книги / Сварка в машиностроении. 4

Чистое серебро не взаимодействует с железом и не применяется для пайки сталей из-за плохой смачиваемости. В связи с этим серебряные припои также обладают малой активностью по отношению к углеродистым и низколегированным конструкционным сталям. Для активации поверхности паяемых металлов необ­ ходимо применять более активные флюсы, чем при пайке медью и медно-цинко­ выми припоями.

Пайка серебряными припоями на воздухе может проводиться с применением активных флюсов 209 и 284, в газовых средах водорода, диссоциированного амми­ ака и аргона.

ПАЙКА КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ, ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

К указанной группе материалов можно отнести коррозионно-стойкие стали, имеющие в основе железо и содержащие в качестве легирующих элементов хром; хром и никель; хром, никель, титан; хром, никель, алюминий; коррозионностойкие, жаропрочные стали, отличающиеся от коррозионно-стойких сталей высоким содержанием никеля (от 18 до 37%) и титана (от 2,1 до 3,7%) и жаропроч­ ные сплавы на никелевой основе, легированные хромом, алюминием и титаном. Основное значение для этой группы материалов имеет высокотемпературная пайка, преследующая цель получения соединений, способных работать при высокой температуре.

Максимальная температура пайки коррозионно-стойких сталей и жаропроч­ ных сплавов, при которой сохраняются их исходные свойства, совпадает с темпе­ ратурой их термической обработки и для разных марок сталей и сплавов находится в пределах 920—1250° С.

Присутствие в рассматриваемых сталях и сплавах указанных легирующих элементов приводит, вследствие избирательного их окисления, к появлению на их поверхности окисных пленок сложного состава, содержащих окислы хрома, алюминия, титана и их комплексы. В связи с наличием окисных пленок сложного состава наибольшей трудностью при пайке материалов этой группы является обеспечение смачиваемости жидким припоем их поверхности [3].

Данные о структуре и составе окисных пленок, образующихся при нагреве на воздухе различных сталей и сплавов, приведены в работе [5]. Там же дано уравнение для расчета критической концентрации компонентов в сплаве, с превы­ шением которой на поверхности сплава образуется только окисел этого элемента.

Уравнение для расчета критической концентрации компонентов удовлетворяет соотношению

где V — молярный объем сплава; 2В— валентность атомов компонента; М0 — относительная атомная масса кислорода; D — коэффициент диффузии компонента В в сплаве; Rnар — константа параболической скорости исключительного образо­ вания окисла компонента В.

Рассматривая структуру этого уравнения, можно сделать вывод, что окисел обогащается легирующим элементом в степени тем большей, чем больше сродство этого элемента к кислороду и чем легче условия диффузии иона через пленку. Последнее, как правило, облегчается при уменьшении ионного радиуса элемента.

По имеющимся данным [2], при наличии в легированных сталях хрома в окисной пленке появляются соединения (Сг, Fe)20 3 или FeCr20 4. Вследствие более высокого сродства алюминия к кислороду наблюдается его избирательное окисле­ ние. Например, на стали, содержащей 23,5% Сг, 1,8 А1 и 1,3 Si, после 1000 ч выдержки при температуре 1200° С окисный слой содержал 49,7% А1 и 3% Сг; кремний в нем отсутствовал. На избирательное окисление алюминия в сплавах железа с хромом указывается в этой же работе: в сплаве Fe — 22% Сг — 5% А1

4.Механические свойства паяных соединений из коррозионно-стойких сталей при испытании на срез

В табл. 4 приведена прочность на срез соединений из коррозионно-стойких сталей, паяных различными припоями. Важным вопросом при разработке техноло­ гии пайки этих материалов является рациональный выбор состава припоя. При выборе припоя учитывается необходимость сохранения коррозионных свойств соединений, а также коррозионных свойств и прочности при высокой температуре для коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов.

Обеспечение жаропрочности вызывает необходимость применения припоев с высокой температурой плавления, по возможности приближающейся к макси­ мально допустимой температуре нагрева при пайке.

Припои на основе серебра при различных способах активации поверхности хорошо смачивают и заполняют зазоры при пайке, но рабочие температуры их находятся в пределах 500—600° С; припои на основе меди, обладая хорошей сма­ чиваемостью и заполнением зазоров, не обеспечивают нужной жаропрочности паяных соединений.

Для пайки коррозионно-стойких и коррозионно-стойких жаропрочных сталей в промышленности нашли применение припои, в основу которых положены сле­ дующие системы легирования: серебро—медь; серебро—медь—никель; медь— никель—марганец; марганец—никель—хром и др. Многие из припоев этих систем отличаются малой пластичностью и плохо прокатываются в фольгу.

В связи с этим для пайки коррозионно-стойких и коррозионно-стойких жаропрочных сталей нашел применение процесс контактно-реактивной пайки с использованием эффекта контактного плавления в системах медь—марганец, медь—марганец—никель.

Лучший способ нанесения этих металлов на поверхности коррозионно-стой­ ких сталей термовакуумное напыление.

При нагреве деталей с нанесенными покрытиями и последующем контактном плавлении меди и марганца в безокисленной среде происходит образование жидкой фазы, смачивающей паяемые поверхности, затем насыщающейся элементами паяе­ мого металла (металлов) с образованием в паяном шве при кристаллизации твердых растворов медь—марганец или медь—марганец—никель [17]. Замечено, что медь имеет большую растворимость в жидкой фазе, чем марганец.

Покрытия медь—марганец и медь—марганец—никель лучше наносить послойно в следующем порядке: марганец—медь, медь—марганец—медь, никель— марганец—медь. Такой порядок нанесения покрытий обеспечивает меньшук!) испаряемость марганца из покрытия. Механические свойства паяных соединений, выполненных по покрытиям с использованием контактного плавления, приведены в табл. 5.

Длп пайки жаропрочных сплавов припои указанных систем не обеспечивают нужной жаропрочности. Припои систем марганец—хром—никель в результате

Б.Механические свойства соединений из коррозионно-стойких сталей, паянных по покрытиям

взаимодействия с паяемым металлом при высоких температурах проникают по границам зерен жаропрочных сплавов, вызывая их охрупчивание.

Перспективными для пайки жаропрочных сплавов являются припои на основе палладия с добавками никеля, хрома, кремния и других элементов [7]. Некоторым недостатком этих припоев является высокая температура плавления и нагрева под пайку. Примером может служить пайка жаропрочных сплавов на никелевой основе типа ЖС6. Эти сплавы обрабатывают термически: закалка ог температур 1200— 1220° С и старение при 950° С. При температурах, превышающих температуру термической обработки, происходит коагуляция у'-фазы и карбидных фаз, их растворение в твердом растворе и разупрочнение сплава. Поэтому пайка этих сплавов возможна при температурах, не превышающих 1220° С.

Применение для этого сплава припоя ПЖК 1000 на основе палладия с темпе­ ратурой пайки 1240° С может вызвать ухудшение свойств основного металла и приводит к необходимости контроля свойств основного металла после нагрева по циклу пайки.

Изучение диаграммы состояния Pd—Ni показало возможность проведения процесса пайки жаропрочных сплавов чистым палладием, используя эффект контактного плавления. Минимальная температура солидуса сплавов никель— палладий составляет 1237° С. В результате исследований было установлено, что контактное плавление через прослойку палладия начинается при 1200—1220° С и протекает очень активно. Для пайки использовали палладий Пд 99,9 (ГОСТ 13462—68) толщиной 0,03 мм. В полученных соединениях не обнаружива­ лось проникновения припоя по границам зерен и обеспечивалась высокая проч­ ность паяных соединений.

В табл. 6 приведены результаты сравнительных испытаний свойств соедине­ ний при 800—850° С, полученных при пайке чистым палладием и припоями ПЖК 1000 и ВПр8.

При пайке изделий из коррозионно-стойких сталей, жаропрочных сталей и сплавов при наличии зазоров до 1,0 мм используют композиционные припои с наполнителем (металлокерамическая пайка). Наполнитель в процессе спекания образует каркас с разветвленной сетью капилляров, которые затем пропитываются легкоплавкой составляющей припоя.

При использовании композиционных припоев легко осуществляется процесс пайки, в том числе и в вертикальном положении, а путем выбора состава легко­ плавкой составляющей припоя и наполнителя можно повысить температуру распая

вследствие растворения наполнителя в жидкой составляющей припоя. Процесс пайки порошковыми припоями ведется в активной среде газообразного флюса, образующейся при разложении тетрафторбората калия при нагреве в аргоне.

При пайке жаропрочных сплавов ВЖ98 и ЖС6 припоями на основе ВПр11

с расплавленным припоем, светового луча и т. д. В качестве флюсов применяют активные флюсы: водные растворы хлористого цинка с добавками соляной ки­ слоты или растворы ортофосфорной кислоты. Для облегчения процесса в некото­ рых случаях на поверхности, подлежащие пайке, наносят гальванические по­ крытия, чаше из меди или никеля.

ПАЙКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и сплавы на его основе обладают высокой активностью к взаимодействию с большинством газов (кислородом, азотом, водородом) и почти со всеми элемен­ тами, входящими в состав припоев. Последствием такого взаимодействия является снижение пластических свойств металла и образование на границе припой—титан интерметаллических соединений, охрупчивающих спай.

В связи с высокой активностью титана смачивание его припоями при темпе­ ратурах выше 750—800° С обычно не вызывает трудностей. При температурах выше 750—800° С происходит растворение кислорода в титане и своеобразная

самоочистка поверхности. Эти процессы возможны при нагреве в среде нейтраль­ ных газов аргона, гелия высокой чистоты или в вакууме.

Одним из способов уменьшения влияния примесей кислорода в нейтральной газовой среде и в вакууме является применение негерметичных защитных экранов

экрана быстро исчерпывается и в процессе дальнейшего нагрева происходит очи­ стка поверхности титана. Такой же механизм очистки поверхности наблюдается и в нахлестке соединений. В связи с этим при печном относительно длительном на­ греве затекание припоя в зазор и его заполнение происходит достаточно активно, однако поверхности деталей после пайки

основные трудности пайки титана и его сплавов заключаются в защите поверх­ ности деталей от взаимодействия с газами и предотвращении образования ин­ терметаллических соединений на границе припой—титан.

В настоящее время наметились определенные направления в решении проб­ лемы пайки титана.

1.Пайка по барьерным или защитным покрытиям, исключающим взаимодей­ ствие титана с припоем.

2.Диффузионная пайка, основанная на использовании тонких покрытий из металлов (например, меди и никеля), образующих в контакте с титаном легкоплав-

О» Режимы диффузионной пайки и механические свойства паяных соединений сплавов титана с различными покрытиями

кие эвтектики с последующим рассасыванием их в процессе выдержки при повы­ шенных температурах.

3. Применение порошковых припоев на основе титана с добавками меди, никеля, циркония с ограничением количества жидкой фазы из элементов, раство­ ряющихся в титановой основе припоя.

4. Применение серебряных припоев с ограниченным содержанием меди. В качестве барьерных покрытий при пайке титана используют медные, нике­

левые, хромо-никелевые, кобальто-никелевые покрытия.

Пайка по медным и никелевым покрытиям позволяет получить хорошие результаты при ограниченной температуре нагрева под пайку, не превосходящей температуры образования эвтектики в системах Ti—Си, Ti—Ni.

Так, при пайке сплава ОТ4 по медному покрытию припоем ПСрМО 68-27-5 максимальная прочность получена при температурах пайки 790—-810° С; при более высоких температурах начинается растворение медного покрытия в титане и прочность соединения снижается [1 ].

Применение хромоникелевого и кобальто-никелевого покрытий снимает ограничения по температуре, однако прочность соединений определяется проч­ ностью на границе припой-покрытие и зависит от качества нанесения покрытий и прочности его сцепления с поверхностью титана.

Диффузионная пайка титана по тонким слоям металлов, нанесенных гальва­ ническим способом или термовакуумным напылением, обеспечивает получение высоких прочностных свойств паяных соединений (тср = 4Û4-60 кге/мм^) [4].

Режимы диффузионной пайки для различных покрытий приведены в табл. 9. При пайке титана порошковыми припоями системы Ti—Си—Ni—2г, основу которых составляет титан, получены высокие значения прочности (тсй = 40ч-

4-50 кге/мм*234*).

Вприпоях содержится, как правило, до 40—50% титана и циркония, а также медь и никель, образующие легкоплавкие эвтектики с титаном и цирконием. При таком составе припоев сохраняется температура пайки в интервале 950— 1000° С.

Впромышленности нашел применение припой ВПр16, позволяющий вести пайку при температурах 920—960° С. Прочность соединений, паяных припоем

и получение низких прочностных свойств обусловлено образованием интерметал­ лических соединений типа TiaCu, TiAg, Ti2Ni и др. Из многих серебряных припоев

Рис. 4. Изменение твердости и распределение химических элементов по сече­ нию соединений из сплава ВТ20, паянных в вакууме:

а — припой ПСр72, температура пайки 860° С. выдержка 15 мин; б ** припой ПСр 92, температура пайки 920° С, выдержка 15 мин

наибольшую прочность при пайке можно получить, применяя серебряные припои с ограниченным содержанием меди.

Припои, содержащие до 28% Си, такие как ПСр 72, ПСр 62, ПСрМО 68-27-5 образуют на границе титан—припой интерметаллические соединения с концен­ трацией меди до 35—40%, что приводит к снижению прочностных свойств паяных соединений. Для сплавов ОТ4-1 и ВТ20 получены тср = 10-М5 кгс/мм2, = = 8-г-10 кгс/мм2.

При пайке припоем ПСр 92 концентрация меди на границе титан—припой остается на уровне 8—10%, что позволяет получить более высокие прочностные

по сечению паяных соединений для припоев ПСр 72 и ПСр 92 приведены на рис. 4. Эти же данные подтверждаются японскими учеными, которые считают, что содер­ жание меди в серебряных припоях для пайки сплавов титана не должно пре­ вышать 10%, а в случаях превышения указанного содержания меди в припое в состав припоя целесообразно вводить никель, образующий с медью твердый раствор и тем самым снижающий концентрацию меди на границе припой—титан.