавов пайкой произ водят даже при 1000 °С.
Водород, всегда находящийся в титане и снижающий его пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в вакууме 10"2 Па при тем пературе около 900 °С, поэтому пайка титана в вакууме предпочтительнее, чем пайка в ней тральной атмосфере.
При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои. Поэтому в качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое образует с титаном интерметаллиды, предположительно менее хрупкие, чем с другими металлами. Ино гда за основу припоев выбирают алюминий, который образует с титаном ограниченную область твердых растворов, что позволяет рас считывать на получение менее хрупких паяных соединений.
При пайке титана в вакууме чистым алю минием, из-за образования в шве интерметаллидных фаз, соединения имеют практически нулевую прочность. Толщина интерметаллидной прослойки уменьшается, если при пайке титана в качестве припоя применяется алюми ний, легированный Си, Fe, Ge, Mg, Mn, Ni, Sb, Ti, Zr и Si. Все названные добавки (по 1 % в отдельности) способствуют подавлению роста интерметаллидной прослойки. Наиболее эффек тивное торможение обеспечивает 0,8 % Si в А1.
При пайке в вакууме титана таким припо ем образуется интерметаллидный слой не большой толщины состава AI3Ti, но прочность соединений не превышает 80 МПа. При приме нении другого припоя на основе А1, содержа щего 4,8 % Si; 3,8 % Си; 0,2 % Fe и 0,2 % Ni, при пайке титана ВТ1 в вакуумной печи при температуре 670 ± 10 °С и выдержке 5 мин прочность соединений равна 140 МПа. Пайка ТВЧ в среде аргона при температуре 720± 10 °С трубопроводов из сплава ВТ1 припоем на ос нове алюминия, содержащего: 0,3 % Fe; 0,35 % Si и 0,05 % Си, дает возможность получить
герметичные соединения |
с прочностью тср = |
|
= 110 |
130 МПа. |
|
|
Титановые сплавы |
можно паять чистым |
серебром и припоями систем Ag-Cu (ПСр72) и Ag-Cu-Mn (ПСр37,5), которые позволяют по лучить при пайке в вакуумных печах при
Т = 850 1000 °С высокопрочные паяные соединения. Например, при пайке титана ВТ1 чистым серебром в атмосфере аргона предел прочности на срез паяных соединений равен 180 200 МПа, а при пайке серебром, легиро ванным марганцем (10 15 %), достигает 280 МПа. При этом соединения, паянные чис тым серебром, неустойчивы против коррозии и в течение года (в городской атмосфере) сни жают свою прочность на 25 30 %.
Для пайки в вакууме титановых сплавов применяют также серебряные припои, состав которых определяется треугольником тройной системы Ag-Cu-Al с точками координат (в %): Ag91-Cu2-A17; Ag54-Cu2-A144; Ag54-Cu39-A17. С целью повышения механических свойств соединений за счет подавления роста интерметаллидных фаз в паяных швах трехкомпонент ные припои легируют Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Au и Zn в количестве, не превышающем 7 % от массы припоя. В результате прочность а в соединений титана, паянных этими припоя ми, возрастает от 150 180 МПа до 200 270 МПа и зависит от состава припоя, темпера туры пайки и величины сборочного зазора. Прочность а в соединений титанового сплава Ti-6A1-4V, паянного в вакуумной печи при разрежении 5 • 10"3 Па при температуре 630 °С и выдержке 15 мин припоем, содержащим (в %): 65Ag-30Al-5Cu, равна 210 МПа, если величина сборочного зазора не превышает 0,05 мм. При пайке этого же сплава в вакууме при темпера туре 770 °С припоем, содержащим (в %): 49,5Ag-20Cu-20Zn-3Ni-5In-2,5Li, прочность со единений достигает 245 МПа, а при пайке в вакууме при температуре 930 °С и зазоре 0,05 мм припоем на основе серебра, содержащим (в %): 95,5Ag-4Al-0,5Mn, прочность ов возрастает до 270 МПа.
Применение припоев на основе серебра с различными легирующими компонентами по
зволяет при пайке с зазорами 0,02 |
0,05 мм |
уменьшить отрицательное влияние |
хрупких |
интерметаллидных прослоек и обеспечить вы сокую ударную вязкость паяных соединений, однако получаемая прочность соединений в 3 - 4 раза меньше прочности основного ме талла в отожженном состоянии, а сами припои дефицитны и дороги.
Еще более высокие значения предела прочности паяных соединений можно полу чить при высокотемпературной пайке титана припоями на основе никеля или меди (ов = 300 МПа), а также припоями на основе титана. Припои системы Ti-Zr-Cu-Ni хрупкие и не поддаются прокатке традиционными мето дами. Такие припои применялись в виде по рошков или стружки. К настоящему времени из слитков сплавов системы Ti-Zr-Cu-Ni может быть получена лента толщиной 200 мкм быст рой кристаллизацией из расплава струи при поя, выливаемой на вращающийся охлаждае мый валок. Процесс получения ленты осущест вляется в инертной среде. Имеются разработки по изготовлению аморфных припоев в виде лент толщиной от 20 мкм из сплавов той же системы. Известно также применение в качест ве припоя титана, плакированного с двух сто рон медью.
Применяются в качестве припоя и пакеты толщиной 0,07 мм из фольги титана толщиной 0,05 мм, меди - 0,01 мм и никеля - 0,01 мм. При пайке этими припоями в вакууме при тем пературе 960 °С и выдержке 16 мин титанового сплава (Ti-6A1-4V) обеспечивается предел
прочности на срез 310 |
442 МПа, |
а после |
диффузионной обработки |
прочность |
соедине |
ний возрастает. При этом видна роль леги рующего компонента-бериллия, который спо собствует увеличению прочности соединений (табл. 6).
6. Механические свойства паяных соединений
Состояние образца |
Состав припоя и режим пайки |
icp, МПа |
а„ МПа |
6,% |
Ч>,% |
KCV, |
||
Дж/см2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Ti-14Ni-14Cu |
960 °С, 16 мин |
310,3 |
371,7 |
- |
- |
2,8 |
|
После пайки |
Ti-14Ni-13Cu-0,26Be 960 °С, |
442,3 |
- |
- |
- |
- |
||
|
16 мин |
|
|
|
|
|
|
|
После пайки и |
Ti-14Ni-14Cu |
920 °С, 2 ч |
404 |
870 |
3,6 |
3,33 |
Г 31,9 |
|
диффузионной |
Ti-14Ni-13Cu-0,26Be 920 °С, 4 ч |
463,8 |
904,6 |
11,5 |
40,31 |
40,3 |
||
обработки |
Ti-14Ni-14Cu |
920 °C, 6 ч |
- |
1099,9 |
11,76 |
49,31 |
44,1 |
|
|
7. Прочность соединений сплава ВТ6С, паянных припоями ВПр16 и Стемет 1201
Припой |
Зазор, мм |
ВПр16 (Ti-осн., 12Ni-12Zr-22Cu) |
0,12 |
Стемет 1201 |
0,02 |
(Ti-осн., 12Ni-12Zr-24Cu) |
0,1 |
|
При пайке в вакууме при температуре 960 °С и зазоре 0,05 мм титанового сплава (Ti-4,7Al-2,5Sn) припоем, содержащим (в %): 70Ti- 15Cu-15Ni, прочность соединений в зави симости от выдержки 2 ч, 4 ч и 6 ч возрастает соответственно до 713, 745 и 755 МПа. При пайке с зазором 0,25 мм прочность соединений не меняется от выдержки и составляет 326 МПа.
Пайка в вакууме сплава ВТ6С припоями Ti-Ni-Cu показала, что механические свойства соединений также зависят от толщины обра зующегося шва, которая определяется величи ной сборочно-паяльного зазора и процессами металлургического взаимодействия припоя с титаном. В равной степени это относится и к припоям системы Ti-Zr-Cu-Ni, например ВПр16 и Стемет 1201 [6], что иллюстрируют данные, представленные в табл. 7.
Припой ВПр16 в виде ленты толщиной 120 мкм и аморфный припой Стемет 1201 в виде фольги (6 = 20 мкм) закладывались непо средственно в зазор. Измерение микротвердо сти зон соединений, паянных припоем ВПр16 с зазором 0,12 мм и припоем Стемет 1201 с зазо ром 0,1 мм, указывает на наличие в шве хруп ких интерметаллидных фаз. Об этом свиде тельствует также фрактографическое исследо вание изломов после разрушения образцов, где соотношение хрупкой и пластичной фаз в шве оценено как 60:40.
Прочность ств соединений, паянных с за зором 20 мкм аморфным припоем Стемет 1201, который по химическому составу близок к припою ВПр16, составляет 797 МПа, т.е. 92 % от прочности сплава ВТ6С в отожженном состоянии. При пайке припоем Стемет 1201 с зазором 0,02 мм ударная вязкость соединений увеличивается в 4 раза (8 Дж/см2 против 2 Дж/см2) для соединений, паянных с зазором 0,1 мм и с зазором 0,12 мм припоем ВПр16.
Для получения более пластичных и проч ных соединений с успехом применяют диффу
Режимы пайки: Т, °С; т, мин
980 °С, 15 мин |
980 °С, 15 мин |
|
930 °С, 180 мин |
||
|
||
|
ов, МПа |
|
209 |
209 |
|
797 |
810 |
|
170 |
190 |
зионную пайку титана, сущность которой за ключается в том, что изделие, паянное мини мально необходимым количеством припоя, например никелем, медью, железом, кобальтом и другими металлами, выдерживают при тем пературе пайки до тех пор, пока в паяном со единении не образуется пластичный твердый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности паяемого металла.
Пайка титановых сплавов оловянно свинцовыми и другими низкотемпературными припоями применяется редко. В этом случае перед пайкой титан покрывают никелем хими ческим или гальваническим способом. Для увеличения сцепления никеля с титаном детали подвергают нагреву до 250 °С в течение 1 ч. После этого пайку производят теми же при поями и флюсами, которые используют для чистого никеля. Паять титан и его сплавы низ котемпературными припоями можно также после предварительного покрытия изделий оловом, серебром или медью. Для покрытия оловом подготовленное под пайку изделие быстро опускают на 10 20 мин в нагретое до 700 °С олово. Покрыть титан оловом можно и при помощи флюса, в состав которого входит хлористое олово. Компоненты флюса просу шивают и применяют в мелкоразмолотом виде. Изделие покрывают флюсом толщиной до 3 мм и нагревают в печи с нейтральной средой до 350 400 °С. Медное покрытие может быть получено погружением изделия на несколько секунд в расплавленную хлористую медь или ее смесь с другими хлоридами меди при 650 700 °С. Серебром титан покрывают методом погружения изделия в расплавленное серебро. После охлаждения деталь очищают от остатков флюса и шлака паром или кипячением в воде с последующей зачисткой наждачной бумагой или щеткой. Луженое изделие паяют легко плавкими припоями с Гпл < 200 °С с примене нием канифольных флюсов.
Перед нанесением покрытия детали обра батывают в соответствии с технологией, при меняемой в гальванотехнике.
ПАЙКА МОЛИБДЕНА
Удачное сочетание комплекса ценных физико-механических и коррозионных свойств делает этот металл одним из основных конст рукционных материалов новой техники. Мо либден имеет Гпл = 2622 °С; его плотность поч ти вдвое меньше, чем у вольфрама. Из него можно выполнять конструкции, работоспособ ные до 2000 °С. Молибден имеет высокую кор розионную стойкость против атмосферной коррозии. Однако он, так же как и вольфрам, сильно окисляется и без специальных покры тий не может работать при высоких температу рах в воздушной атмосфере. Основное затруд нение при пайке молибдена возникает из-за большого сродства его к кислороду, а также склонности к росту зерна при высоких темпе ратурах.
Температура рекристаллизации молибде на (850 1220 °С) зависит от многих факто ров и в первую очередь от степени деформации и чистоты. При переходе через порог рекри сталлизации молибден становится хрупким, что необходимо учитывать при выборе припоя для его пайки. Кроме того, молибден имеет небольшой температурный коэффициент ли нейного расширения (а = 5,6 КГ6 °С-1), что отличает его от металлов и сплавов, с которы ми он обычно соединяется при пайке (медь, никель, железо). По этим причинам пайку мо либдена необходимо производить в глубоком вакууме или среде аргона, тщательно очищен ного от кислорода и паров воды, с применени ем высоких скоростей нагрева. Перед пайкой молибдена должна быть полностью удалена оксидная пленка путем погружения его в рас плав, состоящий из 70 % NaOH и 30 % Na2C 03, при температуре не выше 400 °С или с помо щью электролитического травления в 80 %-ном водном растворе серной кислоты при 50 60 °С.
В качестве припоев для пайки молибдена пригодно большинство припоев, рекомендо ванных для пайки вольфрама. Например, при пой, содержащий 80 % Ni, 14 % Сг и 6 % Fe, обеспечивает получение паяного соединения с пределом прочности на срез 132 МПа при 980 °С.
Если пайку производят при температуре выше температуры рекристаллизации молиб дена (около 1100 °С), то время его выдержки
при пайке должно быть минимальным. Для пайки молибдена со сталью рекомендуется
припой на |
медной основе |
состава: 10 % Ni, |
10 % Мп, 2 |
3 % Сг, 1 |
2 % Fe, 0,5 % Si. |
При пайке со сталью 12Х18Н9Т предел проч ности паяного соединения при 600 °С состав ляет 220 230 МПа.
Для пайки молибдена применяют припои системы золото-никель, обеспечивающие по лучение надежных паяных соединений; в мас совом производстве из-за дефицитности золо тые припои применяют редко. Для пайки, на пример, меди с молибденом используют при пой ПСр72 или чистое серебро. Для улучшения растекаемости серебряных припоев молибден покрывают никелем и медью. Толщина нике левого слоя не должна быть больше 3 мкм, медного - 3 4 мкм; при большей толщине возможно отслаивание покрытия. Для улучше ния сцепления никелевого покрытия с молиб деном производят термическую обработку в вакууме при 950 1000 °С. Кроме того, дета ли из молибдена перед никелированием отжи
гают в вакууме при 950 |
1000 °С с выдерж |
|||
кой 10 |
15 мин. |
|
|
|
Растекаемость |
серебряных |
припоев |
ПСр72 и чистого серебра по молибдену улуч шается при введении в них 1 2 % фосфора.
Для пайки молибдена в качестве припоя можно применять чистую медь. Однако медь плохо смачивает и растекается по поверхности молибдена. Для улучшения смачивающей спо собности медь легируют кобальтом, железом, марганцем, никелем, кремнием, палладием. Количество легирующих добавок в медных припоях строго регламентируется и не должно превышать 4 5%. Ограничение вызвано тем, что все названные добавки, кроме палладия, образуют с молибденом хрупкие интерметаллиды, которые кристаллизуются на границе раздела и ослабляют прочность соединения. При пайке молибдена чистой медью необходи мо строго соблюдать режим пайки: температу ра 1100 °С, выдержка 20 мин. Увеличение тем пературы и выдержки приводит к расширению хрупкой диффузионной зоны и снижению прочности соединения.
Молибден можно паять и чистым нике лем. Никель наносят на молибден гальваниче ским способом или в виде фольги. Пайку про изводят в вакууме 10~2 - 10“3 Па при 1350 °С, т.е. выше температуры образования эвтектики,
с поджатием деталей давлением 15 |
МПа, |
с |
выдержкой при температуре пайки 2 |
6 |
ч. |
При таком режиме происходит полное раство рение никеля в молибдене с образованием твердого раствора, в швах не образуется хруп ких зон и соединения выдерживают много кратные нагревы до 2600 °С.
Для пайки молибдена используют припои на основе титана, ванадия, хрома, тантала. Так, соединение молибденовых деталей - фланца с тепловой трубой системы ядерного реактора, осу ществляют в вакууме при температуре 1750 °С припоем состава V-35%Ti. Если сборочный зазор соединяемых деталей не превышает 0,05 мм, то паяные швы могут успешно работать до температуры 1397 °С. Для эксплуатации со единений выше этой температуры рекомендо ван припой, состоящий из механической смеси порошков молибдена и ванадия (50 50). При пайке в вакууме этим припоем при температу ре 2257 °С образуются герметичные соедине ния, способные работать до температуры 1597 °С и противостоять воздействию агрес сивных теплоносителей.
Для соединения молибденовых деталей можно использовать и чистый ванадий, при пайке которым в вакууме при температуре 1512 °С и сборочном зазоре 0,025 мм образу ются плотные соединения с прочностью до
35 МПа. |
Хорошую стойкость в расплавах |
(Т = 700 |
800 °С) Na, Li и Bi показали соеди |
нения, паянные в вакууме при температуре 1050 1175 °С припоями на основе железа: Fe-4C-1B; Fe-15Mo-5Ge-4C-lB; Fe-25Mo-4C-lB.
Соединения молибдена, паянные легко плавкими оловянно-свинцовыми припоями с применением флюсов на основе водного рас твора хлористого цинка, могут работать при температурах не более 150 °С. Для пайки соедйнений молибдена, работающих при тем пературах 650 °С, применяют припои: Ag-P; Ag-Cu; Ag-Cu-Ni-Li. Пайку производят погру жением в расплавленный припой или газовой горелкой.
ПАЙКА НИОБИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Высокие коррозионная стойкость в силь ных кислотах и в расплавленных щелочных металлах, стойкость при облучении, сверхпро водимость и другие свойства делают ниобий и его сплавы весьма ценными конструкционными материалами для ракетостроения, химического аппаратостроения и других областей техники. Предел прочности ниобия с в = 400 МПа, отно сительное удлинение 5 = 30 %, 7 ^ = 2500 °С.
При высокотемпературном отжиге ниобия (1450 °С и выше) отмечается собирательная рекристаллизация, т.е. интенсивный рост зерна и появление выделений по границам зерен; ударная вязкость ниобия при этом снижается примерно в 20 раз.
При нагреве на воздухе выше 200 °С нио бий заметно окисляется; с повышением темпе ратуры окисляемость сильно возрастает. Резкое повышение окисляемости ниобия при 1000 °С и выше связано не только с увеличением ско рости диффузии кислорода, но и с качест венными изменениями, происходящими в структуре оксидной пленки. При температуре 1000 1100 °С происходит переход низко температурной модификации оксида a-Nb20 5 в высокотемпературную модификацию P-Nb20 5, сопровождающийся значительным увеличени ем объема (в 2,7 раза), что приводит к возник новению внутренних напряжений и локальным разрушениям пленки и ее отслоению. Послед нее и вызывает резкое повышение окисляемо сти ниобия.
При нагреве ниобия наряду с его окисле нием происходят диффузия и растворение га зов в металле. Предельная растворимость ки слорода в ниобии (массовые доли) составляет: при 500 °С - 0,25 %, при 1916 °С - 0,72 %; азо та при 300 °С - 0,003 %, при 1500 °С - 0,07 %. Образование газонасыщенного слоя приводит к резкому повышению твердости и снижению пластичности ниобия. Значительно более вы сокими свойствами, чем ниобий, обладают сплавы на его основе.
Для получения высокопрочных и пла стичных паяных соединений целесообразно для пайки ниобия применять чистые металлы: титан, ванадий, цирконий, которые образуют с ниобием неограниченные твердые растворы. На основе указанных металлов можно полу чить пластичные припои и жаропрочные пая ные соединения, однако все они слишком ту гоплавки и требуют оборудования, позволяю щего производить пайку в высоком вакууме при температурах 1600 1900 °С. При ваку умной пайке ниобия титаном (1750 °С), цирко нием (1900 °С) и ванадием (1950 °С) при вы держке 5 мин образуются качественные соеди нения, но из-за роста зерна в паяемом металле падают его прочность и пластичность.
Для пайки ниобия при более низких тем пературах используют бинарные сплавы Ti-Zr и Ti-V, имеющие минимум на линии ликвидус (1620 °С). Снижение температуры пайки до
близкой к вторичной кристаллизации ниобия (1000 °С) в сплавах Ti-Zr, Ti-V и Zr-V достига ется за счет легирования их бериллием до 5 % или железом до 15 %. Припои состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be и 45Ti-40Zr-15Fe имеют тем пературу пайки 1050 °С, а припой состава 67Zr-29V-4Fe - 1300 °С. При пайке этими припоями в швах образуются хрупкие интерметаллидные фазы, которые снижают проч ность соединений. Толщина интерметаллидной фазы и прочность соединения зависят от величины сборочного зазора. При пайке нио бия с зазором 0,075 мм припоем состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be предел прочности на срез со единения равен 248 МПа, а при пайке с ббльшим зазором (0,127 мм) - 184 МПа. Во многом свойства паяных соединений зависят и от со става припоя. Так, соединения ниобия, паян ные припоем 48Ti-48Zr-4Be, остаются работо способными после 500 термоциклов (815 371 °С ) и после старения при 815 °С в течение 100 ч. В то же время при применении припоев 45Ti-40Zr-15Fe и 67Zr-29V-4Fe в швах после таких испытаний появляются трещины [15].
Ниобиевый сплав Д36 (Nb-10Ti-5Zr) ра ботает при температурах до 1650 °С. Пайку его можно осуществлять в вакууме при температу ре 1470 °С припоем Ti-ЗЗСг и при температуре 1280 °С припоем Ti-30V-4Be. Длительный от жиг при температуре 1310 °С в течение 16 ч обеспечивает жаростойкость соединений до 1815°С.
При пайке припоем Ti-ЗЗСг не происхо дит эрозии паяемого металла, а микрострукту ра шва состоит из твердого раствора Ti и Сг в ниобии, содержащего внутри и по границам зерен частицы интерметаллида TiCr2. После диффузионного отжига частицы TiCr2 равно мерно распределяются, а твердый раствор Nb-Ti-Cr обогащается ниобием и становится пластичнее.
При пайке ниобиевого сплава припоем Ti-30V-4Be при температуре 1288 °С, выдерж ке 2 мин и диффузионной обработке (4 ч при температуре 1124 °С и 16 ч при 1316 °С) эро зии паяемого металла и хрупких фаз в шве не образуется, если величина сборочного зазора не превышает 0,05 мм. При сборочных зазорах более 0,05 мм в центре шва кристаллизуется хрупкая фаза, ослабляющая шов.
Жаропрочность при температуре 1371 °С соединений ниобиевого сплава CL-3, паянного припоем Ti-ЗЗСг, выше (31,8 МПа), чем при применении припоя Ti-40V-4Be (18,3 МПа).
Припой Ti-ЗЗСг применяется и при пайке нио биевого сплава (Nb-l%Zr) для соединений уз лов энергоустановок с высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями (Na, К, Li).
Для пайки ниобия в вакууме применяют и припой на основе меди, содержащий 30 % Ni; 1 2 % Fe; 1 2% Si; 0,2 % В и после дли тельной выдержки при температуре пайки (1500 °С) обеспечивающий получение доста точно прочных паяных соединений.
Для пайки ниобия в среде аргона с точкой росы -70 °С можно использовать сплавы сис темы Cr-Pd-Ge. Рекомендованы два сплава:
1)50 % Сг; 30 % Pd; 20 % Ge, температура пайки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел проч ности соединения на срез при 1093 °С 58 МПа;
2)50 % Сг; 35 % Pd; 15 % Ge; температура пай ки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел прочности соединения на срез при 1093 °С 74 МПа.
Рекомендуется также.припой для пайки ниобия, состоящий из 17 % Nb; 10 % V; 8 % Сг; 2,3 % Al; Ti - основа Временное сопротивление
при растяжении а в соединения равно 800 МПа, относительное удлинение 6 = 4% .
ПАЙКА ВОЛЬФРАМА
Вольфрам и его сплавы, обладая высокой прочностью, жаропрочностью до температуры 2700 °С и другими ценными качествами, явля ются необходимыми материалами в ряде об ластей техники. Металлический вольфрам ши роко применяют в ракетостроении, электро ламповой, радиотехнической и электровакуум ной промышленности. Вольфрам широко ис пользуют в промышленности в чистом виде и в виде сплавов; он является наиболее тугоплав ким металлом с 7^ = 3410 °С, имеет временное
сопротивление при растяжении 500 |
900 МПа, |
|
3200 |
4150 НВ. Недостатком вольфрама яв |
ляется его хрупкость при 20 °С (относительное удлинение и сужение равны нулю). Механиче скую обработку вольфрама можно производить
только при температуре 300 |
500 °С, т.е. вы |
ше порога хрупкости. |
|
Пайку вольфрама необходимо стремиться производить при температурах ниже темпера туры его рекристаллизации 1450 °С, поскольку выше этой температуры прочность вольфрама значительно снижается. При сварке плавлени ем рекристаллизация вольфрама и его охруп чивание неизбежны, поэтому применение пай ки для изделий из вольфрама предпочтитель
нее. При соединении вольфрама с другими металлами основная трудность связана со зна чительным различием в ТКЛР.
При 20 °С вольфрам обладает высокой химической стойкостью, но при нагревании выше 400 500 °С окисляется с образованием трехокиси вольфрама W 03. При пайке вольф рама требуется особо тщательная очистка его поверхности, которую производят механиче скими средствами или травлением в кислотах. Травить можно в смеси равных частей азотной и фтористоводородной кислот с последующей промывкой в горячей воде или спирте. Очистку можно вести также в горячем растворе едкого натра или электролитическим методом, приме няя в качестве электролита разбавленный рас твор азотнокислого натрия (NaN03). Способ очистки выбирают в зависимости от степени окисленности вольфрама.
После тщательной очистки вольфрам ус пешно паяется во всех защитных и восстанови тельных средах, но чаще в вакууме, так как при этом обеспечивается получение более плотных паяных швов. Для улучшения смачивания вольфрама расплавленными припоями иногда применяют предварительное гальваническое покрытие его никелем или медью.
Для высокотемпературной пайки вольф рама используют припои с температурой плав ления до 3000 °С, в том числе чистые металлы (тантал, ниобий, никель, медь) и сплавы (Ni-Ti, Ni-Cu„Mn-Ni-Co, Мо-В и др.).
Учитывая склонность вольфрама к рекри сталлизации, пайку его необходимо произво дить при Максимальных скоростях нагрева с минимальной выдержкой при пайке. Наиболее перспективным способом соединения вольф рама является сочетание пайки с последующей диффузионной обработкой. В результате такой обработки получаются паяные соединения с высокой температурой распайки (вторичного расплавления паяного шва).
При диффузионной обработке происхо дят диффузия, растворение, а также испарение отдельных компонентов. Например, марганец кипит при 2150 °С и при этой же температуре полностью испаряется. Поэтому при диффузи онной обработке швов, паянных припоями, содержащими марганец, повышение темпера туры вторичного расплавления достигается за счет испарения марганца. При правильном сочетании припоя, температуры пайки и вре мени выдержки можно получить паяные со единения с температурой вторичного расплав
ления до 2760 °С. Например, при пайке вольф рама при 1000 1100 °С припоем платина - бор с добавкой порошка вольфрама в результа те реактивной диффузии в шве образуется сплав, работоспособный при 2000 °С. Преиму ществом этого припоя является то, что пайку вольфрама можно производить при температу ре ниже температуры его рекристаллизации, т.е. без снижения механических свойств вольфрама.
Перспективным является метод диффузи онной пайки, позволяющий до минимума уменьшить толщину прослойки припоя в зазо ре, в результате чего сокращается количество жидкой фазы в шве и уменьшается возмож ность образования хрупких зон.
Для капиллярной пайки вольфрама в ва кууме КГ2 Па или аргоне высокой чистоты можно использовать стандартные серебряные припои ПСр72, ПСр62, ПСр37,5; медно никелевые припои ВПр4, ПМ17, ПМ17А и припой на железной основе системы Fe-Mn. Наибольшее временное сопротивление при растяжении (265 МПа при зазоре 0,15 мм) обеспечивает припой ПСр37,5.
Соединения вольфрама, паянные чистым железом, могут надежно работать при 900 °С. Соединения, паянные припоем, состоящим из 75 % Сг и 25 % V, успешно работают при 1200 °С.
Возможно соединение вольфрама и при использовании в качестве припоев меди, мар ганца, олова и серебра, обеспечивающих высо кую прочность соединений, получающуюся за счет насыщения шва вольфрамом. Зерна вольфрама диспергируют вследствие адсорб ционного понижения его прочности под дейст вием расплавов припоев и спекаются в капил лярном зазоре. Для диффузионной пайки вольф рама рекомендованы три состава припоев в %:
1) Ni —основа, 6,5Cr, 2,5Fe, ЗВ, 5Si, 0,15С (Тт = 1066 °С);
2) 67,5Mn, 16Ni, 16Со, 0,5В (Тт =
=1066 °С);
3)69Ni, 20Cr, 10Si, IFe (7^ =1185 °С).
Припои применяют в виде порошка. Пай ку производят в атмосфере водорода; выдерж ка при пайке 5 мин.
ПАЙКА ЦИРКОНИЯ
Цирконий является относительно туго плавким металлом с Тм = 1855 °С, его плот ность 6,4 г/см3. Цирконий обладает сравни-
тельно низким временным сопротивлением при растяжении (200 280 МПа). Прочность его ниже, чем у титана и железа, а твердость при мерно одинакова. Добавки к цирконию молиб дена, ниобия, титана улучшают его механиче ские свойства. Цирконий и его сплавы пла стичны, хорошо обрабатываются давлением, резанием, имеют высокую коррозионную стой кость в агрессивных средах.
Близкие значения температурных коэф фициентов объемного расширения цирконие вых сплавов и некоторых диэлектриков позво ляют использовать их для получения соедине ний со стеклом и керамикой. Эти свойства де лают цирконий и его сплавы весьма ценными материалами в электронике и вакуумной технике.
При 20 °С цирконий и его сплавы инерт ны по отношению к газам, но при повышенной температуре они взаимодействуют с кислоро дом, азотом и водородом, образуя оксиды, нит риды и гидриды. Водород - единственный газ, реакция поглощения которого цирконием об ратима. Максимальное насыщение циркония водородом происходит при 280 300 °С; при нагреве в вакууме до 800 °С водород полно стью удаляется. С азотом цирконий начинает взаимодействовать с 400 °С. Наибольшее по глощение азота из воздуха происходит при 1000 1600 °С. Удалить азот из циркония при нагревании в вакууме до температуры 1300 °С не удается. Реакция циркония с кислородом сопровождается образованием на его поверх ности оксидной пленки. Однако при 450 °С оксидная пленка растворяется в металле, вследствие чего происходит дальнейшее по глощение кислорода. Удалить кислород из циркония нагревом в вакууме не удается. Инертные газы - аргон и гелий - не растворя ются в цирконии, но при недостаточной их чистоте цирконий окисляется и на его поверх ности образуется слой оксидов черно-синего цвета. Перед пайкой цирконий и его сплавы травят в смеси водных растворов плавиковой и азотной кислот (3 мл азотной, 5 мл плавиковой кислоты и 92 мл воды).
При пайке циркония в аргоне или гелии последние необходимо предварительно очи щать от примесей кислорода, водорода, азота и паров воды. Паять цирконий и его сплавы в вакууме можно при разрежении в камере пайки не ниже 10_3 Па.
При выборе припоя необходимо учиты вать, что многие компоненты, входящие в при пой (Ag, Си, Ni), активно взаимодействуют с
основным металлом с образованием химиче ских соединений или легкоплавких эвтектик. Поэтому пайку циркония с медью, никелем, железом или коррозионно-стойкой сталью можно осуществлять без припоя (контактно реактивным методом). Хотя соединения полу чаются и непрочными, но обеспечивают герме тичность и коррозионную стойкость. Многие припои активно растворяют цирконий, вызы вая сильную эрозию или сквозное проплавле ние тонкостенных конструкций. Сильной эро зии цирконий подвергается при пайке медью. Припой на основе титана не вызывает эрозии, так как титан с цирконием образует твердые растворы. Припоями на основе титана можно паять цирконий диффузионным методом.
Для высокотемпературной пайки цирко ния можно применять припои на основе золота. Золото с цирконием реагирует при 1065 °С. Небольшое количество легирующих добавок железа, никеля, меди, образующих с золотом твердые растворы, снижает температуру пайки, но не изменяет механические свойства паяных соединений. В качестве легирующих компо нентов используют также ванадий и кобальт. Эти элементы снижают температуру пайки и уменьшают растворимость циркония в припое, т.е. образуют с цирконием твердые растворы, или эвтектику, при температуре, значительно превышающей температуру пайки. Для пайки циркония рекомендуются также припои систе мы Cu-Pd с различными добавками (табл. 8).
Легирование меди палладием и циркони ем способствует уменьшению растворения основного металла в припое. Температура плавления припоев 960 1050 °С, пайку цир кония этими припоями осуществляют в вакуу ме 10"2 Па.
Припои обеспечивают вакуумную плот ность соединений циркония с железом, низко углеродистой сталью и никелем при 20 °С и
8. Припои для пайки циркония (без предварительного покрытия)
|
Содержание (массовые доли), %, |
|||||
Компонент |
|
|
для припоев |
|
|
|
|
№ 1 |
№2 |
|
№3 |
|
|
Pd |
19 |
20 |
17 |
20 |
19 |
20 |
Сг |
|
- |
- |
|
2,5 |
3 |
Zr |
3 |
... 4 |
2 |
3 |
- |
|
Ti |
|
- |
1 ... |
1,5 |
- |
|
Си |
|
|
Остальное |
|
|
повышенных температурах. Пайку циркония этими припоями осуществляют без нанесения барьерных покрытий, что упрощает техноло гический процесс и повышает надежность со единений.
При пайке циркониевых сплавов (Zr-Sn) - циркалой палладиевыми припоями состава (в %): Ag-33Pd-3Mn; Au-25Pd-25Ni; Pd-35Co, - происходит интенсивное растворение паяемого металла. Растворение уменьшается при приме нении припоев (в %): Au-18Ni; Zr-5Be; Zr50Ag; Zr-29Mn и Zr-24Sn, - но при пайке изде
лий из этих сплавов с зазорами 0,08 |
0,15 мм |
в швах образуются фазы с высокой микротвер достью. Получить пластичные соединения без хрупких интерметаллидных фаз можно при пайке этими же припоями при обеспечении сборочного зазора от 5 до 20 мкм [15].
Для узлов ядерной энергетики хорошим сочетанием коррозионной стойкости в борированной воде при температуре 360 °С и давле
нии |
14,7 МПа и механической |
прочности |
450 |
500 МПа обладают соединения цирка- |
|
лоя, |
паянные припоями (в %): |
Zr-50Ag и |
Zr-24Sn. Используют для узлов ядерной энер гетики и припои системы Zr-Ве.Так, дистанци рующие решетки ТВЭЛов паяют в вакуумных печах с индукционным нагревом при темпера туре 980 °С припоем Zr-5Be или при темпера туре 1030 °С припоем состава (в %): 93Zr-5Be- 2Sn. Эти соединения также имеют высокую коррозионную стойкость.
Пайку циркония без барьерного покрытия производят и самофлюсующими серебряными припоями.
Для предотвращения растворения цирко ния припоями, вступающими с ним в активное взаимодействие, применяют промежуточные барьерные покрытия. В этом случае использу ют никелевое покрытие, которое имеет удовле творительное сцепление с цирконием при ус ловии предварительного травления поверхно сти детали в водных растворах фторида аммо
ния |
и |
плавиковой кислоты, подогретых |
до |
30 |
40 °С, и последующего отжига в вакууме |
||
при 850 |
900 °С. Пайку по никелевому |
по |
крытию можно производить всеми легкоплав кими припоями, смачивающими никель, и вы сокотемпературными, но с температурой пай ки, не превышающей 900 °С, так как уже при температуре 960 °С образуется легкоплавкая эвтектика.
При пайке циркония припоями на основе серебра по никелевому барьерному покрытию
10 - 8294
9. Припои для пайки циркония
|
Состав |
Тю, °C |
Покрытие |
||
(массовые доли), % |
|||||
|
|
|
|||
78 |
Ag; 22 Си |
779 |
|
Никель |
|
60 |
Ag; 39 Си; ! Ni |
820 |
|
||
|
|
||||
63 |
Ag; 27 Си; 10 Ni |
710... |
885 |
|
|
90 |
Zr; 10 Ni |
1200 |
|
||
60 |
Pd; 40 Ni |
1237 |
Ниобий |
||
53 |
Ti; 47 Pd |
1080 |
|||
|
|||||
80 |
Ag; 20 Pd |
1080...1120 |
|
||
70 Ag; 18 Pd; 12 Ni |
930 |
980 |
|
||
92 Zr; 6,6 Ni; 1,4 Be |
|
|
Без покры |
||
85 |
Zr; 15 Co |
1000 |
1200 |
тия для пай |
|
70 Zr; 30 V |
|
|
ки с молиб |
||
|
|
деном и |
|||
70 Ti; 30 Си |
|
|
|||
|
|
ниобием |
обеспечиваются вакуумная плотность и предел прочности паяных соединений до 200 МПа.
Для работы паяных соединений циркония при высокой температуре применяют более тугоплавкие барьерные покрытия, например ниобий. Пайку по ниобиевому покрытию про изводят при 1000 1200 °С припоями систем Zr-Ni; Zr-Ni-Pd; Ti-Pd и др. При пайке цирко ния с ниобием, танталом, молибденом и гафни ем без нанесения барьерного покрытия приме няют припои систем Zr-V, Zr-Co и др. (табл. 9). Соединения, паянные этими припоями, обеспе
чивают теплостойкость до 1200 |
1300 °С. |
ПАЙКА ТАНТАЛА
Тантал среди других металлов выделяет ся исключительной химической стойкостью в сильных кислотах и расплавах щелочных ме таллов, а также рядом других свойств. Он име ет Гпл = 2996 °С, плотность 16,6 г/см3, в отли чие от вольфрама и молибдена обладает пла стичностью. Тантал промышленной чистоты в отожженном состоянии при 20 °С имеет предел прочности а в = 420 МПа, относительное удли нение 5 = 25 %; при 980 °С сгв = 140 МПа. Тем пература пластично-хрупкого перехода для тантала лежит ниже -196 °С.
Кроме чистого тантала, в промышленно сти применяют сплавы тантала с вольфрамом, ниобием, гафнием, которые достаточно пла стичны. Относительное удлинение этих спла вов 6 = 25 30 % (зависит от способа выплав ки). Тантал и его сплавы используют в элек-
тротехнике и для изготовления нагревателей в вакуумных печах. Известно также применение чистого тантала и его сплавов с ниобием в хи мическом аппаратостроении. При нагреве на воздухе тантал, так же как и ниобий, начиная с 200 300 °С, заметно окисляется. Наряду с окислением происходит диффузия газов в ме талл, непосредственно под оксидной пленкой образуется газонасыщенный слой, толщина которого зависит от температуры и времени нагрева.
Тантал интенсивно поглощает газы при нагревании, поэтому при пайке тантала пред почтителен вакуум не ниже 1(Г2 Па. В качестве припоев для пайки тантала целесообразно при менять, прежде всего, такие металлы, как ти тан, ванадий, ниобий и молибден, которые образуют с танталом непрерывный ряд твер дых растворов, что позволяет получить высо копрочные и пластичные паяные соединения. Из указанных металлов успешно применяют сплав, содержащий 85 % Ti и 15 % Мо, дающий возможность производить пайку при 1850 °С.
Вакуумную пайку танталовых сплавов выполняют припоями на основе титана и гаф ния. Например, при пайке сплавов, содержа щих (в %): Ta-30Nb-7,5V, применяют припой Ti-34Cr, а для танталовых сплавов Ta-10W и Ta-8W-2Hf рекомендовано несколько составов припоев (в %): Ti-30V-4Be; Hf-15Ti-7Mo; Hf-30Ta-l 1V; Hf-7Mo-6V и Hf-7Mo, которые назначаются в зависимости от условий работы изделия. Так, для работы изделия до темпера туры 1972 °С используют припой Hf-7Mo, обеспечивающий при пайке в вакууме при температуре 1512 °С обоих танталовых спла вов высокую жаропрочность соединений. Прочность и пластичность соединений можно повысить на 30 40 % за счет диффузионной термообработки при температуре 1978 °С.
Сплав Ta-10W хорошо паяется при тем пературе 1305 °С припоем Ti-30V-4Be. Обра зующиеся швы имеют пластичную однофаз ную структуру, в которой равномерно распре делен твердый бериллид титана. Предел проч ности соединений на срез при температуре 1655 °С равен 40 МПа. При пайке сплава Ta-10W при температуре 2193 °С припоем Hf-40Ta образуется соединение с температурой распая 2093 °С, а угол изгиба без растрескива ния стыкового образца равен 40 60° [15].
Для диффузионной пайки сплава тантала с содержанием 1 % W в качестве припоя при меняют чистый титан. Припой в виде фольги
укладывают в места соединений. Пайку произ водят в печи при разрежении 1(Г2 КГ3 Па, температура пайки 1760 °С, выдержка 10 мин. Температура вторичного расплавления шва после пайки поддерживалась 2092 °С, времен ное сопротивление при растяжении соединений при 1928 °С составляет 16,5 МПа. Для капил лярной пайки используют припой на основе тантала с 40 % Hf. Пайку выполняют при 2205 °С
свыдержкой 1 мин. Для пайки тантала при меняют припой следующего состава (в %): 20Ta-5Nb-3W (остальное Ti). Пайку этим припо ем осуществляют в вакууме 10'3 Па при 1000 °С
свыдержкой 5 мин. Предел прочности соеди
нения на срез тср = 200 МПа, температура вто ричной распайки 2000 °С.
Тантал можно паять по предварительно нанесенному слою серебра. Пасту, состоящую из порошка серебра и связующего, наносят на тантал, после сушки и обжига при 600 °С в течение 1 ч получают прочное сцепление. Об работанный таким образом тантал можно па ять, например, с медью. Предел прочности соединения достигает 50 МПа. Ввиду того что тантал трудно поддается пайке, его поверх ность рекомендуется предварительно покры вать никелем или платиной. Пайку покрытых изделий можно вести с применением флюсов, в среде инертных газов или вакууме.
ПАЙКА БЕРИЛЛИЯ
Бериллий - легкий металл (плотность 1,84 г/см3), но имеет высокий предел прочно сти (560 МПа) и довольно высокую температу ру плавления (1283 °С). Ввиду высокой хими ческой активности поверхность бериллия в атмосферных условиях покрывается оксидной пленкой ВеО. Перед пайкой бериллия для уда ления оксидов его травят в растворе следую щего состава: 450 500 мл ортофосфорной кислоты, 50 55 г хромового ангидрида и 20 25 мл концентрированной серной кисло ты. Раствор, подогретый до 50 60 °С, более активно снимает оксидную пленку.
Легкоплавкими припоями бериллий пая ют с применением специальных флюсов, со держащих фториды и хлориды цинка, аммония или щелочноземельных металлов. Нагрев под пайку осуществляют быстро, поскольку при меняемые флюсы быстро теряют свои свойст ва. Перед пайкой поверхности желательно лу дить. Лужение и пайку производят оловянно